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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。