硅薄膜材料課件

1、硅薄膜材料課件 第七章第七章 硅薄膜材料硅薄膜材料 硅薄膜材料課件 提 綱 7.1 非晶硅薄膜材料 v非晶硅薄膜的特征及基本性質(zhì) v非晶硅薄膜的制備 v非晶硅薄膜的缺陷及鈍化 7.2 多晶硅薄膜材料 v多晶硅薄膜的特征和基本性質(zhì) v多晶硅薄膜的制備 v多晶硅薄膜的晶界和缺陷 硅薄膜材料課件 之特征及基本性質(zhì) 材料和制造工藝成本低材料和制造工藝成本低 首先非晶硅薄膜太陽(yáng)電池采用廉價(jià)的襯底材料 上，如玻璃、不銹鋼、塑料等；其次，其薄膜 僅有數(shù)百納米厚度；最后，非晶硅的規(guī)模生產(chǎn) 的能耗小。以上三點(diǎn)均可以大幅度降低成本。 易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力 多品種和多用途多品種和多用途 易實(shí)

2、現(xiàn)柔性電池易實(shí)現(xiàn)柔性電池 非晶硅可以制備成輕型、柔性太陽(yáng)電池，易 于和建筑集成。 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn) 柔性太陽(yáng)能電池 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的不足非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的不足 在實(shí)際生產(chǎn)線上其效率不超過(guò)10% 及穩(wěn)定性較差 硅薄膜材料課件 之特征及基本性質(zhì) 薄膜非晶硅的基本特征和性質(zhì)薄膜非晶硅的基本特征和性質(zhì) 1）非晶硅的原子在數(shù)納米甚至更小的范圍內(nèi)呈有限的短 程周期性的重復(fù)排列，但從長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)來(lái)看，原子排列是無(wú)無(wú) 序序的。 2）共價(jià)鍵顯示連續(xù)的無(wú)規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 3）其物理性質(zhì)具有各向同性各向同性 。 4）非晶硅中室溫下其電阻率很高。 5）非晶硅的

3、禁帶寬度為1.5eV，且在一定程度上可調(diào)。 6）非晶硅的密度、電導(dǎo)率、禁帶等性質(zhì)可以連續(xù)變化連續(xù)變化和 調(diào)整 。 7）在合適的熱處理?xiàng)l件下，非晶硅可以轉(zhuǎn)化為多晶硅、 微晶硅和納米硅 。 非晶 晶體 多晶 硅薄膜材料課件 問(wèn)題問(wèn)題 之制備 非晶硅薄膜制備的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法非晶硅薄膜制備的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法 單體的非晶硅本身并不具有任何重要的光伏性質(zhì)。如果沒(méi)有周期性 的束縛力，則硅原子很難與其他四個(gè)原子鍵合。這使材料結(jié)構(gòu)中由 于不飽和或“懸掛”鍵而出現(xiàn)微孔。再加上由于原子的非周期性排 列，增加了禁帶中的允許態(tài)密度，結(jié)果就不能有效地?fù)诫s半導(dǎo)體或結(jié)果就不能有效地?fù)诫s半導(dǎo)體或 得到適宜的載流子壽命得到

4、適宜的載流子壽命。 解決方法解決方法 輝光放電分解硅烷輝光放電分解硅烷(SiH4) 基本原理基本原理：SiH4分解產(chǎn)生的H2填補(bǔ)了膜內(nèi)部微孔中的懸掛鍵及其其他結(jié)構(gòu)缺陷 硅薄膜材料課件 之制備 輝光放電的基本原理輝光放電的基本原理 在真空系統(tǒng)中通入稀薄氣體，兩電極之間將形成放電電流從而產(chǎn)生輝光 放電現(xiàn)象。 輝光放電系統(tǒng)的I-V特性曲線 能實(shí)現(xiàn)輝光放電的 兩個(gè)區(qū)域 硅薄膜材料課件 之制備 輝光放電的基本原理輝光放電的基本原理 輝光放電系統(tǒng)的輝光區(qū)示意圖 起作用區(qū)起作用區(qū) 特點(diǎn)：電子和正離子基 本滿足電中性條件，處 于等離子狀態(tài) 電子被加速方向 在輝光放電過(guò)程中，等離子體的溫度、電子的溫度和電子的濃

5、度是關(guān)鍵因 素。一般而言，輝光放電是低溫過(guò)程，等離子體的溫度在100500， 而電子的能量在110eV左右，電子的濃度達(dá)到1091012/cm3，電子的 溫度達(dá)到104105K。 硅薄膜材料課件 之制備 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備非晶硅等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備非晶硅 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圈 正極 負(fù)極 SiH4 Si + 2H2 反應(yīng)方程式反應(yīng)方程式 非晶硅的性能對(duì)制備的條件十 分敏感，不同的設(shè)備都需要獨(dú) 特的優(yōu)化工藝，才能制備出高 質(zhì)量的非晶硅。一般而言，襯 度溫度在200300，功率 在300500 W/m2時(shí)，比較適 宜制備非晶硅。 硅薄膜材料課件 之缺陷與鈍化 非晶硅

6、薄膜的主要缺陷種類非晶硅薄膜的主要缺陷種類 圖中表明懸掛鍵是怎樣 產(chǎn)生以及怎樣被氫鈍化 1）懸掛鍵 使非晶硅的電學(xué)性能不易控制 2）Si-Si弱鍵 氫的作用氫的作用 1）氫能夠很好地和懸掛鍵結(jié)合，呈飽和懸掛鍵，降低其缺陷密度，去除其電 學(xué)影響，達(dá)到了鈍化非晶硅結(jié)構(gòu)缺陷的目。 2）氫的加入可以改變非晶硅缺陷態(tài)的密度及非晶硅的帶隙寬度。 3）過(guò)量的氫在非晶硅中能夠產(chǎn)生光致衰減的缺陷（副作用副作用） Staebler-Wronski效 應(yīng)（S-W效應(yīng)） 硅薄膜材料課件 之特征及基本性質(zhì) 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的特點(diǎn) 1）低成本 2）使用性能穩(wěn)定 3）效率較高 實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)1

7、8%（日本三菱電機(jī)） 4）無(wú)毒（毒性?。┖筒牧腺Y源豐富的優(yōu)勢(shì) 有望成為續(xù)單晶硅太 陽(yáng)能電池之后的下一 代太陽(yáng)電池 多晶硅薄膜的研究重點(diǎn)多晶硅薄膜的研究重點(diǎn) 其一，是如何在廉價(jià)的襯底上能夠高速、高質(zhì)量地生長(zhǎng)多晶硅薄膜； 其二，是制備電池的工藝和方法，以便選用低價(jià)優(yōu)質(zhì)的襯底材料。比較合適 的襯底材料為一些硅或鋁的化合物，如SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3， SiAlON，Al等。 硅薄膜材料課件 之特征及基本性質(zhì) 多晶硅多晶硅 多晶硅薄膜的優(yōu)缺點(diǎn)多晶硅薄膜的優(yōu)缺點(diǎn) 多晶硅（polycrystalline silicon，poly-Si） 薄膜是指在玻璃、陶瓷、廉價(jià)硅等低成本 襯底上，

8、通過(guò)化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，制備 成一定厚度的晶體硅薄膜，它是由眾多大 小不一和晶向不同的細(xì)小硅晶粒組成，直 徑一般在幾百納米到幾十微米。 1）對(duì)可見(jiàn)光又具有很高的吸收系數(shù)； 2）具有晶體硅一樣的光穩(wěn)定性； 3）具有低成本、大面積和制備簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)； 4）晶界引入的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)導(dǎo)致電學(xué)性能的大幅度降低； 5) 晶粒體內(nèi)含有大量的位錯(cuò)等微缺陷，嚴(yán)重影響多晶硅薄膜性能。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 柱狀多晶硅薄膜的SEM形貌照片 硅薄膜材料課件 之制備 1）化學(xué)氣相沉積直接制備多晶硅薄膜 利用加熱、等離子體、光輻照等能源，通 過(guò)硅烷或其他氣體的分解，在不同的襯底 上采用一步工藝直接制備多晶硅薄膜。 2）非晶硅晶化

9、制備多晶硅薄膜 首先制備非晶硅薄膜，然后利用其亞穩(wěn)的 特性，通過(guò)不同的熱處理技術(shù)，將非晶硅 晶化成多晶硅薄膜，又稱為兩步工藝法。 常用的多晶硅薄膜的制備的兩類方法常用的多晶硅薄膜的制備的兩類方法 在玻璃襯底上的多晶硅薄膜的 SEM照片 硅薄膜材料課件 之制備 化學(xué)氣相沉積直接制備多晶硅薄膜化學(xué)氣相沉積直接制備多晶硅薄膜 1）等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（）等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PVCVD） 是非晶硅薄膜的常用制備方法，具有溫度低（100300）、能耗小的特點(diǎn) 。 最常用的是鹵硅化合物（如SiF4）或者是硅烷和鹵硅化合物的混合氣體（如SiF4、 SiH4和H2）為氣源。生成的多晶硅晶粒較大（可達(dá)到4

10、6m），而且有明顯的擇 優(yōu)取向。 2）低壓化學(xué)氣相沉積（）低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD） 其晶粒具有（110）擇優(yōu)取向，同時(shí)內(nèi)部 含有高密度的微孿晶缺陷，且晶粒尺寸小， 載流子遷移率不夠大。通過(guò)降低反應(yīng)室壓 力，多晶硅的晶粒尺寸可以增大。 LPCVD系統(tǒng)的示意圖 特點(diǎn)：低壓力 硅薄膜材料課件 之制備 3）熱絲化學(xué)氣相沉積）熱絲化學(xué)氣相沉積（HWCVD） p工藝及組織特點(diǎn)工藝及組織特點(diǎn) 它是在反應(yīng)室的襯底附近放置一個(gè)直徑為0.30.7 mm的金屬鎢絲，然后通入 大電流，使鎢絲加熱升溫至15002 000，此時(shí)SiH4等源氣體在流向襯底的途 中，受到鎢絲的高溫催化作用而發(fā)生熱解，從而使硅原子直接沉

11、積在襯底上形 成多晶硅薄膜。利用HWCVD技術(shù)制備的多晶硅薄膜的晶粒尺寸可以到達(dá)1 m以 上，具有柱狀結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出強(qiáng)烈的（110）擇優(yōu)取向。 p優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 該技術(shù)的襯底溫度低，因此可以利用廉價(jià)的材料 作為襯底； 高溫鎢絲可使硅烷充分分解，達(dá)到充分利用源氣 體的目的； 薄膜生長(zhǎng)速率高。 HWCVD制備的多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)均勻，一致性高， 載流子遷移率高 一種相當(dāng)有 前景的技術(shù) 硅薄膜材料課件 之制備 非晶硅晶化制備多晶硅薄膜非晶硅晶化制備多晶硅薄膜 1）固相晶化（）固相晶化（SPC） 指非晶硅薄膜在一定的保護(hù)氣中，在600以 上溫度進(jìn)行常規(guī)熱處理。此時(shí)，非晶硅可以在 遠(yuǎn)低于熔硅晶化溫度的條件下結(jié)晶，

12、形成多晶 硅。 2）金屬誘導(dǎo)固相晶化（）金屬誘導(dǎo)固相晶化（MISPC） 在制備非晶硅薄膜之前、之后或同時(shí)，沉積一 層金屬薄膜（如Al、Ni、Pd），然后在低溫下 進(jìn)行熱處理，在金屬的誘導(dǎo)誘導(dǎo)作用下使非晶硅低 溫晶化而獲得多晶硅。 Al誘導(dǎo)a-Si在425結(jié)晶的OM圖 硅薄膜材料課件 之制備 非晶硅晶化制備多晶硅薄膜非晶硅晶化制備多晶硅薄膜 3）激光晶化）激光晶化 指通過(guò)脈沖激光的作用，非晶硅薄膜薄膜 局部局部迅速升溫至一定溫度而使其晶化 。 對(duì)襯底材料的要求并不嚴(yán)格。但是激 光晶化技術(shù)也有明顯弱點(diǎn)，主要是設(shè) 備復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī) 模工業(yè)應(yīng)用。 4）快速熱處理晶化（）快速熱處理晶化（RTP） 指采用光加熱的方式，在數(shù)十秒內(nèi)能將材料升高到1000以上的高溫，并