太陽能ALD原子層沉積設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用

1、    太陽能ald原子層沉積設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用    王爽徐永勝綦宗升張丹趙志川adl技術(shù)在可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度與成分的精確控制，薄膜且厚度均勻，并且可以根據(jù)襯底的不同形狀來進(jìn)行調(diào)試，適用讀高。同時(shí)，adl還具有低溫生長的優(yōu)點(diǎn)。但由于adl沉積速度低，限制了adl技術(shù)在太陽能技術(shù)中的應(yīng)用。近幾年，隨著adl技術(shù)的升級(jí)，其沉積速度也不斷提高，克服以往沉積速度過慢的缺點(diǎn)，發(fā)揮出adl技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前薄膜制備新技術(shù)中不可或缺的技術(shù)。一、adl技術(shù)概述所謂利用adl的技術(shù)就是把單分子從反應(yīng)腔室中通過氣相交替脈沖控制送進(jìn)來的單層氣相前驅(qū)體與單分子基體表面

2、反應(yīng)腔室中的單層惰性化學(xué)前驅(qū)體進(jìn)行氣相吸附和聚合反應(yīng)，直到前驅(qū)體與反應(yīng)腔室完全飽和后，會(huì)自動(dòng)地停止聚合反應(yīng)。整個(gè)反應(yīng)過程結(jié)束后，利用單層惰性前驅(qū)體的載氣進(jìn)行反應(yīng)腔室的清潔，單分子的薄膜也就此開始產(chǎn)生，adl也就這樣完成了一個(gè)單分子反應(yīng)的處理周期循環(huán)。通過利用adl的技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子的薄膜質(zhì)量和厚度的精確控制，其工作原理也就是我們可以通過自動(dòng)調(diào)整單分子adl的反應(yīng)處理周期，以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子的薄膜質(zhì)量和厚度的精確控制.前驅(qū)體發(fā)生的表面吸附反應(yīng)自動(dòng)停止，可以稱為自限制性，adl反應(yīng)周期的過程主要有四步：（1）前驅(qū)體ai（ch3）3主要與基底表面oh產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)新的oh基團(tuán)的產(chǎn)生;（

3、2）通過使用惰性載氣來清除反應(yīng)腔室，主要清除其中的前驅(qū)體和ch4;（3）再次進(jìn)行前驅(qū)體水域所產(chǎn)生的新的oh基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，再生成新的oh基團(tuán);（4）再次利用惰性載氣來清除反應(yīng)腔室，主要清除其中的前驅(qū)體和ch4;。二、adl設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用adl設(shè)備依賴于adl技術(shù)，adl技術(shù)的提高，促進(jìn)了其在太陽能薄膜技術(shù)上的應(yīng)用，具體表現(xiàn)在adl制備硅基太陽能電池鈍化層、ald制備銅銦鎵硒太陽能 電池緩沖層。具體如下：（1）adl制備硅基太陽能電池鈍化層晶體硅（c-si）電池太陽能半導(dǎo)體電池主要包括了單晶硅和擴(kuò)散多晶硅兩種太陽能半導(dǎo)體電池，盡管它們的技術(shù)發(fā)展最早且最成熟，但是成本高昂，材料有限。硅基半導(dǎo)體太陽能

4、電池主要材料是多晶硅和c-si，現(xiàn)已迅速地發(fā)展到可以成為電池的替代品，并逐漸發(fā)展成為目前太陽能市場上主要的硅基半導(dǎo)體電池產(chǎn)品。adl鈍化技術(shù)可以完全地實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基半導(dǎo)體太陽能電池的鈍化，這對(duì)進(jìn)一步提高太陽能電池的效率也起著重要的作用。在2006年，hoex等研究人第一次使用了adl技術(shù)在單晶硅和擴(kuò)散多晶硅的表面上分別沉積了一層al2o3作為電池的鈍化層，后來一些多晶硅的研究人員發(fā)現(xiàn)通過al2o3鈍化了si的表面，一種有效的方法主要是通過鈍化al2o3，另一種有效的方法主要是將al2o3與高固定負(fù)密度的電荷載流子密度（1012-1013cm-2）或者降低了負(fù)密度的c-si表面的載流子濃度的場進(jìn)行鈍

5、化來達(dá)到效果。liao等人通過adl在c-si表面沉積了超薄的al2o3層，并且最后在800下焙燒，最后發(fā)現(xiàn)aio2/c-si界面的固定負(fù)電荷密度從1.4×1012cm-2增加到3.3×1012cm-2，帶隙中心界面的缺陷密度增加。從3×1011cm-2減小到0.8×1011cm-2，最后，載流子壽命增加到12ms。（2）ald制備銅銦鎵硒太陽能電池緩沖層銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有低成本、綠色環(huán)?？馆椛湫詮?qiáng)并且穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并且銅銦鎵硒薄膜太陽能電池與c-si太陽能電池相比，其光電轉(zhuǎn)換率也較高，成為當(dāng)前太陽能電池中發(fā)展最好的之一。culns2、cu（i

6、n，ga）（s.se）2和實(shí)驗(yàn)室的cuznsns都是可一用來充當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的cigs窗口吸收緩沖層，吸收層和 zno窗口吸收層之間隔著一層窗口吸收緩沖層。如果中間沒有窗口吸收緩沖層就可能會(huì)直接造成開路電壓（voc）和閉路電壓pce的大幅度偏移下降，給實(shí)驗(yàn)室的gigs/zno窗口吸收層面帶來正負(fù)的大幅度（cbo，ec）和正負(fù)的大幅度偏移。由于這種緩沖層一般被廣泛應(yīng)用于有毒的材料cds，實(shí)驗(yàn)室所采用的制備有毒cds的緩沖層方法一般都是直接采用采用含有化學(xué)溶劑的水浴進(jìn)行沉積（cbd），所以目前緩沖層發(fā)展的主要研究熱點(diǎn)之一就是如何找到合適的材料和方法制備不含有毒cds的材料。緩沖層的主要材料都可以有zns

7、、zno、zn（o，s）、znxmg1-x o、in2s3、znlnxsey 和 znse等等。采用ald制備緩沖層材料，能夠準(zhǔn)確控制膜成分、膜厚度，達(dá)到間接控制帶隙和 cbo。此外，ald采用的是干燥的氣相反應(yīng)，而cbd采用液相反應(yīng)，這樣就可以避免在反應(yīng)中碰到水霧和氧氣。（zn，mg）o把 zn（c2h5）2、mg（cpet）2 和 h2o當(dāng)作前驅(qū)體，通過分別控制aid周而復(fù)始的得到zno和mgo，把他們加工得到薄膜，準(zhǔn)確的控制mgo、zno原子比讓（zn，mg）o的帶隙在3.33.8ev 范圍內(nèi)控制。zimmermann等將前驅(qū)體改為zn-（c2h5）、h2o和 h2s，讓他們在120攝氏

8、度下慢慢下沉70個(gè)ald的周期得到zn（o.s），每七個(gè)循環(huán)就可以把h2s前驅(qū)體改為h2o，經(jīng)過這一系列可以得到25納米厚zn（o，s）緩沖層合成12.5厘米乘12.5厘米的電池，得到百分之18.5的pce.saoussen merdes等是用ald做出zn（o，s）緩沖層組，然后合成cu（in，ga）（se，s）2，這樣可以得到百分之16.1的pce電池。j.lindahl等發(fā)現(xiàn)了當(dāng)sn/（sn+ zn）原子比為0.18是 zn1-x snxoy的空間是3.3ev，這樣可以得到13納米厚的zn1-x snxoy緩沖層合成的jsc，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)jsc比cds高，并且pce高達(dá)百分之18。三 結(jié)語本文簡要深入地介紹了關(guān)于利用ald制備廣泛應(yīng)用于多相硅基材料太陽能電池的前驅(qū)體表面鈍化和添加銅銦鎵硒硅基薄膜材料的太陽能復(fù)合材料電池緩沖層的相關(guān)技術(shù)研究。ald制備高質(zhì)量薄膜材料面臨以下兩個(gè)關(guān)鍵問題：（1）由于薄膜前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)局限性，在廣泛應(yīng)用于新質(zhì)量薄膜材料的新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之前，還可能需要進(jìn)一步深入研究沉積其他新型高質(zhì)量薄膜材料的意義和可能性;（2）由于薄膜前驅(qū)體的相互作用劑量和化學(xué)反應(yīng)更復(fù)雜，沉積或添加摻雜多相硅基復(fù)合前驅(qū)體的薄膜仍然沒有具體的技術(shù)挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)1王俊華.ddostm&ald原子層沉積技