中温制备多晶硅薄膜及相关理论问题的探讨

论文摘要

太阳能电池在缓解能源危机和解决环境污染方面有其重要的研究和应用价值。我国当前经济处在高速发展期，能源供需矛盾突出，同时又是太阳能资源比较丰富的国家，发展太阳能电池有迫切的需求和巨大的市场潜力。太阳能电池的发展方向在于降低成本和提高效率。本文首先分析了各种太阳能电池的价格、材料二次污染、电池效率等因素，从影响太阳能电池民用化的成本和稳定性方面考虑，认为多晶硅薄膜集晶体硅和非晶硅薄膜材料优点于一身，与现有的太阳能电池生产技术具有兼容性，有可能成为制作太阳能电池的廉价优质材料，在将来极具潜力。根据处理温度不同，我们进一步把制备多晶硅薄膜电池分为高温、中温和低温路线。考虑到以玻璃材料为电池衬底，它在透光性、软化点、廉价、美观、可以与建筑一体化等优点，我们选择中温线路作为制备多晶硅薄膜电池的研究方向。制备大晶粒多晶硅薄膜是提高多晶硅薄膜电池效率的关键，本文将重点研究中温制备大晶粒多晶硅薄膜。本文研究用常规高温炉中温制备多晶硅薄膜材料的工艺参数。在550℃-1000℃温区选择不同的晶化温度和时间，发现在中温炉子退火制备多晶硅薄膜的过程中，退火温度与退火时间是相互关联的。对于同样的晶化效果，退火温度高，在较少的时间内晶化；退火温度低，在较长的时间内完成晶化。本文发现在中温炉子退火制备多晶硅薄膜的过程中，出现一系列的晶化效果好的极值点，比如940℃下退火1h，850℃下退火3h等。多晶硅薄膜的晶化效果也与不同条件下沉积的非晶硅薄膜有关。对中温光退火制备多晶硅薄膜的研究表明，退火温度与退火时间是相互关联的，同样存在一系列的晶化效果好的极值点，比如850℃下退火5分钟，750℃下退火8分钟等。并且发现700℃和750℃之间存在一个开始晶化温度点。当退火温度低于这个温度时，非晶硅薄膜晶化比较困难；而当退火温度高于这个温度时，非晶硅薄膜则很容易发生晶化。本文对比了常规高温炉和光退火两种方法，发现光退火后获得的多晶硅薄膜晶粒分布比较均匀，常规炉子退火后的薄膜晶粒分布不均匀。用两种方法都可以达到一定的晶化效果，都可以获得的相同晶粒大小的多晶硅薄膜，但光退火比常规退火的时间大大缩短。我们研究沉积温度对制备大晶粒多晶硅薄膜的影响，用PECVD法在30℃、350℃和450℃沉积的非晶硅薄膜，在相同条件下退火，350℃附近沉积的非晶硅薄膜的结晶颗粒比较低温度30℃沉积的大。这一点与以前认为，“非晶硅薄膜的沉积温度越低，晶化后所得的多晶硅薄膜材料的晶粒就越大”的结论不一致。本文研究PECVD沉积非晶硅薄膜的衰变，观察到在自然条件下会发生衰变，因此，中温光退火制备多晶硅薄膜的过程中，应减少中间停留的时间，尽快进入下一步工艺。本文研究了多晶硅薄膜与玻璃衬底的结合问题。发现硅薄膜与玻璃衬底有明显的分离现象，研究选择合适软化点的玻璃衬底，使玻璃的软化点温度与最高退火温度点匹配，可以避免处理过程中玻璃与硅膜相分离。在此基础上总结中温制备大晶硅薄膜的较好技术路线和工艺参数。首先用PECVD法在玻璃衬底和一定温度情况下沉积，然后用光退火制备的多晶硅薄膜。具体沉积工艺参数：真空度5.6×10-4pa，沉积室中电极间距2cm，工作气压133.3Pa，氢稀释比98％、衬底温度350℃、射频功率60W；退火条件：850℃下光退火5分钟。最后，本文发现在PECVD沉积硅膜和进行固相晶化过程中，晶粒大小等状态在一定范围内随着退火温度、时间的变化，出现极值点现象。本文对这种现象进行了分析，认为这与微观量子现象有紧密的联系，根据这一想法，提出等能量驱动原理，并计算了光退火制备多晶硅薄膜的过程，与实验结果一致。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 太阳能电池的原理及研究意义
• 1.2 太阳能电池的发展及现状
• 1.2.1 单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池
• 1.2.2 薄膜太阳电池
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 低成本高可靠太阳电池技术路线的研究
• 2.1 硅材料地位的确定
• 2.2 体材料与薄膜材料的对比
• 2.3 多晶硅薄膜电池的确定
• 2.4 中温制备多晶硅薄膜太阳电池的选择
• 2.5 多晶硅薄膜制备中的关键问题
• 第三章 中温电阻炉退火制备多晶硅薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 中温电阻炉退火的温度研究
• 3.2.1 实验的设计思想
• 3.2.2 材料性能的表征
• 3.2.3 第一阶段实验
• 3.2.4 第二阶段实验
• 3.3 中温电阻炉退火的时间研究
• 3.3.1 实验的设计思想
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 实验结果与讨论
• 3.4 结论
• 第四章 中温光退火制备多晶硅薄膜
• 4.1 实验设备
• 4.2 中温光退火的温度研究
• 4.2.1 实验的设计思想
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验结果与讨论
• 4.3 中温光退火的时间研究
• 4.3.1 实验的设计思想
• 4.3.2 实验方法
• 4.3.3 实验结果与讨论
• 4.3.4 结论
• 4.4 常规退火与光退火固相晶化的对比
• 4.4.1 实验的设计思想
• 4.4.2 实验方法
• 4.4.3 实验结果与讨论
• 4.4.4 结论
• 第五章 制备硅膜中衰变、衬底温度和结合问题
• 5.1 衬底温度对薄膜二次晶化的影响
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 实验结果与讨论
• 5.1.3 结论
• 5.2 非晶硅薄膜自然衰变的研究
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 实验结果与讨论
• 5.2.3 结论
• 5.3 关于硅薄膜与玻璃衬底的结合问题
• 5.4 结论
• 第六章 分析与计算
• 6.1 极值点现象的分析
• 6.2 极值点现象的物理思想
• 6.3 等能量驱动原理
• 6.4 光退火制备多晶硅薄膜的计算
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的总结与创新点
• 7.2 展望
• 参考文献
• 在读期间发表的文章
• 致谢