不同磷含量和微结构的n型a-Si:H薄膜光、电学性能的研究

摘要

目前，全球的能源危机推动着各国对新能源的探索和研究，其中包括：风能、水能、核能等，太阳能由于具有清洁性和可再生性而备受瞩目。当前转换效率最高的是单晶硅电池，但由于单位产能成本高而无法推广应用，而非晶硅对材料消耗少，耗能低，可大而积生产，能量返回周期短等优点弥补了单晶硅的缺憾，因此，本文的研究将围绕非晶硅太阳能电池的n层在不同PH3/SiH4气流量比下的光、电学及微结构的变化规律。
　　 本文采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法分别在载玻片和硅片上制备了一组具有不同磷掺杂量的n型a-Si：H薄膜并对部分样品进行了退火处理，通过AFM、Raman光谱仪、Hall效应仪、UV分光光度计及SIMS等分析手段，研究了不同磷含量和原子排列有序度对n型a-Si：H薄膜的微观结构、光学/电学性能的影响并对其原因进行了分析。本文取得的重要结论和创新性研究成果如下：
　　 1)利用霍尔效应仪对载流子浓度、载流子迁移率、电阻率进行了检测分析，结果表明：当PH3/SiH4气流量比从0.5％增加到2.5％，n型a-Si：H薄膜的电阻率整体呈下降趋势；其中在PH3/SiH4气流量比从1.0％增加到1.5％时，电阻率从1.35×105ohm*cm降低到3.66×104ohm*cm，降低幅度近两倍，其后电阻率缓慢下降，趋于稳定；
　　 2)通过紫外-可见光分光光度计测得：在五种PH3/SiH4气流量比条件下制备的N型a-Si：H薄膜，其透过率在波段为600nm时均在65％以上、在600nm-900nm波段范围内透过率均大于40％，n型a-Si：H薄膜的透过率整体较好。随着PH3/SiH4气流量比的升高，薄膜的透过率逐渐增大。经tauc法计算得出：随着PH3/SiH4气流量比的升高也即磷元素掺杂浓度的增加，n型a-Si：H薄膜的光学带隙逐渐变小；
　　 3)尽管拉曼检测结果显示出本文沉秋的n型a-Si：H薄膜均为非晶态结构，但其非晶网络的短程和中程有序度随着PH3/SiH4气流量比的升高是逐步提高的；
　　 4)采用二次离子质谱(SIMS)分析了磷元素在薄膜中的纵向掺杂浓度，当PH3/SiH4气流量比为1.5％时，从膜表而到薄膜内部，磷原子的有效掺杂浓度在1.15×1021atoms/cm3到1.17×1021atoms/cm3之间，磷原子分布均匀；而PH3/SiH4气流量比为2.5％时，磷原子的有效掺杂浓度在1.58×1021atoms/cm3到3.34×1020atoms/cm3，虽然在同一个数量级上，但从表而到内部逐渐降低，表现出不均匀性；
　　 5)n型a-Si：H薄膜经退火处理后，虽依然呈现为非晶态，但ITA/ITO的比值升高，说明薄膜内部非晶网络结构中的中程有序度的升高，更有利于P原子进行替位掺杂；其透过率的最大值稍有下降，但整体对于透过光的波段范围变宽；薄膜的电阻率显著下降，其中PH3/SiH4气流量比为2.5％的n型a-Si：H薄膜，电阻率从3.250035×104ohm*cm降低到9.294429×101ohm*cm，降低了三个数量级。