连续激光辐照实现单晶硅过饱和掺钛的研究

摘要

在能源日益紧缺环境污染日益加剧的形势下，光伏发电以其分布广泛、清洁无污染等优点成为21世纪解决能源危机和环境问题的重要手段。晶体硅太阳电池因具有高的光电转换效率、低污染、性能稳定、技术成熟等优点，是市场的主流产品，在可预见的未来仍然持续占据主导地位。如何进一步提高晶体硅太阳电池的光电转换效率是今后的努力方向。中间带太阳电池作为第三代的新概念太阳电池，通过中间带能吸收原先透过电池的红外光，从而提高光电转换效率。在硅中掺入过渡金属杂质，当掺杂浓度超过Mott极限时，将会在硅的禁带中形成中间能带。
　　本文提出了一种利用连续激光辐照扫描制备过饱和钛掺杂单晶硅的实验方法。模拟了连续激光辐照扫描过程中的热场分布并对过饱和掺钛的晶体硅材料的晶体结构和电子结构进行了研究。本论文主要取得如下五项创新成果。
　　1、建立了线形光斑连续激光辐照扫描热力学物理模型，并利用多物理场模拟软件对连续激光辐照扫描过程进行了模拟。模拟结果表明，增加样品上表面热量的散失和改善样品下表面的保温措施都能提高样品中最高温度对应的深度。而提高这一深度对于钛的过饱和掺杂是十分有利的。
　　2、利用Nd∶ YAG线形光斑连续激光，采用模拟的优化参数，实现了钛在硅中的过饱和掺杂。用二次离子质谱对钛在硅中的分布进行了测量，测量结果表明在距离样品表面365nm的深度范围内，钛在硅中的浓度超过了钛在硅中的固溶度，也超过了Mott极限(5.9×1019 cm-3)，达到了形成中间带的浓度条件。钛在硅中的分布在140 nm深度处分成两部分。在深度小于140 nm位置，钛的分布可以用溶质截留效应来解释。对于深度大于140 nm的位置，钛的分布可以用恒表面浓度模型来拟合。
　　3、X射线衍射测试表明，连续激光辐照扫描的样品表面存在一定的晶格损伤，但是仍然能够保持单晶硅的结构。过饱和掺杂的钛在硅中主要以间隙位置存在。拉曼光谱测试表明，在拉曼测试的探测精度内，未发现形成非晶硅，也没有形成硅钛化合物。
　　4、X射线光电子能谱测试表明，真空环境不能实现钛的过饱和掺杂，常压氩气环境虽然实现了钛的过饱和掺杂，但是钛极易夺取环境中残留的极少量的氧，形成钛氧化物。
　　5、光吸收谱测量和分析表明，过饱和掺钛的样品红外吸收显著增强，表现出子能带吸收效应。电化学电容电压测试分析表明，钛在硅中为受主杂质，其能级位置为Ev+0.36eV。这两种方法对中间能级的分析是基本吻合的。
　　本论文提出的采用连续激光辐照扫描的方法，同样适用于其他过渡金属元素实现在硅中的过饱和掺杂，为制备出中间带晶体硅材料提供了思路。该方法工艺简单、成本低，有利于实现工业化，对推动中间带太阳能电池的研究与开发具有积极意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 能源消耗现状

1．1．2 环境现状

1．1．3 未来能源结构

1．1．4 光伏产业状况

1．2 单晶硅太阳能电池

1．3 中间带材料及中间带电池研究进展

1．3．1 中间带材料

1．3．2 量子点中间带电池

1．3．3 体材料中间带电池

1．3．4 硅基杂质中间带电池

1．4 钛杂质硅基中间带

1．5 本文主要内容及结果

参考文献

第二章 连续激光诱导过饱和掺钛的实验装置及实验过程

2．1 光与半导体的相互作用

2．2 线形光斑连续激光辐照扫描实验设备

2．3 激光诱导过饱和掺钛样品的制备

2．4 本章小结

参考文献

第三章 连续激光诱导过饱和掺钛的热场模拟

3．1 连续激光扫描硅片热场分布的二维热场分布模型

3．1．1 模型基本假设

3．1．2 二维热传导方程

3．1．3 边界条件

3．1．4 初始条件

3．2 连续激光扫描硅片热场分布的模拟

3．3 连续激光扫描硅片热场分布的二维模拟结果

3．3．1 常压氩气气氛下连续激光辐照的热场模拟结果

3．3．2 真空条件下，连续激光辐照的热场模拟结果

3．3．3 石英片厚度对连续激光辐照过程热场的影响

3．3 本章小结

参考文献

第四章 连续激光诱导过饱和钛在硅中的浓度分布

4．1 钛随深度分布的二次离子质谱测量及结果

4．2 钛随深度分布的二次离子质谱拟合及讨论

4．3 钛随深度分布的俄歇电子能谱测量

4．4 本章小结

参考文献

第五章 激光诱导过饱和掺钛样品晶体结构分析

5．1 XRD测试结果及讨论

5．2 拉曼散射测试结果及讨论

5．3 本章小结

参考文献

第六章 连续激光诱导过饱和掺钛样品的电子结构分析

6．1 X射线光电子能谱的基本概念

6．2 真空环境下制备样品的XPS测试结果及讨论

6．3 常压氩气环境下制备样品的XPS测试结果及讨论

6．4 本章小结

参考文献

第七章 连续激光诱导过饱和掺钛样品的光学和电学性质

7．1 激光诱导过饱和掺钛样品的吸收光谱

7．2 激光诱导过饱和掺钛样品的载流子浓度

7．3 本章小结

参考文献

第八章 总结与展望

8．1 本论文总结

8．2 今后研究工作计划

附录 攻读博士学位期间获得成果

致谢