CN103572256B - 一种制备p型掺杂非晶硅碳薄膜的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，包括真空腔室(1)，真空腔室(1)内底部设有衬底板(5)、衬底加热器(13)与衬底挡板(14)并连接有真空泵通道(15)；真空腔室(1)内顶部设有与直流电源(4)连接的钽丝(2)以及混合反应气体进气通道(10)；真空腔室(1)的侧壁两侧分别设有铝磁控溅射装置(7)与碳磁控溅射装置(9)以及第一氩气通道(11)与第二氩气通道(12)；钽丝(2)发热后发射电子电离出氩离子，氩离子轰击铝靶(6)与碳靶(8)溅射出铝原子与碳原子，然后进行化学气相沉积完成P型掺杂的非晶硅碳薄膜的制备；将化学气相沉积技术与磁控溅射技术相结合，掺杂效率高且掺杂均匀，能有效提高电导率。

Description

一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能技术领域，具体是一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置。
背景技术
在硅基薄膜太阳能电池器件中，通常采用P-I-N型的结构模式，其中P型掺杂的非晶硅窗口层材料的质量对整个硅基薄膜太阳电池的性能具有重要影响，在硅基薄膜太阳电池中，为减小串联电阻和减少入射光的损失，要求P层窗口材料具有高的电导率和宽的光学带隙等，改善P层薄膜材料的光学和电学特性是提高薄膜太阳电池性能的有效途径；通常制备P型非晶硅碳薄膜的方法是采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）或热丝化学气相沉积技术（HWCVD），以硼烷或三甲基硼烷为掺杂源，在化学气相反应中进行引入硼原子实现P型掺杂的目的；但这一技术中，相比于引入磷烷进行掺杂的N型掺杂效率来说，P型掺杂效率不高，其掺杂薄膜的电导率比相同N型掺杂引入量的电导率要小一个量级，从而影响了P层薄膜的电学特性，尤其是电导率，从而对整个薄膜电池效率的提升设置了一道障碍；所以，为最大限度地提升非晶硅碳薄膜太阳能电池的光电转换效率，需要一种电导率更高的P型非晶硅碳薄膜，进而以其作为非晶硅碳薄膜的窗口层材料，提升电池的光电转换水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，该装置及其制备方法能够显著提高P型非晶硅碳薄膜的掺杂效率，提高薄膜的电导率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，包括真空腔室，真空腔室内底部设有衬底板、衬底加热器与衬底挡板，真空腔室底部连接有真空泵通道，所述真空腔室内顶部设有与直流电源连接的钽丝以及混合反应气体进气通道；真空腔室的侧壁两侧分别设有铝磁控溅射装置与碳磁控溅射装置；所述真空腔室的侧壁两侧分别设有第一氩气通道与第二氩气通道，第一氩气通道位于铝磁控溅射装置中铝靶的下方，第二氩气通道位于碳磁控溅射装置中碳靶的下方。
进一步地，所述铝靶的表面法线与与衬底板平面的夹角α为75~85°，碳靶的表面法线与与衬底板平面的夹角β为65~80°；所述钽丝与衬底板的竖直距离为10~15cm；所述钽丝直径为0.5~0.8mm；所述铝靶中心与衬底板的竖直距离为5~8cm；所述碳靶中心与衬底板的竖直距离为5~8cm。
进一步地，真空腔室内设有钽丝支架，钽丝安装在钽丝支架上。
根据上述装置制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的方法，将AZO导电玻璃放入真空腔室的衬底板上，通过真空泵通道将真空腔室抽成真空，向真空腔室同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气与硅烷的流量比为（1~1.5）∶1，通过衬底加热器控制衬底板的温度为200℃，对钽丝通过电加热至1700~1750℃；之后向真空腔室通入氩气，氩气与硅烷的流量比为1.5：1，通过控制反应气体的流量使真空腔室内反应气体的气压为5~10Pa；然后开启铝磁控溅射装置与碳磁控溅射装置，并调节溅射功率，使施加于铝靶的溅射功率密度为0.6W/cm2，施加于碳靶的溅射功率密度为1W/cm2，打开衬底挡板，制备P型掺杂的非晶硅碳薄膜。
本发明的有益效果是，钽丝发热后向四周发射电子，与工作区间的氩气分子不断碰撞，电离出氩离子；氩离子轰击铝靶与碳靶溅射出铝原子与碳原子，然后再与工作区间内的氢气与硅烷共同进行化学气相沉积，完成P型掺杂的非晶硅碳薄膜的制备；将化学气相沉积技术与磁控溅射技术相结合，掺杂效率高且掺杂均匀，能有效提高电导率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图；
1.真空腔室；2.钽丝；3.钽丝支架；4.直流电源；5.衬底板；6.铝靶；7.铝磁控溅射装置；8.碳靶；9.碳磁控溅射装置；10.混合反应气体进气通道；11.第一氩气通道；12.第二氩气通道；13.衬底加热器；14.衬底挡板；15.真空泵通道。
具体实施方式
本发明提供一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，如图1所示，包括真空腔室1，真空腔室1内底部设有衬底板5、衬底加热器13与衬底挡板14，真空腔室1底部连接有真空泵通道15，所述真空腔室1内顶部设有与直流电源4连接的钽丝2以及混合反应气体进气通道10；真空腔室1内设有钽丝支架3，钽丝2安装在钽丝支架3上；真空腔室3的侧壁两侧分别设有铝磁控溅射装置7与碳磁控溅射装置9；所述真空腔室1的侧壁两侧分别设有第一氩气通道11与第二氩气通道12，第一氩气通道11位于铝磁控溅射装置7中铝靶6的下方，第二氩气通道12位于碳磁控溅射装置9中碳靶8的下方；所述铝靶6的表面法线与与衬底板5平面的夹角α为75~85°，碳靶8的表面法线与与衬底板5平面的夹角β为65~80°；所述钽丝2与衬底5的竖直距离为10~15cm；所述钽丝2的直径为0.5~0.8mm；所述铝靶6中心与衬底板5的竖直距离为5~8cm；所述碳靶8中心与衬底板的竖直距离为5~8cm。
根据上述装置提供一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的方法，
实施例一
(1)采用图1所示装置，钽丝2的直径使用0.6mm，使钽丝2与衬底板5之间的距离为12cm，铝靶6的表面法线与衬底板5平面之间的夹角为α＝80°，碳靶8的表面法线与衬底板5平面之间的夹角β=70°，铝靶6中心与衬底板5的竖直距离为6cm；所述碳靶8中心与衬底板的竖直距离为6cm；磁控溅射装置的溅射靶材为纯度为99.9999％铝靶6和99.999%的碳靶8；
(2)将AZO导电玻璃放入真空腔室1的衬底板5，通过真空泵通道15将真空腔室1抽真空，使真空腔室1的真空度为1×10-4Pa，并通过衬底加热器13控制衬底板5的温度为200℃；
（3）通过混合反应气体进气通道10向真空腔室1中通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气与硅烷的流量比为1：1；通过直流电源4对钽丝2施加电压加热，通过钽丝2的电流为12A，使钽丝2温度达到1750℃；然后由第一氩气通道11与第二氩气通道12通入氩气，氩气与硅烷的流量比为1.5：1，通过气体的流量控制使真空腔室1内反应气体的气压为8Pa；然后开启铝磁控溅射装置7与碳磁控溅射装置9，并调节溅射功率，使得施加于铝靶6的溅射功率密度为0.6W/cm2，施加于碳靶8的溅射功率密度为1W/cm2；
(4)在上述沉积条件稳定的条件下，打开衬底挡板14，制备P型掺杂的非晶硅碳薄膜，沉积时间为50分钟，所得的P型非晶硅碳薄膜的厚度约为600nm。
采用常规的CVD工艺，按本实施例以上的钽丝与气氛工艺条件，制备得到的P型非晶硅碳薄膜的电导率为7.8×10-3S/cm，测试方法为霍尔效应测试，能带宽度为1.76eV，测试方法为测试透射吸收谱，通过Tauc拟合法得到。
本实施例制备得到的P型非晶硅碳薄膜的电导率为5.3×10-2S/cm，测试方法为霍尔效应测试，能带宽度为1.81eV，测试方法为测试透射吸收谱，通过Tauc拟合法得到，可见本发明可以有效地对P型非晶硅碳薄膜的掺杂效率加以提升，更好地应用于硅基薄膜太阳能电池。
实施例二
(1)采用图1所示装置，钽丝2的直径使用0.8mm，使钽丝2与衬底板5之间的距离为15cm，铝靶6的表面法线与衬底板5平面之间的夹角为α＝85°，碳靶8的表面法线与衬底板5平面之间的夹角β=80°，铝靶6中心与衬底板5的竖直距离为8cm；所述碳靶8中心与衬底板的竖直距离为5cm；磁控溅射装置的溅射靶材为纯度为99.9999％铝靶6和99.999%的碳靶8；
(2)将AZO导电玻璃放入真空腔室1的衬底板5，通过真空泵通道15将真空腔室1抽真空，使真空腔室1的真空度为1×10-4Pa，并通过衬底加热器13控制衬底板5的温度为200℃；
（3）通过混合反应气体进气通道10向真空腔室1中通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气与硅烷的流量比为1：1；通过直流电源4对钽丝2施加电压加热，通过钽丝2的电流为11A，使钽丝2温度达到1720℃；然后由第一氩气通道11与第二氩气通道12通入氩气，氩气与硅烷的流量比为1.5：1，通过气体的流量控制使真空腔室1内反应气体的气压为8Pa；然后开启铝磁控溅射装置7与碳磁控溅射装置9，并调节溅射功率，使得施加于铝靶6的溅射功率密度为0.6W/cm2，施加于碳靶8的溅射功率密度为1W/cm2；
(4)在上述沉积条件稳定的条件下，打开衬底挡板14，制备P型掺杂的非晶硅碳薄膜，沉积时间为50分钟，所得的P型非晶硅碳薄膜的厚度约为600nm。
本实施例制备得到的P型非晶硅碳薄膜的电导率为5.1×10-2S/cm，测试方法为霍尔效应测试，能带宽度为1.79eV，测试方法为测试透射吸收谱，通过Tauc拟合法得到，可见本发明可以有效地对P型非晶硅碳薄膜的掺杂效率加以提升，更好地应用于硅基薄膜太阳能电池。
实施例三
(1)采用图1所示装置，钽丝2的直径使用0.5mm，使钽丝2与衬底板5之间的距离为10cm，铝靶6的表面法线与衬底板5平面之间的夹角为α＝75°，碳靶8的表面法线与衬底板5平面之间的夹角β=65°，铝靶6中心与衬底板5的竖直距离为5cm；所述碳靶8中心与衬底板的竖直距离为5cm；磁控溅射装置的溅射靶材为纯度为99.9999％铝靶6和99.999%的碳靶8；
(2)将AZO导电玻璃放入真空腔室1的衬底板5，通过真空泵通道15将真空腔室1抽真空，使真空腔室1的真空度为1×10-4Pa，并通过衬底加热器13控制衬底板5的温度为200℃；
（3）通过混合反应气体进气通道10向真空腔室1中通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气与硅烷的流量比为1：1；通过直流电源4对钽丝2施加电压加热，通过钽丝2的电流为10A，使钽丝2温度达到1700℃；然后由第一氩气通道11与第二氩气通道12通入氩气，氩气与硅烷的流量比为1.5：1，通过气体的流量控制使真空腔室1内反应气体的气压为8Pa；然后开启铝磁控溅射装置7与碳磁控溅射装置9，并调节溅射功率，使得施加于铝靶6的溅射功率密度为0.6W/cm2，施加于碳靶8的溅射功率密度为1W/cm2；
(4)在上述沉积条件稳定的条件下，打开衬底挡板14，制备P型掺杂的非晶硅碳薄膜，沉积时间为50分钟，所得的P型非晶硅碳薄膜的厚度约为600nm。
本实施例制备得到的P型非晶硅碳薄膜的电导率为5.7×10-2S/cm，测试方法为霍尔效应测试，能带宽度为1.83eV，测试方法为测试透射吸收谱，通过Tauc拟合法得到，可见本发明可以有效地对P型非晶硅碳薄膜的掺杂效率加以提升，更好地应用于硅基薄膜太阳能电池。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，包括真空腔室(1)，真空腔室(1)内底部设有衬底板(5)、衬底加热器(13)与衬底挡板(14)，真空腔室(1)底部连接有真空泵通道(15)，其特征在于，所述真空腔室(1)内顶部设有与直流电源(4)连接的钽丝(2)以及混合反应气体进气通道(10)；真空腔室(1)的侧壁两侧分别设有铝磁控溅射装置(7)与碳磁控溅射装置(9)；所述真空腔室(1)的侧壁两侧还分别设有第一氩气通道(11)与第二氩气通道(12)，第一氩气通道(11)位于铝磁控溅射装置(7)中铝靶(6)的下方，第二氩气通道(12)位于碳磁控溅射装置(9)中碳靶(8)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，其特征在于，所述铝靶(6)的表面法线与衬底板(5)平面的夹角α为75~85°，碳靶(8)的表面法线与衬底板(5)平面的夹角β为65~80°；所述钽丝(2)与衬底板(5)的竖直距离为10~15cm；所述钽丝(2)直径为0.5~0.8mm；所述铝靶(6)中心与衬底板(5)的竖直距离为5~8cm；所述碳靶(8)中心与衬底板(5)的竖直距离为5~8cm。
3.根据权利要求1所述的一种制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的装置，其特征在于，真空腔室(1)内设有钽丝支架(3)，钽丝(2)安装在钽丝支架(3)上。
4.根据权利要求1-3任一所述装置制备P型掺杂非晶硅碳薄膜的方法，其特征在于，将AZO导电玻璃放入真空腔室(1)的衬底板(5)上，通过真空泵通道(15)将真空腔室(1)抽成真空，向真空腔室(1)同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气与硅烷的流量比为（1~1.5）∶1，通过衬底加热器(13)控制衬底板(5)的温度为200℃，对钽丝(2)通过电加热至1700~1750℃；之后向真空腔室(1)通入氩气，氩气与硅烷的流量比为1.5：1，通过控制反应气体的流量使真空腔室(1)内反应气体的气压为5~10Pa；然后开启铝磁控溅射装置(7)与碳磁控溅射装置(9)，并调节溅射功率，使施加于铝靶(6)的溅射功率密度为0.6W/cm2，施加于碳靶(8)的溅射功率密度为1W/cm2，打开衬底挡板(14)，制备P型掺杂的非晶硅碳薄膜。
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