多晶硅薄膜的生长习性及其太阳电池的研制

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1、摘要摘要多晶硅薄膜作为薄膜太阳电池的活性层，其晶体质量是决定电池效率的关键。本文对快热化学气相沉积法制备多晶硅薄膜的生长行为、微观形态及晶体缺陷作了较详尽的研究。并以颗粒硅带为衬底，制各了多晶硅薄膜太阳电池。通过对多晶硅薄膜的生长行为、晶体形态及缺陷分析，为晶体硅薄膜的研究提供工艺和理论参考，也为颗粒硅带薄膜太阳电池的产业化给出一定的理论依据。本文的主要研究内容和结果如下：首先，利用快热化学气相沉积法制各了优质的多晶硅薄膜。在颗粒硅带衬底上沉积的薄膜晶粒尺寸达30～50耻m，沉积速率高达5～6“m／min。研究了不同沉积参数

2、，如沉积温度、掺杂浓度、衬底等对薄膜生长速率的影响。对多批次相同条件下的沉积实验考察发现，薄膜沉积的可重复性较好。考察了沉积温度、衬底种类、掺杂对薄膜择优取向的影响。研究表明，对RTCvD不同的工作温度区间，薄膜的择优取向不同。当沉积温度低于约940℃时，薄膜倾向【220]晶向择优；温度在940～1140℃区间时，薄膜具有【311]或【400】择优倾向：当温度继续升高，薄膜的[111】择优开始明显。高温下，衬底对薄膜择优也有一定影响。【111】，【220】及【311】等晶向强度基本不受B2H6流量的影响，但【400】晶向因子

3、随B2H6流量增大迅速减弱。利用SEM、金相显微镜对多晶硅薄膜的表面形貌进行观察。讨论了沉积温度及衬底对薄膜形貌的影响，并首次建立了多晶硅薄膜晶体形貌与晶体取向之间的对应关系。研究表明，薄膜晶粒尺寸随温度升高迅速增大，由900℃时的不足3肛m到1170℃时超过50Ⅳm。较低温时，薄膜晶粒为锥状体，存在较多高次孪晶，此时晶体为[220】晶向。沉积温度达到儿70℃时，薄膜晶粒呈现三角形，层叠排列近似梯田状，晶体为【111】晶向。【400】晶向的薄膜表面平滑，晶体为四方形图案，部分薄膜表面出现四棱锥。sEM观察到薄膜晶粒内大量的(

4、111)及(100)面堆跺层错。在以颗粒硅带为衬底的多晶硅薄膜内有大量孪晶。采用高分辨TEM、x射线双品衍射、Raman光谱和Hall测试对晶体内部缺陷、薄膜应力及薄膜的电学性能进行测试。高分辨TEM观察发现，以颗粒硅带为衬底的多晶硅薄膜晶粒内有大量的(111)面微孪晶。晶粒内还有部分层错，但较少发现位错。根据HREM像，估算品面的面间距华南理工大学博士学位论文为0．314nm，薄膜内存在较弱的张应力。外延准单晶硅薄膜的x射线双晶摇摆曲线的半高宽为115秒，表明薄膜晶体质量较好。对单晶硅、颗粒硅带两种衬底上的多晶硅薄膜，及区

5、熔后的颗粒硅带衬底作了Raman光谱测试。对应晶体硅的拉曼散射峰都出现在519．57cm。1位置，强度非常高，说明三种样品的晶体质量较好。在Raman测试中，还发现了晶体硅在964cm～附近的2TO模式散射峰及2100cm‘1附近的高频多级散射峰。Hall测试显示，多晶硅薄膜内的电子迁移率普遍在30～50cm2／V-s范围之内，薄膜的电学性能不够理想。采用xRD、SEM、能谱等手段对颗粒硅带进行了晶体结构、微观形貌及杂质含量表征。利用zMR工艺使得硅带表面平整度得到提高，zMR后的硅带多倾向【111]择优。以颗粒硅带为衬底，

6、直接外延制各多晶硅薄膜太阳电池。制备的颗粒硅带薄膜电池在无减反膜情况下的最高转换效率为6．05％(1cm2，无减反膜)。就减反膜工艺对电池性能的影响进行了探讨。对薄膜太阳电池作了I．v及光谱响应测试。结果表明，短路电流过低是影响电池效率的主要因素。对多晶硅薄膜表面的EBIC测试表明，大晶粒内部电学性能良好，小晶粒区载流子复合严重。畸变严重的晶界复合严重，畸变较小的晶界电学性能较好。大晶粒内部的孪晶区显示了良好的电学性能。尝试获得电池活性层晶体取向与电池效率的关系，但是由于电池效率过低，晶体取向的影响暂时未能体现。’利用Pcl

7、D模拟软件，对多晶硅薄膜太阳电池性能进行模拟，分析了电池效率的影响因素。对颗粒硅带电池的性能进行模拟，获得5．615％的转换效率。表明利用颗粒硅带直接制备电池也是可行的。最后指出本文存在的局限性及改进办法，并提出进一步研究方向。关键词：多晶硅薄膜；择优取向；晶体形貌；晶体缺陷；太阳电池IIABSTRACTThegrowthbehaVior，crystalmorphologyanddefectsofpolycfystallinesilicon(p01y-si)thinfilmpreparedbyRTcVD(RapidTherm

8、alChemicalVaporDeposition)，wereelaboratelystudied．Andpoly—sithiⅡfilmsolarcells(psi—TFsc)weredeVelopedwithssPassubstrates．AstheactiVelayer0fpSi—TF