CN103060768A - 一种非晶硅薄膜的低温快速晶化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶硅薄膜低温快速晶化方法。以单晶硅Si（100晶相）为衬底，利用磁控溅射镀膜仪在单晶硅衬底上溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜和Al膜，利用光热退火炉在N2气氛下150℃~200℃退火，得到多晶硅薄膜。利用Al诱导非晶硅薄膜晶化，可以在较低温度（150℃~200℃）下晶化，得到晶粒尺寸在20~100nm的多晶硅薄膜，降低了成本，退火时间短，降低了晶化过程中的能耗，晶化率达到40%~70%，能很好的与非晶硅微晶硅叠层太阳电池器件的要求相匹配。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶硅薄膜的低温快速晶化方法，是将非晶硅(α-Si)薄膜通过金属铝(Al)诱导低温快速晶化为多晶硅，属于薄膜太阳电池领域。
背景技术
太阳能作为解决人类所面临的能源与环境问题的最佳选择，具有取之不竭、使用方便、无污染等优点，目前已获得广泛应用。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要途径，太阳电池又是光伏发电的核心，因而一直是人们研究的重点。薄膜太阳电池具有轻质、高比功率、耗材少等优点，可与常用的晶硅电池形成互补。在薄膜太阳电池制备中，其核心材料为光吸收材料即光电转换材料沉积在不同的基底上，如玻璃、不锈钢箔或聚合物等。因此，要求光电转换材料具有强的光吸收能力，低温结晶、低温器件制作和稳定的材料特性等。优质光电转换材料的低温制备遂成为薄膜太阳电池的关键所在。
非晶硅(α-Si)薄膜是硅基薄膜太阳电池的光吸收材料，其主要特点是：光吸收系数大、折射率高(3.0~4.0)和热性能良好等，因而用于太阳电池时，所需薄膜的厚度仅为体硅的1%左右。非晶硅薄膜太阳电池还具有弱光性能好和温度系数低等诸多优点，是一种有潜力的薄膜光伏器件。非晶硅薄膜太阳电池制造工艺简单，能耗低，易实现大面积生产，既可采用玻璃等衬底，又可采用不锈钢、钛箔、铝箔和塑料等柔性衬底，因而可做成柔性太阳电池，用于光伏建筑一体化(BIPV)，鉴于此，非晶硅太阳电池近年来得到快速发展。它既能应用在计算器、手表等弱光领域，也能应用在微波中继站、光伏水泵和BIPV等领域。但目前它还存在转换效率低和稳定性较差(光致衰减效应)等缺点，为此，人们又研究了非晶/微晶叠层太阳电池等，其中的微晶硅和多晶硅薄膜材料是其研究重点。微晶硅和多晶硅通常通过非晶硅晶化来获得。在常规高温退火、快速光热退火、金属诱导晶化和激光晶化等方法中，快速光热退火和金属诱导晶化由于所需设备简单，适于大面积制备，近些年来受到人们的重视。在专利文献(申请号：CN200910145177)中,在衬底上生长衬底/a-Si/SiO2/Al叠层置于真空退火炉中，在惰性气氛保护下，分三步；425℃~480℃退火1min~10min；350℃~400℃退火60min~120min；25℃/s温度升至425℃~480℃退火。用铝腐蚀液腐蚀去除表面残留的铝，低温制备多晶硅薄膜。此工艺中需要在氧气环境下对SiO2的制备，分多步退火，工艺复杂，不易控制，另外，此工艺中退火温度高，退火时间长，能耗大，不利于低成本薄膜太阳能电池的制备。在专利文献(申请号：CN201210215016.5)中,金属点阵诱导非晶硅薄膜晶化，其实施例只用单一Ni诱导500℃退火2h。此工艺退火温度高，退火时间长，制备过程中能耗大，影响其经济效益和环境效益。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明提供了一种多晶硅薄膜低温快速晶化的制备方法。以单晶硅Si（100晶相）为衬底，利用磁控溅射镀膜仪在单晶硅衬底上溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜和Al膜，利用光热退火炉在N2气氛下150℃~200℃退火，得到多晶硅薄膜。利用Al诱导非晶硅薄膜晶化，可以在较低温度（150℃~200℃）下晶化，得到晶粒尺寸在20~100nm的多晶硅薄膜，降低了成本；退火时间短，降低了晶化过程中的能耗，晶化率达到40%~70%，能很好的与非晶硅微晶硅叠层太阳电池器件的要求相匹配。
本发明按以下技术方案实施
其包括：A)室温下在单晶硅衬底上溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜；B)再在非晶硅（α-Si）薄膜上溅射一层铝（Al）膜；C)利用光热退火炉在N2气氛下退火。
本发明按以下步骤实施：
A、利用磁控溅射技术在单晶硅Si(100)衬底上室温溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜，
B、再在非晶硅（α-Si）薄膜上溅射一层铝（Al）薄膜，
C、利用光热退火炉在N2气氛下150℃~200℃退火5min~15min，得到多晶硅薄膜成品。
与公知技术相比具有的优点及积极效果：
利用Al诱导非晶硅薄膜晶化，可以在较低温度（150℃~200℃）下晶化，得到晶粒尺寸
在20~100nm的多晶硅薄膜，降低了成本；退火时间短，降低了晶化过程中的能耗，晶化率达到40%~70%，能很好的与非晶硅微晶硅叠层太阳电池器件的要求相匹配。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对单晶硅Si（100）衬底进行超声清洗5min~10min 室温下，采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜仪，以多晶 P 型硅靶(纯度 99.999 %、电导率 0.02Ωcm) 为靶材，溅射气体为纯度99.99%的Ar气；溅射腔室真空抽至为6.0×10-5pa，打开通气阀通入Ar气，Ar气流量为20sccm，调节溅射压强为1.5pa~2.0pa，在衬底上先溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜，溅射功率为100W~120W（电流为0.5A~0.6A，电压为200V），溅射时间为2h~3h，；再以纯度为99.999%的金属铝(Al)靶为靶材，后在非晶硅（α-Si）薄膜表面溅射一层铝（Al）膜，溅射功率为40W，电流为0.6A，电压为100V，溅射时间为50s，溅射压强为1.5pa，将制备的α-Si/Al膜样品放入光热退火炉中，在N2气氛下以150℃~200℃的温度进行快速退火5min~15min。得到晶化率达到49℅～70℅，晶粒尺寸达到23nm~100nm，带隙宽度为1.31ev~1.42ev的多晶硅薄膜成品。
实施例2
依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对单晶硅Si（100）衬底进行超声清洗5min~10min；
室温下，采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜仪，金属铝(Al)靶为靶材，溅射气体使用纯度为
99.99%的Ar气；溅射腔室真空抽至为6.0×10-5pa，Ar气流量为20sccm；在衬底上先溅射
一层铝（Al）膜，溅射功率为30W~60W（电流为0.3A~0.6A电压为100V），溅射时间为
20s~50s；将带铝(Al)膜的衬底加热到150℃~200℃，再以100W~120W,电流为0.5A~0.6A，
电压为200V的溅射功率，采用多晶 P 型硅靶,纯度 99.999 %、电导率 0.02Ωcm为靶材，
在铝(Al)膜上溅射非晶硅（α-Si）薄膜，溅射时间为3h，可直接晶化，晶化率40%~60%，
晶粒尺寸20nm~80nm，带隙宽度为1.37ev~1.50ev。
Claims (3)
1.一种非晶硅薄膜的低温快速晶化方法，其包括：室温下在单晶硅衬底上溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜；再在非晶硅（α-Si）薄膜上溅射一层铝（Al）膜；利用光热退火炉在N2气氛下退火，其特征在于：按以下步骤实施：
A、利用磁控溅射技术在单晶硅Si(100)衬底上室温溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜，
B、再在非晶硅（α-Si）薄膜上溅射一层铝（Al）薄膜，
C、利用光热退火炉在N2气氛下150℃~200℃退火5min~15min，得到多晶硅薄膜成品。
2.根据权利要求1所述的一种非晶硅薄膜的低温快速晶化方法，其特征在于：其中的一种实施方法是：依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对单晶硅Si（100晶相）衬底进行超声清洗8min ，室温下，采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜仪，以纯度 为99.999 %、电导率 0.02Ωcm的多晶 P 型硅靶为靶材，溅射气体为纯度99.99%的Ar气，溅射腔室真空抽至为6.0×10-5pa，打开通气阀通入Ar气，Ar气流量为20sccm，溅射压强为2.0pa，在衬底上先溅射一层非晶硅（α-Si）薄膜，溅射功率为120W，电流为0.6A，电压为200V，溅射时间为3h，再以纯度为99.999%的金属铝为靶材，再在非晶硅（α-Si）薄膜表面溅射一层铝膜，溅射功率为40W，电流为0.6A，电压为100V，溅射时间为50s，溅射压强为1.5pa，将制备的α-Si/Al膜样品放入光热退火炉中，在N2气氛下以150℃的温度进行快速退火15min，得到晶化率达到49℅～70℅，晶粒尺寸达到23nm~100nm，带隙宽度为1.31ev~1.42ev的多晶硅薄膜成品。
3.根据权利要求1所述的一种非晶硅薄膜的低温快速晶化方法，其特征在于：其中的另一种实施方法是：依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对单晶硅Si衬底进行超声清洗7min，室温下，采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜仪，金属铝为靶材，溅射气体使用纯度为99.99%的Ar气，溅射腔室真空抽至为6.0×10-5pa，Ar气流量为20sccm，在衬底上先溅射一层铝膜，溅射功率为50W，溅射时间为30s，将带铝膜的衬底加热到200℃，再以120W,电流为0.5A，电压为200V的溅射功率，采用多晶 P 型硅靶,纯度 99.999 %、电导率 0.02Ωcm为靶材，在铝膜上溅射非晶硅薄膜，溅射时间为3h，得到晶化率40%~60%，晶粒尺寸20nm~80nm，带隙宽度为1.37ev~1.50ev的多晶硅薄膜成品。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130424 |