论文研究-硅烷浓度对VHF-PECVD制备过渡区微晶硅薄膜特性的影响 .pdf

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硅烷浓度对VHF-PECVD制备过渡区微晶硅薄膜特性的影响,汪文明,杨恢东,采用甚高频等离子体化学气相沉积(VHF-PECVD)技术,通过调节硅烷浓度,获得了系列非晶/微晶过渡区薄膜材料,并测试分析了硅烷浓度��
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 其中λ和λ2分别表示相邻两个波峰的波长;为簿膜折射率,约为350 不同硅烷浓度下的透过光谱图如图2所小。计算得到所沉积薄膜的厚度,如表1所小。 图2不同硅烷浓度下的透过光谱图 表1不同硅烷浓度下制备的pcSi:H薄膜样品的厚度 硅烷浓度(%) 薄膜厚度(nm) 368 427 5l6 717 826 山沉积速率等于薄膜厚度与镀膜时间的比倌可以算出系列样品的沉积速率。如图3所 示,沉积速率随着硃烷浓度的增人旱上升趋势。从图中可以明显看出在较低的反应气体浓度 80下,增加硅烷浓度,生长速率増加缓慢。但当硅烷浓度増加到6%时,生长速率増加明显加 快。这是因为随着硅烷浓度的増加,薄膜生长前驱物Si3基团数量也随之増加,而前驱物 SiH3基团数量的增加,可以提高薄膜的生长速率。而另一种解释根据“选择蚀刻模型” 理论凹,认为在薄膜生长的表面,大量的氢原了将原有非晶Si网络中的SiSi弱键打断,并 在该键处由SiH3替代,形成了键合力更强的Si-Si键,提高了Si网络的有序度,原子氢选 85择蚀刻非晶相而留下晶相部分。于是随着硅烷浓度增加,即氢气稀释率的降低,∏原子的数 目少,其对薄膜的腐蚀蚀刻作用减弱,Si-Si弱键就开始聚集在一起,这进而又阻碍了H 原子的蚀刻,薄膜生长速率变大。 因此,硅烷浓度的増加可以提髙薄膜旳生长速率。但硅烷浓度的増加,也会导致薄膜由 微晶向非晶过渡,所以要在二者之间找到一个合适的平衡点 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 图3生长速率随硅烷浓度变化图 硅烷浓度对电学特性的影响 电导率和光敏性是衡量硅材料的关键参数,也是判断其是否适合于做微皛硅薄膜太阳能 95电池本征层的重要依据。 样品的光电导率和暗电导率随硅烷浓度变化如图4所示。光电导率和暗电导分别是在 AM15,1000W/m2的卤钨灯光照条件下和密闭的测试箱了里测试的。 图4光电导率和暗电导率随硅烷浓度变化图 100 由图分析可知,在硅烷浓度从2%增加到4%的过程中,光电导率、暗电导率都呈下降 趋势,且暗电导率下降的更忺,通过计算可知光敏性随之增加ε当硅烷浓度由4%增加到6% 时,光电导率、暗电导率都呈上升趋势,且光电导率相增加的更多,计算可知光敏性随之进 步埤加。这个分析结果与图5(光敏性随硅烷浓度变化图)显示一致 4 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 105 图5光敏性随硅烷浓度变化图 图5揭示了随着硅烷浓度的増加,薄膜料的光敏性随之增加。这是由于随着硅烷浓度 的增加,能蚀刻掉硅溥膜表面键合比较弱的Si-H键的氢原子的数量减少,样品开始山徼晶 110相向非晶相过渡。而非晶硅的光学吸收系数比微晶硅的光学吸收系数要大,自然非晶硅的光 敏性要大。所以样品开始由微晶相向非晶相过渡时,其光敏性随之逐渐增大。 非晶硅薄膜材料因其原子之间共价键有微小变形,使之晶格失去有序性,能带中出现了 带尾态,成为直隙半导体。所以其光学吸收系数大,具有高光敏性,但其也具有光致哀 退效应(SWE)。而微晶硅薄膜材料因其结构网络比较有序,几乎不在SWE,但其光敏 115性较低。所以尽管在较高的硅烷浓度下,可以获得较烏的光敏性,但其是以微晶相的比重降 低甚至喪大为代价的,而微晶相的丧大使得薄膜的光致衰退效应增大4。所以要在光敏性 和薄膜的光致衰退效应之间取得一个平衡,即光致衰退效应的取得,需要牺牲一定的光敏性。 结论 硅烷浓度对非品/微品过渡区薄膜材料的微结构和光电特性具有显著影响。提髙硅烷浓 120度可以增大薄膜的沉积速夆,但是过扃的佳烷浓度将导致薄膜样品的晶格失去有序性,光敏 性上升,光致衰退效应加剧。对于当前的沉积系统,硅烷炕浓度在2-4%之间可以实现薄膜的 优化生长。这些硏究成果不仅深化了对于硅烷浓度在过渡区微晶硅薄膜沇积过程中的所起作 用的认识,而且可以为具有渐变梯度带隙的微晶硅薄膜材料制备过程中工艺参数的优化提供 指 125 参考文献 [1LU J X, ZHANG Y X. The trend of changing silicon wafer based solar cells gradually into thin films[].Acta Encrgiac Solaris Sinica, 2006, 27(5): 444 郭学军,卢景霄,陈水生.贯高频高速沉积微晶硅薄膜的研究J物理学报,2008,57(9);6002-6006. 130 [3] Staebler D L, Wronski CR. Reversible Conductivity Changes in Dischange produced Amorphous Si[J].Appl Phys Lett.,1977,31(4):292 [4]陈飞,张晓丹,赵颖.非晶微晶过渡区内材料性能及电的研究[J人工晶体学报,2007,36(1):119-12 5 HAN D X, YUE G Z, Lorentzen J D. Optical and Electronic Properties of Microcrystalline Silicon as a Function of Microcrystallinity[J]. Appl Phys, 2000, 87(4): 1882 1356郝会颖,孔光临,曾湘波非晶/微晶相变域薄膜及县太阳能电池山」物理学报,2005,54(7):3327 [η]王岩,韩晓艳,仨慧志柑变域硅薄膜材料的光稳定性卬]物理学报,2006,55(2):947 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn [8]张世斌,廖显伯,安龙.非旵/微晶过渡区域硅薄膜的微区喇曼散射硏究J物理学报,2002,51(8): 1810-1813 「9]杨诙东,刘丽娟,黄君凯.非晶硅/微晶硅过渡区材料的 PECVD法制备与特性[A].杨德仁.第十届中国太 140阳能光伏会议论文集[C]杭州:浙江大学出版社,2008.363-367. [10R.Swanepoel. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon [] Journal of Physics E: Scicntific Instruments, 1983, 16(4): 1214-1223 [11]F Finger, U Kroll.V Viret Influences of high excitation frequency (70 MHz)in the glow discharge technique on the process plasma and the properties of hydrogenated amorphous silicon[]. Appl Phys. 1992,71(11): 5665 1455668 「12]马康,王海燕,吴芳, PECVD低温匋备微晶硅薄膜的研究.人工晶休学报,2008,37(1):97-101. [13]杨芳微品硅薄膜的制备及其性能的硏究[D]天津:河北工业大学,2011 14]张缑森过渡区微晶硅薄膜Ⅴ HF-PECVD法制备与研究D广州:暨南大学,2013.

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