《非晶硅结构及性质》PPT课件

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1、非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜材料的结构特点晶体硅通常呈正四面体排列，每一个硅原子位于正四面体的顶点，并与另外四个硅原子以共价键紧密结合。这种结构可以延展得非常庞大，从而形成稳定的晶格结构----长程有序性非晶硅薄膜材料的结构特点非晶硅中原子的分布不完全是遵从着正四面体的规律，即非晶硅中原子的分布基本上是正四面体的形式，但是却发生了变形，即产生出了许多缺陷—出现大量的悬挂键和空洞等，如图所示。非晶硅的密度约低于单晶硅—短程有序。非晶硅薄膜材料的结构特点非晶硅中的悬空键可以被氢所填充，经氢化之后，非晶硅的悬空键密度会显著减小。研究表明，H在a-Si:H中是以SiH键、(

2、SiHHSi)n、分子氢(H2)等多种键合方式存在，只有SiH才能饱和Si悬挂键，减少禁带中的悬空键密度。非晶硅薄膜材料的能带价电子能态也可分为导带、价带和禁带，但导带与价带都带有伸向禁带的带尾态。带尾态与键长和键角的随机变化有关，导带底和价带顶被模糊的迁移边取代，扩展态与局域态在迁移边是连续变化的，高密度的悬挂键在隙带中引进高密度的局域态。非晶硅薄膜材料的能带通常隙态密度高于1016/cm3，过剩载流子通过隙态进行复合，所以通常非晶材料的光电导很低，掺杂对费米能级位置的调节作用也很小，这种a-Si材料没有应用价值。氢化非晶硅(a-Si:H)材料中大部分的悬挂键被氢原

3、子补偿，形成Si-H键，可以使隙态密度降至1016／cm3以下，这样的材料才表现出良好的电学性能。非晶硅薄膜材料的能带在a-Si:H中氢的键入引起的能带结构变化主要使带隙态密度降低和使价带顶下移，从而使其带隙加宽，因为Si-H键的键合能要大于Si-Si键。这些Si-Hx（x=1,2）键在价带中形成了一些特征结构，已为紫外光电子发射谱观测所证实。而同时导带底的上移要小得多。实验上发现，a-Si:H薄膜的光学带隙Eg(eV)与其氢含量CH之间存在近似线性比例关系：非晶硅薄膜材料的优点（1）生产耗能少。非晶硅电池的制作需要200℃左右，耗能少，而制作晶体硅太阳能电池一般需要

4、1000℃以上的高温。（2）价格低。非晶硅具有较高的光吸收系数，特别是在0.3-0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比晶体硅要高出一个数量级。（3）使用灵活。可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。（4）适合工业化生产。非晶硅薄膜太阳能电池制作工艺简单，可连续、大面积、自动化大批量生产。非晶硅薄膜材料的优点（5）方便建筑一体化。由于薄膜技术固有的灵活性，能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，将电池集成到建筑材料。（6）基片种类不限，可以广泛地使用玻璃、铝、银、不锈钢、塑料、多晶硅等膨胀系数差异较大的材料，并且便于形成大面积薄膜。（7）受温度影

5、响小。晶体硅太阳能电池在高温环境下，其性能会发生变化，而非晶硅薄膜太阳能电池由于温度系数相对较小，不容易受到温度的影响。（8）作为弱光电池，非晶硅薄膜太阳能电池还可以应用于计算器、手表等在荧光下工作的微耗电子产品。非晶硅薄膜材料的光学特性(光吸收)紫外-可见吸收光谱是物质中分子吸收200-800nm光谱区内的光而产生的。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级跃迁(原子或分子中的电子，总是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。这些电子由于各种原因(如受光、热、电的激发)而从一个能级转到另一个能级，称为跃迁。)当这些电子吸收

6、了外来辐射的能量就从一个能量较低的能级跃迁到一个能量较高的能级。因此，每一跃迁都对应着吸收一定的能量辐射。具有不同分子结构的各种物质，有对电磁辐射显示选择吸收的特性。吸光光度法就是基于这种物质对电磁辐射的选择性吸收的特性而建立起来的，它属于分子吸收光谱。紫外-可见分光光度计可用于物质的定量分析、结构分析非晶硅薄膜材料的光学特性(光吸收)非晶硅薄膜材料的光学特性(光吸收)本征吸收区（1区）：由电子吸收能量大于光学带隙的光子从价带内部向导带内部跃迁而产生的吸收。在此区域，a-Si:H的吸收系数较大，通常在104cm-1以上，随光子能量的变化具有幂指数特征。在可见光谱范围内

7、，a-Si:H的吸收系数要比晶体硅大得多（高1-2个数量级），而太阳能电池主要是将可见光部分的光能(1.6eV-3.6eV)转化成电能，这也是非晶硅太阳能电池可取代晶体硅太阳能电池的重要原因之一。a-Si:H的吸收系数a随光子能量hv的变化关系在吸收边附近遵循Tauc规律非晶硅薄膜材料的光学特性(光吸收)带尾吸收区（2区）：这个区域的吸收对应电子从价带边扩展态到导带尾态的跃迁，或者电子从价带尾态到导带边扩展态的跃迁。在此区域，cm-1,与呈指数关系，所以也称指数吸收区。非晶硅薄膜材料的光学特性(光吸收)次带吸收区（3区）：通常位于近红外区的低能吸收，