p型nc-Si:H薄膜的热丝CVD法制备与性能研究

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氢化纳米晶硅(nc-Si:H)薄膜是一种纳米颗粒镶嵌在非晶硅网络中的混合相结构材料,具备优异的光电性能,是第二代和第三代太阳电池的重要材料。特别是在硅基单结和叠层薄膜太阳电池中,研究制备具有高晶化率、高电导率、低激活能和较宽光学带隙的p型nc-Si:H薄膜对提高太阳电池的性能意义重大。热丝化学气相沉积(Hot Wire Chemical Vapor Deposition-HWCVD)具有无离子轰击、气源利用率高及沉积速率快等优点,有望同时实现掺杂nc-Si:H薄膜的高晶化率和高电导率。因此,本研究采用HWCVD制备p型nc-Si:H薄膜,运用Raman散射谱、紫外可见分光光度计、四探针方阻测试仪、霍尔效应测试仪、变温电导测试系统等手段,系统地研究各个沉积参数(灯丝温度、掺杂比例、氢稀释比、沉积气压)对薄膜微结构和光电性能的影响,并深入探讨其掺杂机理。结果表明:灯丝温度升高使薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸增大,光学带隙增大,载流子浓度增大,此时硼掺杂浓度和晶化率的增大有利于电子隧穿,使得薄膜的电导激活能减小。过高的灯丝温度导致薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸减小,光学带隙减小。B2H6掺杂比例提高会使薄膜非晶化,在薄膜吸收边的附近引入带隙态,使光学带隙变窄,此时载流子浓度增加,霍尔迁移率和电导激活能单调减小。当氢稀释比提高时,有更多的H原子覆盖薄膜生长表面,而且非晶成分被选择性刻蚀,因而薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸增大,此时BH3粒子的化学吸附占主导,因而载流子浓度增大,而进一步提高氢稀释比,物理吸附占主导,载流子浓度略有减小。在本研究中,存在一个气压值为6Pa的临界沉积气压。临界气压以下,当沉积气压升高时,薄膜表面的H原子覆盖和SiH3粒子增多,薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸增大;临界气压以上,当沉积气压升高时,薄膜表面的H原子覆盖减少,薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸减小。另外,当沉积气压升高时,BH3粒子增多,但吸附方式从化学吸附逐渐变为物理吸附,因而载流子浓度先迅速增大后缓慢增大甚至减小。在此基础上我们成功制备出晶化率为67.6%,光学带隙为1.84eV,电导率高达40S/cm,电导激活能仅为13.5meV的优质薄膜。
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