磁控溅射方法制备非晶硅薄膜的氢掺杂工艺研究

• 作 者: 姚文浩
• 机 构: 东北大学
• 出 处: 东北大学
• 发表日期: 2017年12期
• 关键词: 薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜因其具有吸收系数高、适用于柔性衬底及大批量卷对卷制造工艺的特点，在薄膜太阳能电池制造领域得到广泛普及。作为薄膜太阳能电池的有源层，非晶硅的光电特性对于薄膜太阳能电池的性能至关重要。本文利用磁控溅射技术在柔性衬底PET上沉积非晶硅薄膜并且研究了在不同的制造条件（溅射功率、工作压力、工作温度、氢气/氩气混合比）下薄膜的主要光学特性参数、沉积速率、薄膜表面形貌。
　　同时，本文对非晶硅薄膜氢元素掺杂理论进行了研究和说明，对一些理论计算方法进行了引用、解释和说明，确定了本研究所需的计算参数。通过红外光谱研究了氢元素对薄膜结构的影响，计算出了薄膜氢元素密度和含量。对氢原子在非晶硅薄膜中的存在形式进行了分析，计算了不同混合比条件下薄膜的沉积速率、光学带隙、结构，研究了不同混合比对薄膜表面形貌的影响。
　　实验结果表明随着溅射功率从60W增加到120W,薄膜沉积速率由1.88nm/min增加到8.74nm/min而透光率却从86％降低至46％。工作压力的提高导致沉积速率的降低，更高的工作温度导致更高沉积速率和较低透光率。本文的研究表明:氢气流量的升高不利于硅颗粒之间的聚集，随着氢气流量的升高，薄膜的氢元素浓度升高，当氢元素含量到达一定值时，氢元素浓度不再增加。
　　氢原子密度随着氢气流量的增加而升高，在混合比为2时，氢原子密度达到最大值1.003％。微结构因子R*随着氢气，氩气混气比例的变化而发生变化，即Si-H键和Si-Hn的配置情况发生变化，R*从0.11增加到峰值0.13然后下降至0.06，最后在混合比为3的条件下上升至0.1。同时发现，氢原子密度对薄膜的Si-Hn类结构影响不大。随着混合气体比例的变化，薄膜的光学带隙值发生波动。在混合比为0.25时，薄膜的带隙值达到1.96eV，随着氢气，氩气混气比例的增加，带隙值逐渐增加到2.04eV，然而在混气比例为1时带隙值显著下降到1.53eV，继续增加流量比并没有继续降低带隙值。我们也发现，随着氢气氩气混合比的变化，氢密度的变化趋势与薄膜光学带隙值的变化趋势非常相似，氢密度对光学带隙值的有直接的影响作用，氢密度的升高能够增加薄膜的光学带隙值，而氢密度的降低则降低薄膜的光学带隙值，在氢气氩气比例为1的条件下产生较低的光学带隙值和较低的氢密度。
　　为确定非晶硅薄膜的较优工艺参数，本研究对上述研究结果进行了讨论、分析、比对。通过考虑最优的薄膜厚度和最优的光学带隙值得到最优的工艺参数为溅射功率80W，工作压力1.0Pa，衬底温度120℃，氢气，氩气混合比为1时薄膜具有较优的薄膜结构。
　　为了提高非晶硅薄膜性能，本研究应用共溅射方法，利用钛靶和硅靶同时共同溅射制备非晶硅薄膜。结果表明钛元素对薄膜的光电性能和微观结构具有改进作用，然而沉积速率却低于直接溅射下样本的沉积速率。
　　本研究对“卷对卷”大批量印刷非晶硅薄膜电池提供了工艺方面的参考和理论基础。