CN101550544A - 一种改善高速沉积微晶硅材料中非晶孵化层的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善高速沉积微晶硅材料中非晶孵化层的方法，公开了一种改善高速沉积本征微晶硅薄膜中起始非晶孵化层的方法：将衬底放在真空室内，采用等离子体增强化学气相沉积或者热丝化学气相沉积技术在衬底上沉积高速率本征微晶硅薄膜；采用改变沉积过程中加热温度的办法来改变反应前驱物在衬底表面的迁移能力，进而来改变高速率材料初期的非晶孵化层。本发明有益效果是：通过改变沉积高速率微晶硅材料时的加热温度，而达到对反应前驱物在衬底表面迁移时间的控制，进而达到改善材料非晶硅孵化层厚度的效果。

Description

一种改善高速沉积微晶硅材料中非晶孵化层的方法

【技术领域】

本发明涉及太阳电池领域，尤其是一种涉及到改善微晶硅薄膜太阳电池中的非晶孵化层的方法。

【背景技术】

为解决现有非晶硅薄膜光伏电池存在的转换效率低和由光致衰退(S-W)效应引起的效率衰退等问题，近年来人们开展了微晶硅薄膜光伏电池的研究工作，这是因为微晶硅薄膜材料相对于非晶硅材料有很高的有序性，是解决硅基薄膜光伏电池稳定性的有效途径。薄膜微晶硅电池既具有晶体硅电池高效、高稳定的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料的优点，而且微晶硅电池可拓展光谱响应范围，其提高效率的潜力很大，成为国内外发展的重点，由非晶硅/微晶硅组成的叠层电池被国际公认为硅薄膜太阳电池的下一代技术。

通常认为微晶硅薄膜是由非晶相、晶粒、晶粒间界和空洞组成的一种混和相材料，具有掺杂效率高、电导率高、载流子迁移率大等特点，但是本征微晶硅材料是间接带隙材料，在光谱的近红外区，它的吸收系数低，需要大约1-3μm的厚度来增加光吸收来提高电池的效率，因此需要较高的沉积速率。提高微晶硅的沉积速率成为近年来微晶硅薄膜太阳电池中的一个研究热点。然而高速率微晶硅材料很难获得高质量，最主要的原因是其存在着很厚的非晶孵化层，所谓的非晶孵化层是在生长微晶硅材料时，在开始的100nm甚至200nm制备的材料，喇曼测试显示是非晶硅材料，而后期却又是晶化率比较高的微晶硅材料。针对此问题，有文章报道采用高氢稀释和低功率来沉积低速率界面层来改善其非晶孵化层的厚度[日本AIST的Kondo小组的文章，A.H.M.Smets，T.Matsui，and M.Kondo，High-rate deposition of microcrystalline silicon p-i-n solarcells in the high pressure depletion regime，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，104，034508，2008]，而且也取得了一定的成果，但是此方法是在形成等离子体空间基团控制的角度来考虑问题，实际上是通过降低硅烷浓度和功率来降低反应薄膜沉积对应的前驱物的数量，从而降低高速率薄膜沉积初始非晶孵化层的厚度。

【发明内容】

本发明目的旨在提供一种改善高速沉积微晶硅材料质量的方法，该方法可以有效率地改善高速率沉积微晶硅材料存在的非晶孵化层，而不需要降低薄膜沉积初期反应前驱物的数量。

本发明的改善高速沉积微晶硅材料中非晶孵化层的方法，包括以下步骤：

1)将衬底放在真空室内，真空控制在高于10^-5Torr；

2)在衬底上沉积高速率本征微晶硅薄膜；

采用等离子增强化学气相沉积即PECVD方法沉积本征高速率微晶硅薄膜，所用反应气为：硅烷、氢气，一些制备的反应沉积参数如下：

反应气体压强0.1Torr以上；

辉光功率密度：0.01～5瓦/平方厘米；

氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH₄]/([SiH₄]+[H₂]))＝2-15％；

辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；

3)在上述条件下，通过改变加热温度来实现对反应前驱物在衬底表面迁移时间的控制，来改善高速率沉积微晶硅材料的非晶孵化层，加热温度的控制涉及的范围为100-500℃。

所述的改善高速沉积微晶硅材料中非晶孵化层的方法，也可以使用热丝化学气相沉积方法代替等离子增强化学气相沉积方法。

本发明提出：从实现高速率微晶硅材料沉积的源头出发，来提出改善微晶硅薄膜非晶孵化层的方法，这主要体现在：要想获得高的沉积速率，就需要采用高功率、高气压和一定的硅烷浓度的组合来增加反应前驱物的浓度，而我们认为在此情况下，存在很厚的非晶孵化层的原因就是在一定的加热温度情况下，大量的反应前驱物很难有足够的迁移时间，这样，由于没有很好的迁移时间导致他们不能很好地迁移到合适的位置，从而不能形成有序的薄膜，表观上体现出非晶硅的结构特征。

本发明有益效果是：通过改变沉积高速率微晶硅材料时的加热温度，而达到对反应前驱物在衬底表面迁移时间的控制，进而达到改善材料非晶硅孵化层厚度的效果。

【附图说明】

图1是实施例1的激光喇曼测试结果

图2是实施例2的激光喇曼测试结果

【具体实施方式】

下面对本发明所述的技术方案进行详细的说明。

在本发明中，是针对高速率沉积微晶硅材料存在的非晶孵化层而提出的。制备高速率微晶硅薄膜的沉积方法涉及等离子体增强化学气相沉积和热丝化学气相沉积。

本发明改善高速率微晶硅薄膜沉积中的非晶硅孵化层的制备方法，包括以下步骤：

1、将衬底放在真空室内；

在本发明的实施例中，该衬底选用玻璃衬底，真空控制在高于10^-5Torr。

2、在衬底上沉积高速率本征微晶硅薄膜；

在本发明的实施例中，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积本征微晶硅薄膜，然并不限于此，也可以使用如热丝技术等其它的沉积方法。

采用PECVD方法沉积本征高速率微晶硅薄膜，所用反应气为：硅烷、氢气气体，一些制备的反应沉积参数如下：

反应气体压强0.1Torr以上；

辉光功率密度：0.01～5瓦/平方厘米；

氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH₄]/([SiH₄]+[H₂]))＝2-15％；

辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；

3、为改善高速率沉积微晶硅材料的非晶孵化层，在上述条件下，我们通过改变加热温度来实现对反应前驱物在衬底表面迁移时间的控制，来实现对非晶孵化层的控制，加热温度的控制涉及的范围为100-500℃。

实施例1：

采用PECVD技术，反应气中氢气稀释硅烷浓度SC＝3％，反应腔室中的反应气压保持在2.75Torr，加热温度保持在245℃，设定辉光功率密度为0.49瓦/平方厘米，辉光激励频率为60MHz。沉积13分钟，所制得的微晶硅薄膜厚度约为500nm，采用632.8nm波长激光喇曼测试结果如图1，从玻璃背面测试，可看出薄膜基本上是非晶，晶化率小于5％。

实施例2：

采用PECVD技术，反应气中氢气稀释硅烷浓度SC＝3％，反应腔室中的反应气压保持在2.75Torr，加热温度开始设置为270℃，辉光前加热温度降低到245℃，设定辉光功率密度为0.49瓦/平方厘米，辉光激励频率为60MHz。沉积13分钟，所制得的微晶硅薄膜厚度约为500nm，采用632.8nm波长激光喇曼测试结果如图2，从玻璃背面测试，可看出薄膜已经微晶化，晶化率已经大于30％。

本发明的制备方法，是针对高速率微晶硅薄膜沉积过程中，由于需要的大量反应前驱物在衬底表面没有很好的迁移时间而导致其非晶孵化层过厚，而提出通过改变加热温度(衬底温度)来有效降低非晶孵化层的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种改善高速沉积微晶硅材料中非晶孵化层的方法，包括以下步骤：

1)将衬底放在真空室内，真空控制在高于10^-5Torr；

2)在衬底上沉积高速率本征微晶硅薄膜；

采用等离子增强化学气相沉积即PECVD方法，沉积本征高速率微晶硅薄膜，所用反应气为：硅烷、氢气气体，制备的反应沉积参数如下：

反应气体压强0.1Torr以上；

辉光功率密度：0.01～5瓦/平方厘米；

氢气稀释硅烷浓度SC＝([SiH₄]/([SiH₄]+[H₂]))＝2-15％；

辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；

或热丝化学气相沉积方法沉积微晶硅薄膜；

3)在上述条件下，通过改变加热温度来实现对反应前驱物在衬底表面迁移时间的控制，来改善高速率沉积微晶硅材料的非晶孵化层，加热温度的控制涉及的范围为100-500℃。

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