高速单室沉积微晶硅膜太阳电池的研究

摘要

单室和高速沉积是降低硅基薄膜太阳电池成本的有效方法，也是加快其产业化进程中必须攻克的难题之一。本文采用高频高压高功率的技术路线进行微晶硅材料的高速沉积，并在国内首次尝试在单室VHF-PECVD系统中开展高速制备微晶硅薄膜太阳电池的研究工作。论文主要内容如下：
　　 (1)首先分析了激发频率、功率密度、反应气压、电极间距、气体流量、硅烷浓度等因素对微晶硅材料特性的影响。总结出获得高速高质量微晶硅可遵循的技术途径。(a)选定沉积系统所用频率。在保证有效功率馈入的前提下，高的频率易于得到较高的沉积速率。(b)气压和电极间距相互匹配，当其它参数保持不变时，仅改变气压或电极间距，沉积速率和晶化率的变化范围较大，但都存在一个最佳匹配点。(c)调节辉光功率是寻找硅烷耗尽点的最直接有效方法。随着辉光功率的增大，沉积速率和晶化率都会有一个先增大后减小的趋势，硅烷耗尽点的选择一般选择在出现下降前的区域。(d)调节硅烷浓度、气体流量等也可对薄膜进行优化。本文在一定的沉积区间内(较高压力7-9Torr、较小电极间距5mm-7mm)均可得到晶化率40％以上的微晶硅材料（沉积速率2nm/s左右）。
　　 (2)初步研究了高速微晶硅薄膜的沉积过程。发现薄膜的沉积速率、晶化率、RMS随薄膜的沉积都会有一定的变化过程；且这三者的变化趋势能够很好的进行对应。这有利于帮助更好的理解高速微晶硅的生长过程。高速微晶硅在沉积初期有一个较厚的非晶孵化层，其沉积速率是逐渐增大的；当沉积速率开始下降时，薄膜出现晶化；之后晶化率和沉积速率均呈增大趋势。而RMS在薄膜出现晶化之前有一定的降低，之后再随晶化率的增大也有一个上升趋势。本文通过后通硅烷法，有效的解决了高速沉积微晶硅非晶孵化层较厚、纵向结构均匀性较差的问题，并且明显的增大了薄膜成核密度。
　　 (3)因本文采用单室VHF-PECVD工艺高速制备微晶硅电池，故希望p/i/n三层均采用相同的电极间距（5mm左右）。为此，p层的制备也需采用相对较高的压力来保证辉光。对p型微晶硅材料电学特性和晶化率与氢稀释率、掺杂比之间关系进行了研究。结果表明：高压沉积既能够提高生长速率，也有利于降低电子温度，减小粒子轰击，得到的微晶硅薄膜比较致密，粗糙度较小。通过优化组合各沉积参数，在厚度为30nm左右时，获得了最大电导率为2.6S/cm、晶化率Xc=40%左右，沉积速率2.9(A)/s，RMS=2.05nm的p型微晶硅材料。
　　 (4)在上述高速制备微晶硅薄膜材料和p材料的特性研究基础上，在单室VHF-PECVD系统中进行了高速制备微晶硅太阳电池的初步研究。提出了两种能够有效提高单室高速制备微晶硅太阳电池效率的方法：(a)使用高氢稀释、高气压、低功率密度的方式沉积本征缓冲层，并应用到电池的p/i界面。其作用主要有：高氢稀释沉积，可刻蚀掉腔壁上的硼产物，使其一部分被抽走，减小了硼对本征层的污染厚度；高压沉积，薄膜较为致密，可有效抵抗后续i材料高能离子轰击；高晶化率，对后续i层生长起到很好的籽晶层作用，不仅能够减小非晶孵化层厚度，而且能够降低界面缺陷态密度。(b)通过改变高速制备i层时的硅烷通入时间，优化高速制备微晶硅电池性能。一方面辉光初期的高氢稀释率可降低一部分硼污染；另一方面硅烷通入时间的不同会对p/i界面和后续i层的生长产生一定影响。
　　 (5)最终，本论文在单室VHF-PECVD系统中，在微晶硅薄膜的沉积速率为20.8(A)/s情况下，获得光电转换效率为5.27%(Jsc=20.04mA/cm2，Voc=0.50V,FF=52.23%)的单结微晶硅薄膜太阳电池。
　　 综上所述，本论文采用高频高压高功率的方法，实现了微晶硅薄膜的高速沉积，并对其沉积过程进行了初步研究；同时，在单室VHF-PECVD系统中也对高速制备微晶硅太阳电池进行了探索性的研究；提出两种在单室高速条件下有效提高电池效率的方法；最终在较高的沉积速率下获得一定光电转换效率的微晶硅电池，为大幅度降低硅薄膜太阳电池成本奠定了实验基础。