1、第9章 非晶硅薄膜,帶硅材料厚度200300微米 晶體硅吸收層25微米足以吸收大部分的光 其余厚度起支撐電池的作用 所以為了進一步降低成本，發(fā)展了非晶硅薄膜電池 1976年，最先報道了非晶硅薄膜電池，轉(zhuǎn)化效率2.4% 實驗室最高轉(zhuǎn)化效率13%，生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化效率仍沒有達到10% 但是應(yīng)用非常廣泛。,非晶硅太陽電池的優(yōu)勢： 1、 材料和制造成本低 光吸收系數(shù)高，本征光吸收系數(shù)達到105cm-1，比晶體硅高一個數(shù)量級，厚度小于1微米就能充分吸收太陽光。圖9.1 薄膜可以制備在薄膜，不銹鋼等廉價襯底材料上。 非晶硅制備在低溫下進行，沉積溫度100300，能耗低。,2、易于形成大規(guī)模的生產(chǎn)能力 非晶硅可以

2、大面積成膜，生產(chǎn)可以實現(xiàn)連續(xù)、全流程的自動化，顯著提高勞動生產(chǎn)率。,3、多品種和多用途 不同于晶體硅，在制備非晶硅薄膜時，只要改變原材料的氣相成分或氣體流量，便可使非晶硅薄膜改性，制備出新型的太陽電池結(jié)構(gòu)；并可根據(jù)器件功率、輸出電壓和輸出電流的要求，可以自由設(shè)計制造，方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。,4、易實現(xiàn)柔性電池 非晶硅可以制備在柔性襯底上，所以可以制備成輕型、柔性太陽電池，易于與建筑集成。,缺點： 轉(zhuǎn)化效率低，存在光致衰退效應(yīng)，到目前為止仍未解決，先進主要應(yīng)用于計算器、手表、玩具等小功率器件中。,9.1 非晶硅薄膜的基本性質(zhì),（1）非晶硅材料的原子結(jié)構(gòu)特征,非晶硅(asi)的結(jié)構(gòu)

3、沒有長程有序性，只是在幾個晶格常數(shù)范圍內(nèi)具有短程有序，原子之間的鍵合十分類似晶體硅，形成一種共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對單個原子而言，其周圍與單晶硅中的硅原子一樣，由4個原子組成共價鍵，在其近鄰的原子也有規(guī)則排列，但更遠(yuǎn)一些的硅原子，其排列就沒有規(guī)律。,連續(xù)無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型、微晶模型,連續(xù)無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型：非晶硅與理想的金剛石結(jié)構(gòu)相比，又具有一些鍵角與鍵長的畸變，鍵角偏移分布在109025士10 0(即最大偏移不超過200)范圍，鍵長的變化在1%以內(nèi)，基本結(jié)構(gòu)單元如圖所示。因此在網(wǎng)絡(luò)形式上，非晶硅保持著與晶體硅類似的完整性。長程有序性由于鍵的無規(guī)則排列而消失，短程有序范圍一般為 I nm-2 nm。,微晶模型

4、: 認(rèn)為非晶硅半導(dǎo)體中的大多數(shù)原子同其最近鄰原子的相對位置與晶體完全相同。這些原子組成了一些非常微小(l nm多)的晶粒，而這些晶粒又被稱為結(jié)締組織的無序區(qū)域連續(xù)起來，如圖所示。長程有序性的消失主要是因為這些微晶粒的取向是散亂、無規(guī)則的。當(dāng)微晶粒的大小小于幾個晶格常數(shù)時，實質(zhì)上也就是無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)了。,大量的實驗證實，實際的非晶硅半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)既不像理想的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型，也不像理想的微晶模型，而是含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷，如懸掛鍵、斷鍵、空洞等，這些懸掛鍵、斷鍵等缺陷態(tài)有很強的補償作用，并造成費米能級的釘扎，使a-si材料沒有雜質(zhì)敏感效應(yīng)。,(2) 非晶硅材料的能帶結(jié)構(gòu),非晶硅材料結(jié)構(gòu)上的長程無序

5、產(chǎn)生了能帶尾，帶尾的寬度依賴于結(jié)構(gòu)無序的程度。此外，非晶硅半導(dǎo)體中存在的大量缺陷態(tài)在能隙中構(gòu)成了連續(xù)分布的缺陷態(tài)能級。典型的非晶硅能帶結(jié)構(gòu)是Mott-Davis能帶模型如圖1一6所示。,圖中Ec、Ev為遷移率邊;EEc，EEv為擴展態(tài);EAEEc為導(dǎo)帶尾;EvEEB為價帶尾,由圖1-6看出，其能帶結(jié)構(gòu)除了存在類似于晶體硅半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶的擴展態(tài)外，還存在著帶尾定域態(tài)和帶隙中缺陷定域態(tài)。帶尾定域態(tài)能量較窄，并未深入到能隙中央，但是由于非晶態(tài)半導(dǎo)體中存在大量缺陷，這些缺陷在能隙深處造成缺陷定域帶。若是缺陷引入的是沒有被電子完全占據(jù)的補償能級(來自無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中的缺陷、懸掛鍵、空位等)，這時費米能級E

6、F位于定域帶中間位置(如圖1-6a)，若是缺陷引入的是不具備補償?shù)哪芗?，缺陷將分裂成施主帶和受主?如圖1-6b)，這時費米能級EF位于兩個缺陷帶中央。這些定域態(tài)起著陷阱和復(fù)合中心作用，它們對非晶硅半導(dǎo)體的電學(xué)性能具有決定性影響。,由于非晶硅的原子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的特點，與晶體硅相比，非晶硅薄膜具有以下基本特征：,1 長程無序，短程有序，具有連續(xù)的無規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。物理性質(zhì)具有各向異性。 2 具有導(dǎo)帶尾和價帶尾，其缺陷在能帶中引入的缺陷能級也比晶體硅中顯著，電子和空穴的遷移率比較小。 3晶體硅為間接帶隙，非晶硅為準(zhǔn)直接帶隙結(jié)構(gòu)，光的吸收系數(shù)大。 4 非晶硅比晶體硅具有更高的晶格勢能，因此在熱力學(xué)

7、上處于亞穩(wěn)狀態(tài)，在適合的熱處理條件下，非晶硅可以轉(zhuǎn)化為多晶硅、微晶硅和納米硅。,9.2 非晶硅薄膜的制備,一般采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)，原理書上圖9.8,主要反應(yīng)式: SiH4 = Si + H2,9.3 非晶硅薄膜的摻雜,2PH3 = 2P + 3H2 B2H2 = 2B + 3H2,磷、硼的摻雜：,9.4 非晶硅薄膜中的氫-氫的鈍化作用,采用PECVD制備非晶硅薄膜中含有大量的缺陷，主要是硅的懸掛鍵。硅的懸掛鍵具有電學(xué)活性，會在非晶硅材料的能隙中引入高密度的深能級，影響材料的電學(xué)性能；同時這些懸掛鍵又非常不穩(wěn)定，其密度和結(jié)構(gòu)都會在后續(xù)的處理中發(fā)生改變，使得非晶硅的電學(xué)性能不易控制。

8、因此，氫鈍化就非常重要。,通常采用PECVD制備的非晶硅薄膜中都含有10%15%的氫；一方面它使硅懸掛鍵得到補償；另一方面，這樣高的氫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了硅懸掛鍵密度，多余的氫在非晶硅材料中具有不同的形態(tài)，占據(jù)激活能更低的多種位置，形成SiH2等基團及氫至微空洞等缺陷，所以氫對非晶硅的沉積、電子和原子結(jié)構(gòu)等都有重要的影響。,9.5 非晶硅薄膜中的光致衰退效應(yīng),非晶硅薄膜在強光下照射數(shù)小時，光電導(dǎo)逐漸下降，光照后暗電導(dǎo)可下降幾個數(shù)量級并保持相對穩(wěn)定，光照的樣品在160一200下退火，電導(dǎo)可恢復(fù)原值，這就是非晶硅光致衰退效應(yīng)(S一W效應(yīng))。光致衰退會減少非晶硅太陽能電池載流子收集效率，使電池的性能下降，

9、穩(wěn)定后效率衰減通常在20%以上。因此對太陽能電池產(chǎn)品的使用來說，解決加速光衰、標(biāo)定產(chǎn)品穩(wěn)定性能的問題是很重要的。,對于光衰機制，比較一致的看法是，光致衰退與非晶硅材料中氫運動有關(guān)。 比較重要的模型有: l) 光生載流子無輻射復(fù)合引起弱的si-si鍵的斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵，附近的氫通過擴散補償其中的一個懸掛鍵，同時增加一個亞穩(wěn)態(tài)的懸掛鍵; 2)布朗茲提出的新模型認(rèn)為，光生電子相互碰撞產(chǎn)生兩個可動的氫原子，氫原子的擴散形成兩個不可動的si一H鍵復(fù)合體，亞穩(wěn)態(tài)懸掛鍵出現(xiàn)在氫被激發(fā)的位置處，此模型可定量地說明光生缺陷的產(chǎn)生機理，并可解釋一些主要的實驗現(xiàn)象。,理想的非晶硅材料應(yīng)該既沒有微空洞等缺陷，也沒SiH2等復(fù)合體。材料密度應(yīng)該盡量地接近理想的晶體硅的密度，硅的懸掛鍵得到適量氫的完全補償，使得態(tài)密度低，結(jié)構(gòu)保持最高的穩(wěn)定性。尋找理想廉價的工藝技術(shù)來實現(xiàn)