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作为目前最具有发展前景的硅基薄膜太阳电池,具有原材料取之不尽、绿色环保以及成本低廉等优点,因此得到广泛的研究与应用。然而光电转换效率较低、稳定性不好一直是制约硅基薄膜电池发展的瓶颈。本论文主要利用激光表面晶化的方法,在a-Si薄膜表面上制备一层μc-Si层,并以此作为薄膜电池的本征吸收层,进而达到提高电池转换效率和稳定性的目的。晶化层的微观结构对性能起决定性作用,因此,本文通过研究不同准分子激光对a-Si薄膜的表面晶化行为,并对温度场进行数值模拟,从而建立激光工艺参数与晶化层微观结构的关系,为激光表面晶化法制备μc-Si/a-Si复合薄膜提供实验依据。同时,也为研究制备稳定高效的第三代薄膜太阳电池打下理论基础。
本文分别研究了KrF和ArF准分子激光对a-Si薄膜的表面晶化行为,包括a-Si薄膜的表面晶化阈值、激光能量密度及照射脉冲数对薄膜结晶度的影响、晶化后的薄膜表面形貌及晶化层延深度的分布等。通过实验发现:a-Si薄膜的表面晶化阈值约为110mJ/cm2,并且不受照射脉冲数的影响;激光能量密度是影响薄膜结晶度的主要因素,随激光能量密度升高,薄膜表面结晶度增大;通过多脉冲照射也可以提高薄膜的结晶度,尤其在激光能量密度较低时,但随着激光能量密度升高,作用的效果变得不明显;晶化层的表面SEM和TEM表征结果显示,随着激光能量密度升高,薄膜表面结晶程度提高,晶化层中微晶晶粒尺寸变大,但当能量密度高于一定值时,晶粒均匀性变差,并且表面有大颗粒出现,薄膜质量变差;对ArF激光晶化的薄膜进行截面TEM表征发现,随激光能量密度升高,晶化层的深度加大,并且呈抛物线规律递增。对比研究表明,相同条件下,KrF准分子激光晶化时薄膜结晶度更高、晶化层深度更深;而采用ArF激光晶化时,微晶层的晶粒更加均匀,薄膜表面质量更好。因此,采用KrF准分子激光进行晶化时,较佳的激光能量密度范围是110~150mJ/cm2;而采用ArF准分子激光时,较佳的激光能量密度范围是120~180mJ/cm2。
通过建立数学模拟对激光晶化a-Si薄膜的温度场进行了数值模拟计算,主要研究了激光波长、能量密度和衬底温度等对薄膜温度场的影响。计算结果显示:随着激光波长和脉宽的增加,薄膜的表面熔化阈值增大,在脉宽一定时,采用波长为300~350nm之间的激光照射时薄膜表面熔化阈值最低;薄膜表面熔化时间、熔化层深度和表面最高温度都随激光能量密度的升高而增大,并且相同条件下,KrF(248nm)激光比ArF(193nm)激光的作用效果更加明显;衬底温度主要影响薄膜表层熔化的时间,即提高衬底温度可以显著的增加薄膜表面熔化时间,而对于薄膜熔化深度和表面温度的影响次之。通过将计算结果与本文及他人实验结果进行对比,验证了模型的准确性与适用性。