CN101736321A - 一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法 - Google Patents

一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法 Download PDF

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倪牮
曹宇
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Abstract

一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，包括下述步骤：1)将带有T的玻璃衬底G放在真空室内，本底真空高于2×10-4Pa；2)在向反应室通入反应气体硅烷和锗烷、稀释气体氦气和氢气的条件下，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积微晶硅锗薄膜，气体的流量为：硅烷(5-10)sccm、锗烷(0.5-1.0)sccm、氢气(100-200)sccm、氦气与氢气的流量比为1∶1～5。本发明的有益效果是：该法制备的微晶硅锗薄膜具有窄带隙、低缺陷和高光敏性等优点，且制备工艺简单、容易操作、制造成本低；采用该材料的硅基薄膜电池可提高光谱响应范围、稳定性和转化效率。

Description

一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法
【技术领域】
本发明属于新能源中制备薄膜太阳电池吸收层薄膜的方法，特别涉及一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法。
【背景技术】
能源是一个国家能得以发展的动力。在化石能源日益趋于枯竭的时代，新型可替代能源的研究，将是能使国民经济持续发展的保障和显示国力的标志。本发明涉及一种新型材料的硅基薄膜太阳能电池以及该电池新的制备工艺，可以拓展太阳能电池的光谱响应范围同时提高电池的光电转换效率和稳定性，降低成本，属于新能源中薄膜太阳电池的技术领域。
纵观太阳能电池所利用的对象——太阳光的光谱，它在可见光部分能量只有不到50％。要想提高电池的效率，把其光谱响应延伸到1.1微米以下是非常重要的，因为这包括了太阳光90％以上的能量。锗是一种带隙在0.66ev的窄带隙半导体材料，它的独自的成膜方式很困难，但是它与硅构成的薄膜合金材料，却有着大幅度向窄带隙方向调制的作用。而且锗的吸收系数比硅的高一至两个数量级，利用薄膜中锗的含量来提高硅基薄膜太阳能的吸收效率，已经成为太阳能电池效率提高的有效方法之一。
硅锗材料具有比硅材料更好的优势，在硅中加入锗有两个好处。第一是可以增加吸收效率，因为锗的吸收系数比硅要高1-2个数量级。第二是可以扩展吸收光谱的范围。因为锗材料带隙低，在硅材料中加入锗可以自由调节材料的带隙宽度，使之能够达到太阳电池所需要的光谱响应范围。我们知道，非晶硅的带隙在1.8eV左右，可吸收波长小于0.7微米的太阳光。根据非晶硅太阳电池国家标准所给的数据可知，小于此波长下的太阳通量仅为全部光谱的50％左右。如果把材料的带隙降到0.9eV左右的话，就可以吸收将近90％的太阳光。微晶硅材料带隙远小于非晶硅，但是，硅材料的理论最低带隙也只有1.1eV，不论怎么调节工艺也不可能把微晶带隙降低到比单晶硅还要低的程度。而硅锗材料的带隙可以做到1.1eV-0.66eV，几乎可以吸收全部的光谱。因此使用硅锗材料可大大提高太阳电池的效率。
在微晶硅锗薄膜的制备中，通常用氢气作为稀释气体。研究表明，H或H+不但容易与悬挂键(空位等)结合，而且能够钝化硅中许多深杂质和热缺陷，使得沉积到膜表面的硅原子更容易成核结晶。但是氢稀释方法很难解决硅锗薄膜生长过程中H原子优先与Si键合的问题，使得材料中存在大量的缺陷态，影响了器件的性能。
【发明内容】
本发明的目的是鉴于上述现有技术分析和存在问题，提供一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，该法制备的微晶硅锗薄膜具有窄带隙、低缺陷和高光敏性等优点且制备工艺简单、容易操作、制造成本低；采用该材料的硅基薄膜电池可提高光谱响应范围、稳定性和转化效率。
本发明的技术方案：
一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，包括下述步骤：1)将带有T的玻璃衬底G放在真空室内，本底真空高于2×10-4Pa；2)在向反应室通入反应气体硅烷和锗烷、稀释气体氦气和氢气的条件下，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积微晶硅锗薄膜。
所述带有T的玻璃衬底G厚度为1.5mm-2.0mm，镀有的透明导电薄膜T为ZnO膜、SnO2膜或SnO2-ZnO复合膜。
所述反应气体硅烷和锗烷的流量为：：硅烷(5-10)sccm、锗烷(0.5-1.0)sccm，稀释气体氢气的流量为：(100-200)sccm、氦气与氢气的流量比为1∶1～5。
所述沉积微晶硅锗薄膜的工艺参数为：辉光激励频率13.56MHz-100MHz；辉光功率密度0.1W/cm2-0.6W/cm2；反应气体压强60Pa-180Pa；衬底表面温度100℃-200℃。
本发明的的工作原理：为了提高等离子体中的原子氢含量，通常是增加氢气的流量，而这种方法使得等离子体内部原子氢增加的同时，引起了电子温度增加刻蚀效应增强，使得薄膜内部缺陷增加，导致光敏性劣化。本发明以氢(H2)和氦(He)的混合气体作为稀释气体，以硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4)作为反应气体，采用等离子增强化学气相沉积法研究微晶硅锗薄膜的生长。氦属于惰性气体，碰撞截面较大，在等离子体中与电子碰撞或被电离或被激发至亚稳态，此时通过激发转移或潘宁电离效应的方式将能量传递给其它粒子，这个过程可以使等离子中产生大量的原子氢。一方面，在硅锗薄膜生长的过程中，原子氢有钝化悬键的作用，大大减小单纯氢稀释生长薄膜所产生的缺陷。另一方面，等离子体中的氦离子具有和氢离子相同的作用，那就是可以促进生长前驱物在薄膜表面的扩散从而使薄膜结构趋于有序。由于氦离子的碰撞截面较氢离子大，这种促进作用会更加明显。本发明采用氦氢气体混合稀释反应气体的方法来淀积微晶硅锗薄膜，等离子体中原子氢数量大大增加，有效钝化薄膜中缺陷的同时，促进了前驱物在薄膜生长表面的迁移，使得薄膜结构趋于有序。大大降低了单纯氢稀释法生长微晶硅锗时因高氢气流量引起的光敏性劣化。本发明通过控制工艺条件制备出具有一定晶化率的、低缺陷高光敏性的本征微晶硅锗有源层。
本发明的有益效果是：该法制备的微晶硅锗薄膜具有窄带隙、低缺陷和高光敏性等优点，且制备工艺简单、容易操作、制造成本低；采用该材料的硅基薄膜电池可提高光谱响应范围、稳定性和转化效率。
【附图说明】
附图为微晶硅锗薄膜太阳电池结构示意图。
图中：1.透明衬底 2.透明导电薄膜 3.P型窗口层 4.本征层5.N+层 6.背反射电极 7.金属电极
【具体实施方式】
实施例1：
一种本征层为微晶硅锗薄膜的硅锗薄膜太阳电池，包括透明衬底1、透明导电薄膜2、P型窗口层3、本征层4、N+层5、背反射电极6和金属电极7，背反射电极6为ZnO，金属电极7为银，本征层4为微晶硅锗薄膜；本征层微晶硅锗薄膜的制备，步骤如下：1)将厚度为1.5mm并镀有ZnO透明导电薄膜的Corning7059玻璃衬底放在真空室内，本底真空高于2×10-4 Pa；2)在向反应室通入反应气体硅烷和锗烷、稀释气体氦和氢的条件下，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积微晶硅锗薄膜，反应气体硅烷和锗烷的流量为：硅烷5sccm、锗烷0.5sccm；稀释气体氦和氢的流量为：氦气50sccm、氢气100sccm；沉积微晶硅锗薄膜的工艺参数为：辉光激励频率70MHz；辉光功率密度0.6W/cm2；反应气体压强120Pa；衬底表面温度200℃。本法制备的微晶硅锗薄膜，经检测显示，在厚度为500nm时，次带吸收≤10，其光敏性可以达到5×103量级以上，晶化率达60％-70％。
实施例2
微晶硅锗薄膜太阳电池，其结构与材料与实施例1基本相同，不同之处是金属电极7为铝。作为本征层的微晶硅锗薄膜的制备方法亦与实施例1基本相同，不同之处是透明导电膜采用SnO2-ZnO复合透明导电薄膜。本法制备的微晶硅锗薄膜太阳电池，经检测显示，当本征层厚度为500nm时，在没有加背反射电极的情况下，所制备的单结pin型微晶硅薄膜太阳电池效率达到5.5％。

Claims (4)

1.一种采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，其特征在于包括下述步骤：1)将带有T的玻璃衬底G放在真空室内，本底真空高于2×10-4Pa；2)在向反应室通入反应气体硅烷和锗烷、稀释气体氦气和氢气的条件下，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积微晶硅锗薄膜。
2.根据权利要求1所述采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，其特征在于：所述带有T的玻璃衬底G厚度为1.5mm-2.0mm，镀有的透明导电薄膜T为ZnO膜、SnO2膜或SnO2-ZnO复合膜。
3.根据权利要求1所述采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，其特征在于：所述反应气体硅烷和锗烷的流量为：：硅烷(5-10)sccm、锗烷(0.5-1.0)sccm，稀释气体氢气的流量为：(100-200)sccm、氦气与氢气的流量比为1∶1～5。
4.根据权利要求1所述采用氦氢气体混合共稀释法制备微晶硅锗薄膜的方法，其特征在于：所述沉积微晶硅锗薄膜的工艺参数为：辉光激励频率13.56MHz-100MHz；辉光功率密度0.1W/cm2-0.6W/cm2；反应气体压强60Pa-180Pa；衬底表面温度100℃-200℃。
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