多晶硅薄膜的生长习性及其太阳电池的研制 [复制链接]

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多晶硅薄膜的生长习性及其太阳电池的研制，硕士学位论文，正文共58页，26173字。
摘要
多晶硅薄膜作为薄膜太阳电池的活性层，其晶体质量是决定电池效率的关键。本文对快热化学气相沉积法制备多晶硅薄膜的生长行为、微观形态及晶体缺陷作了较详尽的研究。并以颗粒硅带为衬底，制备了多晶硅薄膜太阳电池。通过对多晶硅薄膜的生长行为、晶体形态及缺陷分析，为晶体硅薄膜的研究提供工艺和理论参考，也为颗粒硅带薄膜太阳电池的产业化给出一定的理论依据。
本文的主要研究内容和结果如下br />首先，利用快热化学气相沉积法制备了优质的多晶硅薄膜。在颗粒硅带衬底上沉积的薄膜晶粒尺寸达30,..50um，沉积速率高达56um/min。研究了不同沉积参数，如沉积温度、掺杂浓度、衬底等对薄膜生长速率的影响。对多批次相同条件下的沉积实验考察发现，薄膜沉积的可重复性较好。
考察了沉积温度、衬底种类、掺杂对薄膜择优取向的影响。研究表明，对RTCVD不同的工作温度区间，薄膜的择优取向不同。当沉积温度低于约940℃时，薄膜倾向【220]晶向择优;温度在940-1140℃区间时，薄膜具有〔311]或【400]择优倾向;当温度继续升高，薄膜的[111]择优开始明显。高温下，衬底对薄膜择优也有一定影响。[111],[220]及【3111等晶向强度基本不受B2H‘流量的影响，但【400]晶向因子随B2H6流量增大迅速减弱。
利用SEM、金相显微镜对多晶硅薄膜的表面形貌进行观察。讨论了沉积温度及衬底对薄膜形貌的影响，并首次建立了多晶硅薄膜晶体形貌与晶体取向之间的对应关系。研究表明，薄膜晶粒尺寸随温度升高迅速增大，由900℃时的不足3um到1170℃时超过50Fcm。较低温时，薄膜晶粒为锥状体，存在较多高次孪晶，此时晶体为【220]晶向。沉积温度达到1170℃时，薄膜晶粒呈现三角形，层叠排列近似梯田状，晶体为[111]晶向。[4001晶向的薄膜表面平滑，品体为四方形图案，部分薄膜表面出现四棱锥oSEM观察到薄膜晶粒内大量的(111)及(100)面堆跺层错。
在以颗粒硅带为衬底的多晶硅薄膜内有大量孪晶。
采用高分辨TEM,X射线双晶衍射、Raman光谱和Hall测试对晶体内部缺陷、薄膜应力及薄膜的电学性能进行测试。高分辨TEM观察发现，以颗粒硅带为衬底的多晶硅薄膜晶粒内有大量的(11丁)面微孪晶。晶粒内还有部分层错，但较少发现位错。根据HREM像，估算品面的面间距为0.314nm，薄膜内存在较弱的张应力。外延准单晶硅薄膜的X射线双晶摇摆曲线的半高宽为115秒，表明薄膜晶体质量较好。对单晶硅、颗粒硅带两种衬底上的多晶硅薄膜，及区熔后的颗粒硅带衬底作了Raman光谱测试。对应晶体硅的拉曼散射峰都出现在519.57cm-’位置，强度非常高，说明三种样品的晶体质量较好。在Raman测试中，还发现了晶体硅在964cm-‘附近的2TO模式散射峰及2100cm-‘附近的高频多级散射峰。Hall测试显示，多晶硅薄膜内的电子迁移率普遍在30-50cm2/V.S范围之内，薄膜的电学性能不够理想。
采用XRD,SEM、能谱等手段对颗粒硅带进行了晶体结构、微观形貌及杂质含量表征。利用ZMR工艺使得硅带表面平整度得到提高，ZMR后的硅带多倾向[111]择优。以颗粒硅带为衬底，直接外延制备多晶硅薄膜太阳电池。制备的颗粒硅带薄膜电池在无减反膜情况下的最高转换效率为6.05%(1cm2，无减反膜)。就减反膜工艺对电池性能的影响进行了探讨。对薄膜太阳电池作了I-V及光谱响应测试。结果表明，短路电流过低是影响电池效率的主要因素。对多晶硅薄膜表面的EBIC测试表明，大晶粒内部电学性能良好，小晶粒区载流子复合严重。畸变严重的晶界复合严重，畸变较小的晶界电学性能较好。大晶粒内部的孪晶区显示了良好的电学性能。尝试获得电池活性层晶体取向与电池效率的关系，但是由于电池效率过低，晶体取向的影响暂时未能体现。
利用PClD模拟软件，对多晶硅薄膜太阳电池性能进行模拟，分析了电池效率的影响因素。对颗粒硅带电池的性能进行模拟，获得5.615%的转换效率。表明利用颗粒硅带直接制备电池也是可行的。最后指出本文存在的局限性及改进办法，并提出进一步研究方向。
关键词:多晶硅薄膜;择优取向;晶体形貌;晶体缺陷;太阳电池

目 录
文摘
英文文摘
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第一章绪论
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1.1太阳电池的发展历史与现状
1.2多晶硅薄膜太阳电池的研究现状
1.2.1低温沉积多晶硅薄膜(T≤850℃)
1.2.2高温沉积多晶硅薄膜(T=850～1400℃)
1.2.3薄膜转移技术
1.3本课题的研究背景及意义
1.4本文的主要研究内容
第二章化学气相沉积多晶硅薄膜
2.1化学气相沉积的基本物理
2.1.1化学气相沉积的动力学
2.1.2化学气相沉积的流体力学
2.1.3化学气相沉积的热力学
2.2快热化学气相沉积法制备多晶硅薄膜
2.2.1 RTCVD工作原理
2.2.2多晶硅薄膜的制备
2.3多晶硅薄膜生长速率的影响因素
2.3.1沉积温度
2.3.2掺杂浓度
2.3.3衬底
2.4多晶硅薄膜沉积的可重复性
2.5 RTCVD制备多晶硅薄膜的气固转化率
2.6多晶硅、SSP及多晶硅薄膜的表面织构
2.6.1多晶硅片的表面织构
2.6.2 SSP的表面织构
2.6.3多晶硅薄膜的表面织构
2.7本章小结
参考文献
第三章多晶硅薄膜的生长及微观形态
3.1表征多晶硅薄膜的测试技术
3.2多晶硅薄膜晶体的择优取向生长
3.2.1沉积温度对择优取向的影响
3.2.2衬底对择优取向的影响
3.2.3掺杂对择优取向的影响
3.3多晶硅薄膜的表面微观形貌
3.3.1温度对薄膜表面形貌的影响
3.3.2衬底对薄膜形貌的影响
3.3.3 RTCVD附属系统因素对薄膜质量的影响
3.3.4晶粒取向与晶粒形貌的对应关系
3.4多晶硅薄膜的晶体缺陷
3.4.1晶体缺陷的扫描电镜研究
3.4.2晶体缺陷的金相显微镜
3.4.3晶体缺陷的透射电镜研究
3.4.4晶体缺陷的X射线双晶衍射研究
3.4.5晶体缺陷的拉曼光谱研究
3.5多晶硅薄膜的载流子浓度和迁移率
3.6本章小结
第四章颗粒硅带衬底上多晶硅薄膜太阳电池的研制
4.1多晶硅薄膜太阳电池的基本理论
4.1.1太阳电池的基本理论
4.1.2多晶硅薄膜太阳电池的结构与特点
4.2颗粒硅带衬底的制备与质量控制
4.2.1颗粒硅带的制备
4.2.2颗粒硅带的表征
4.2.3区熔对颗粒硅带的改善
4.3颗粒硅带多晶硅薄膜太阳电池的制备
4.4颗粒硅带多晶硅薄膜太阳电池的测试与分析
4.4.1太阳电池的光特性及讨论
4.4.2外量子效率(EQE)
4.5颗粒硅带薄膜电池效率的影响因素
4.5.1电池活性层的晶体质量
4.5.2电池活性层的晶体取向
4.6本章小结
参考文献
第五章多晶硅薄膜太阳电池的性能模拟与展望
5.1 PC1D对薄膜电池及硅带电池的理论模拟
5.2本文的局限性及下一步工作方向
5.3本章小结
参考文献
结论
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
附录

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• 多晶硅薄膜的生长习性及其太阳电池的研制
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