1、1毕业设计开题报告电子信息科学与技术太阳电池用玻璃衬底上多晶硅薄膜的结构及电学特性研究一、选题的背景与意义人类在21世纪面临的最大挑战是环境污染和能源枯竭。人类在努力寻找解决这两个问题方法时发现，太阳能的利用应是解决这两个问题的最好方案。基于对国内外市场以及相关文献的调研，目前国内外的太阳能电池的种类有1市场上的主导产品晶体硅太阳电池，其性能稳定，但是生产成本较高。2化合物半导体薄膜太阳电池，它是优选的活性材料，但是缺点有一些化合物成分为稀土，大规模的工业化生产有一定困难，以及带来的环境污染等。3染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池，它受到国内外科学家的重视，但目前对它的研究处于起步阶段，以及使用
2、液体电解质，带来使用不便以及对环境影响。4硅基薄膜太阳电池，多晶硅PLOYSI薄膜和非晶硅ASI薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格。多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高非晶硅是硅和氢约10的一种合金，具有以下优点它对阳光的吸收系数高，活性层只有1UM厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低约200摄氏度，可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产。目前研发和生产硅基薄膜太阳电池是光伏产业的关注热点。当前商用化的非晶硅薄膜太阳电池，受光诱导衰减及自身薄膜性能的限制，电池稳定效率不高。而多晶硅薄
3、膜太阳电池，兼顾晶体硅高性能及薄膜硅低成本的优点，已成为硅基薄膜太阳电池发展的重要方向之一。目前多晶硅薄膜太阳电池的研发尚处于初级阶段，未来发展前景广阔。结合成本和效率因素，硅基薄膜太阳电池被认为具有较大应用前景。当前，多晶硅薄膜太阳电池的两大研究重点是优化电池结构和制备高质量的多晶硅薄膜。其中高质量的多晶硅薄膜材料一般具有较大的晶粒尺寸和较低的缺陷密度。为此常采用两步法制备，即先沉积非晶硅（ASI）薄膜，再经后续退火晶化。此次的课题研究也采用这种方法。2因此，开展制备多晶硅薄膜的机理研究并有所突破，在新能源领域取得技术优势，不仅可为我国光伏产业的发展奠定基础，而且可对全人类的太阳能产业发展起
4、巨大的推动作用。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、玻璃衬底上不同掺杂类型多晶硅薄膜的制备在玻璃衬底上制备不同掺杂原子的多晶硅薄膜，研究它们结构特征和电学性能。2、玻璃衬底上多晶硅薄膜载流子有效激活技在研究（1）的基础上通过改变优化磁控溅射或RTA退火工艺的方法，使多晶硅薄膜上的载流子得到有效激活，制备出电学特性优良的多晶硅薄膜。3、玻璃衬底上不同掺杂类型多晶硅薄膜的制备及机理研究通过实验结果的比较，研究掺杂原子在ASI薄膜RTA晶化过程中的作用、对多晶硅薄膜结构及电学特性影响。三、研究的方法与技术路线1、玻璃衬底上不同掺杂类型多晶硅薄膜的制备选用玻璃为衬底材料，以不同掺杂类型（如掺磷或掺
5、硼）的晶体硅为溅射靶材，通过磁控溅射法沉积约300NM的ASI薄膜，再经后续RTA退火晶化，制备出不同掺杂类型的多晶硅薄膜。2、玻璃衬底上多晶硅薄膜载流子有效激活技术采用磁控溅射方法，通过调控磁控溅射参数（如溅射功率、衬底温度、衬底偏压、溅射气体类型及其气压）等来沉积非晶硅薄膜，然后通过不同温度下退火使硅薄膜晶化，并得到能有效激活玻璃衬底上多晶硅薄膜载流子的技术，以在玻璃衬底上得到电学性能优良的不同掺杂类型的多晶硅薄膜。3、玻璃衬底上不同类型多晶硅薄膜结构的研究基于（1）（2）的基础上，研究硼掺杂或磷掺杂对多晶硅薄膜结构和电学性能的影响。四、研究的总体安排与进度2010112320091220
6、深入研究课题，查阅相关文献资料，理清思路，了解课题的具体任务要求，制定详细的计划安排和实验流程。201012212011115采用磁控溅射结合RTA晶化工艺，在平整玻璃衬底上制备不同掺杂原子多晶硅薄膜；阐明掺杂原子对多晶硅薄膜结构的影响。20112152011310得到多晶硅薄膜载流子的有效激活技术，使掺杂有效。20113112011410制备出电学性能优良的不同掺杂类型多晶硅薄膜。阐明掺杂原子多晶3硅薄膜电学性能的影响。20114112011510撰写毕业设计论文、修改及答辩。五、主要参考文献1王红娟,吕晓东,黄义定,仲志国快速热退火制备多晶硅薄膜的研究J电子元件与材料,2009,28413
7、2冯团辉,卢景霄,张宇翔,郜小勇,杨仕娥,李瑞,勒锐敏,王海燕利用快速热退火法制备多晶硅薄膜J人工晶体学报,2005,342363AGABERLE,PROGRESSWITHPOLYCRYSTALLINESILICONTHINFILMSOLARCELLSONGLASSATUNSWJJOURNALOFCRYSTALGROWTH,2006,28723863904SGALL,CBECKER,ECONRAD,ETALPOLYCRYSTALLINESILICONTHINFILMSOLARCELLSONGLASSJSOLARENERGYMATERIALSSOLARCELLS,2009,93710041008
8、5勒锐敏,罗鹏辉,陈兰莉,郭新峰,卢景霄光退火制备多晶硅薄膜的量子态现象J人工晶体学报,2008,37522346廖华,林理彬,刘祖明,陈庭金多晶硅薄膜太阳能电池厚度和晶粒尺寸对其性能影响J太阳能学报,2003,24216437刘明,王子欧,奚中和,何宇亮磷掺杂纳米硅薄膜的研制J物理学报,2000,49514268张溪文,韩高荣掺硼非晶硅薄膜的微结构和电学性能研究J功能材料与器件学报,2003,92239崔海昱,涂洁磊,邓菊莲,王志刚,龙维绪玻璃衬底多晶硅薄膜太阳能电池的制备J可再生能源,2008,2651310杜钟明,刘祖明多晶硅与单晶硅的扩散比较J云南师范大学学报,2007,2712411
9、余志明,伍水平,魏秋平,牛仕超,彭传才,李京增,魏敏基底温度和氧分压对直流磁控溅射制备的ZNOAL薄膜性能的影响J真空,2006,4361312张凤明多晶硅薄膜太阳能电池J太阳能学报,2003,244224613苏孙庆多晶硅薄膜太阳能研究的进展J技术物理教学,2007,152153114于站良,马文会,戴永年等太阳能级硅制备新工艺研究进展J轻金属,2006,063434715葛水兵,程珊华,宁兆元ZNOAL透明导电膜的制备及其性能的研究J材料科学与工程,2000,183113716王华铝搀杂氧化锌薄膜的结构与光电特性J桂林电子工业学院学报,2005,2522417余俊,赵青南,赵修建AL2O3
10、掺量及氧气分压对直流磁控溅射法制备铝掺杂氧化锌薄膜性能的影响J硅酸盐学报,2004,32101318陈源,张德恒,马瑾,等不同有机衬底上沉积的ZNOAL透明导电膜的研究J半导体杂志,1999,2431124419王阳元,等多晶硅薄膜及其在集成电路中的应用M科学出版社，2001,259223120汪建军,刘金霞太阳能电池及材料研究和发展现状J浙江万里学院学报,2006,19512255毕业设计文献综述电子信息科学与技术太阳电池用玻璃衬底上多晶硅薄膜的结构及电学特性研究摘要近年来太阳能产业发展迅速，但是依旧处于发展的初期；如今研发和生产硅基薄膜太阳电池是光伏产业的关注热点。考虑到成本等原因多晶硅薄
11、膜太阳电池成为我们研究的方向，研究的重点是优化电池结构和制备高质量的多晶硅薄膜的工艺。文中简单的介绍了目前人类生产的几种不同种类的太阳能电池，重点介绍多晶硅薄膜太阳电池的结构，以及高质量多晶硅薄膜的制备工艺及其电学性能，进而提出自己将要重点研究的方向和对薄膜发展的前景展望。关键词多晶硅薄膜，电池结构，衬底，制备工艺，电学性能1背景研发和生产硅基薄膜太阳电池是光伏产业的关注热点。当前商用化的非晶硅薄膜太阳电池，受光诱导衰减1及自身薄膜性能的限制，电池稳定效率不高。而多晶硅薄膜太阳电池，兼顾晶体硅高性能及薄膜硅低成本的优点，已成为硅基薄膜太阳电池发展的重要方向之一。我想采用磁控溅射结合RTA晶化工
12、艺，在玻璃衬底上制备大晶粒尺寸、低晶界及晶粒内缺陷密度的多晶硅薄膜2。通过改变磁控溅射调控参数，RTA退火工艺的优化等来制备出不同类型掺杂的多晶硅薄膜，探究有效激活载流子的技术和工艺，并解释不同掺杂剂对多晶硅薄膜结构和电学性能的影响规律3。磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法4。快速热退火是近期发展起来的一种固相晶化技术。2研究现状和发展趋势基于对国内外相关文献的调研，以下先简要阐述了不同种类的太阳电池，然后重点介绍了多晶硅薄膜材料，以及多晶硅薄膜太阳电池的相关研究结果。21太阳
13、能电池的种类211晶体硅太阳电池6晶体硅太阳电池是PVPHOTOVOLTAIC市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料缺点是生产成本高在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能,进一步提高效率如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的5。212硅基薄膜太阳电池多晶硅PLOYSI薄膜和非晶硅ASI薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格。多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高。非晶硅是硅和氢约10的一种合金，
14、具有以下优点它对阳光的吸收系数高，活性层只有1UM厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低约200摄氏度，可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产。213化合物半导体薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池主要有铜锢硒CIS和铜锢稼硒CIGS、CDTE,GAAS等，它们都是直接带隙材料，带隙宽度E在116EV之间，具有很好大范围太阳光谱响应特性。所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分6，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。214染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池1991年瑞士GRATZEL教授以纳米多孔TIO2为半导体电极，以RU络合物作敏
15、化染料，并选用I2/I3一氧化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池简称DSC。DSC具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定在10以上。缺点是使用液体电解质7，带来使用不便以及对环境影响。染料敏化TIO2纳米化学太阳能电池受到国内外科学家的重视。目前对它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点。22多晶硅薄膜材料及多晶硅薄膜太阳电池的相关研究结合成本和效率因素，硅基薄膜太阳电池被认为具有较大应用前景。而当前商用化的非晶硅薄膜太阳电池，受光诱导衰减及自身薄膜性能的限制，电池稳定效率不高。而多晶硅薄膜太阳电池，兼顾晶体硅高性能
16、及薄膜硅低成本的优点，已成为硅基薄膜太阳电池发展的重要方向之一。当前，多晶硅薄膜太阳电池的两大研究重点是优化电池结构和制备高质量的多晶硅薄膜。221多晶硅薄膜太阳电池的结构跟其他太阳电池一样，多晶硅薄膜太阳电池结构的本质是PN结。德国CSGSOLAR公司7是全球首个多晶硅薄膜太阳电池生产商，他们以氮化硅（SIN）包覆8的玻璃为衬底，以GLASS/SIN/PNN或NPPSI/AL为电池结构单元，目前已经在94CM2上得到104的电池组件效率9。此外，德国HMI研究小组是以透明导电氧化物（TCO）包覆的玻璃作为衬底，制备GLASS/TCO/PNN或NPPSI/AL结构的多晶硅薄膜太阳电池，采用TC
17、O薄膜可以作为前电极，可以极大简化电池组装工艺。可以看到，无论采用何种薄膜包覆的衬底材料，太阳电池的主体材料都是不同掺杂类型的多晶硅薄膜，以形成PN结特性。我们知道，对于非晶硅薄膜，只有约1的掺杂原子真正在薄膜中起电学活性10，重掺P型（掺硼）或重掺N型（掺磷）的电导率只有105S/CM数量级。对于纳米硅薄膜或微晶硅薄膜，电导率可以提高至101S/CM数量级，掺杂效率大大提升。可见掺杂原子的掺杂效率与硅基薄膜材料的结构相关，因此要实现多晶硅薄膜中掺杂原子的有效掺杂11，制备高质量的多晶硅薄膜基体材料是先决条件。222高质量多晶硅薄膜的制备技术高质量的多晶硅薄膜材料一般具有较大的晶粒尺寸和较低的
18、缺陷密度。为此常采用两步法制备，即先沉积非晶硅（ASI）薄膜，再经后续退火晶化。ASI薄膜的沉积工艺主要包括化学气相沉积和物理气相沉积两大类，其中物理气相沉积法，以磁控溅射为代表，因具有沉积的大面积薄膜均匀性好，溅射工艺易调控，而且不使用有毒气体等优点12，已被广泛应用于薄膜晶体管及薄膜太阳电池中硅薄膜的制备。并且利用磁控溅射沉积硅薄膜，通过合理调控溅射参数，有望得到具有较低晶化核心密度和缺陷密度的ASI薄膜。而后续晶化工艺方式一般包括固相晶化、金属诱导晶化、激光晶化等。其中激光晶化由于晶化面积小而不适合大规模生产，因此德国CSGSOLAR公司和HMI研究小组采用的是铝（AL）诱导或固相晶化法
19、。AL诱导晶化法虽然在制备大晶粒尺寸的多晶硅薄膜上有一定优势，但在薄膜体内或表面会残留一定量的AL，从而限制电池性能的提高；固相晶化法通常采用常规炉退火CFA，这种方法虽可避免金属杂质的污染，但需要几十小时长时间退火，热成本较高13。快速热退火（RTA）是一种新型的退火方式，它采用卤素钨灯照射样品。相比CFA，RTA即提供热能，又有高能量的光子。研究者发现RTA700OC/4MIN就能使ASI薄膜完全晶化，而且晶粒尺寸不受薄膜厚度限制；为了减少光热退火对玻璃衬底的损伤，采用多周期循环退火，发现也能有效晶化ASI薄膜；进一步，研究者采用多周期脉冲RTA退火来优化退火工艺，从而提高薄膜性能。在我国
20、，北京市太阳能研究所、河南郑州大学材料物理部重点实验室对ASI薄膜的RTA晶化工艺进行了相关研究，阐明退火温度、退火时间，升降温速率对8多晶硅薄膜质量的影响14。可见采用RTA退火晶化ASI是完全可行的。基于以上研究结果，我们采用磁控溅射结合RTA退火工艺来制备不同掺杂的多晶硅薄膜。3总结国内外学者对于多晶硅薄膜太阳能电池领域所做的研究已经很多，相关的文献也不少。在了解多晶硅薄膜材料及多晶硅薄膜太阳电池的相关研究和多晶硅薄膜太阳电池性能（光电转换效率、开路电压、短路电流、填充因子）的基础上，对电池结构和高质量多晶硅薄膜的制备工艺有深刻的理解，通过这两个研究重点的研究从而达到优化电池性能的目的。
21、我们也可以看到在薄膜中的掺杂原子对薄膜结构和电学性能影响的规律的研究却相对较少。我认为薄膜的制备工艺和技术可以在这个方面有所研究和突破，提升和优化薄膜的电学性能，创造出更好的价值和更广阔的应用前景。参考文献四、王红娟,吕晓东,黄义定,仲志国快速热退火制备多晶硅薄膜的研究J电子元件与材料,2009,28413五、冯团辉,卢景霄,张宇翔,郜小勇,杨仕娥,李瑞,勒锐敏,王海燕利用快速热退火法制备多晶硅薄膜J人工晶体学报,2005,34236六、AGABERLE,PROGRESSWITHPOLYCRYSTALLINESILICONTHINFILMSOLARCELLSONGLASSATUNSWJJOUR
22、NALOFCRYSTALGROWTH,2872006386七、SGALL,CBECKER,ECONRAD,ETALPOLYCRYSTALLINESILICONTHINFILMSOLARCELLSONGLASSJSOLARENERGYMATERIALSSOLARCELLS,9320091004八、勒锐敏,罗鹏辉,陈兰莉,郭新峰,卢景霄光退火制备多晶硅薄膜的量子态现象J人工晶体学报,2008,3752234九、廖华,林理彬,刘祖明,陈庭金多晶硅薄膜太阳能电池厚度和晶粒尺寸对其性能影响J太阳能学报,2003,02241643十、刘明,王子欧,奚中和,何宇亮磷掺杂纳米硅薄膜的研制J物理学报,2000,
23、4951426十一、张溪文,韩高荣掺硼非晶硅薄膜的微结构和电学性能研究J功能材料与器件学报,2003,02923十二、崔海昱,涂洁磊,邓菊莲,王志刚,龙维绪玻璃衬底多晶硅薄膜太阳能电池的制备J可再生能源,2008,052613十三、余志明,伍水平,魏秋平,牛仕超,彭传才,李京增,魏敏基底温度和氧分压对直流磁控溅射制备的ZNOAL薄膜性能的影响J真空,2006,436139十四、张凤明多晶硅薄膜太阳能电池J太阳能学报,2003,04242246十五、苏孙庆多晶硅薄膜太阳能研究的进展J技术物理教学,2007,02151531十六、葛水兵,程珊华,宁兆元ZNOAL透明导电膜的制备及其性能的研究J材料
24、科学与工程,2000,1831137十七、陈光华,邓金祥,等编著新型电子薄膜材料M化学工业出版社,2002,709152010本科毕业设计（20届）太阳电池用玻璃衬底上多晶硅薄膜的结构及电学特性研究11摘要【摘要】多晶硅薄膜太阳能电池同时具有单晶材料的高迁移率，以及非晶硅材料的大面积低成本制备等优点，是解决太阳能高效利用的一种有效途径。本文分别在玻璃衬底、AZO衬底以及绒面AZO衬底上，采用磁控溅射的方法制备ASI薄膜，并将它们经过快速热退火晶化，制备得到不同衬底结构上的多晶硅薄膜。研究通过X射线衍射仪观察和表征薄膜的晶化行为，分析在不同退火温度下，不同衬底上薄膜的晶化行为，并用透射电镜观察多
25、晶硅薄膜的微观形貌。结果表明以AZO薄膜为衬底材料，在300OC下制备出的薄膜经过退火后，能够得到晶化率较高的多晶硅薄膜。并得到溅射温度、时间对制备得到的薄膜特性，如薄膜生长速率、表面粗糙度及薄膜的折射率等的影响。【关键词】磁控溅射；衬底材料；晶化行为；薄膜特性。12ABSTRACT【ABSTRACT】POLYCRYSTALLINESILICONTHINFILMSOLARCELLSHAVEADVANTAGESOFHIGHMOBILITYASSINGLECRYSTALMATERIALS,LARGEAREAANDLOWCOSTDEPOSITONASAMORPHOUSSILICONFILMS,WHI
26、CHISREGARDEDASANEFFICIENTWAYTOACHIEVEANFULLYUSEOFSOLARENERGYINTHISPAPER,ASITHINFILMSWEREPREPAREDBYMAGNETRONSPUTTERINGTECHNOLOGYONTHESUBSTRATESOFGLASS,AZOANDTEXTUREDAZO,RESPECTIVELYPOLYCRYSTALLINESITHINFILMSONTHEDIFFERENTSUBSTRATEWEREOBTAINEDBYRAPIDANNEALINGXRAYDIFFRACTIONANALYSISWASAPPLIEDFORTHECHAR
27、ACTERIZAITONOFTHETHINFILMCRYSTALLIZATIONATDIFFERENTANNEALINGTEMPERATURESANDSUBSTATESTHEMOPHOLOGYOFOBTAINEDFILMSWERECHARACTERIZEDUSINGTRANSMISSIONELECTRONMICROSCOPYITISCONCLUDEDTHATTHECRYSTALLIZATIONRATIOWASHIGHERFORTHETHINFILMSPREPAREDONTHEAZOSUBSTRATEAT300OCAFTERANNEALINGTHEINFLUENCEOFTHESPUTTERING
28、TEMPERATUREANDTIMEONTHEFILMPROPERTIESSUCHASGROWTHRATE,ROUGHNESSANDREFRACTIVEINDEXWERESUMMARIZED【KEYWORDS】MAGNETRONSPUTTERING；SUBSTRATEMATERIAL；CRYSTALLIZATION；FILMCHARACTERIZTION。13目录摘要11ABSTRACT12目录131绪论1511太阳电池应用、种类15111晶体硅太阳电池15112化合物半导体薄膜太阳电池15113染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池15114硅基薄膜太阳电池1512多晶硅薄膜的制备方法及结构光电特
29、性介绍16121薄膜的制备方法16122薄膜的光电性能介绍1613多晶硅薄膜沉积衬底介绍1714本文的研究意义与内容172实验过程以及实验主要设备1921实验过程1922实验主要设备19221磁控溅射镀膜机19222快速热退火炉19223光谱椭偏仪20224X射线衍射仪21225透射电子显微镜21226原子力显微镜223溅射温度对不同衬底上ASI薄膜特性影响2431实验过程2432实验结果与讨论24321生长速度分析24322折射率分析25323粗糙度分析2733本章小结284溅射时间对不同衬底上ASI薄膜特性影响2941实验过程2942实验结果与讨论29421生长速度分析29422粗糙度分析
30、30423折射率分析3143本章小结335不同衬底上ASI薄膜晶化行为研究3451实验过程3452实验结果与讨论3414521不同衬底结构上ASI薄膜的RTA晶化行为分析（XRD）34522不同退火温度ASI薄膜的RTA晶化行为分析35523不同衬底上多晶硅薄膜的微观结构3753本章小结386总结39参考文献40致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。1521绪论211太阳电池应用、种类人类在21世纪面临的最大挑战是环境污染和能源枯竭，随着经济全球化和社会科技的进步，人类对能源的需求不断上升。地球上的矿石资源和油气资源为人类的进步贡献了巨大的贡献，但他们是不可再生的资源，终究有消耗殆尽的一天。
31、同时，使用这些不可再生的资源对环境还会产生很大的污染，影响人类居住的环境。人类的目光开始瞄向了新能源和可再生能源，尤其是取之不尽用之不竭的太阳能，是解决以上两个问题的最好方案，成为人类最理想的清洁能源。早在上世纪，人类便开始研究如何利用太阳能，光伏科技也得到了不小的发展，并取得了长足的进步，逐步的应用于现代生活当中。光伏科技发展至今，人类已经发明出了许多种的太阳能电池，从电池材料看，主要的归类为一下几种2111晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池1是PVPHOTOVOLTAIC市场上的主要产品，其具有的优点是技术、工艺成熟，电池转换效率较高，性能比较稳定，是过去二十多年太阳研究、开发以及生产的主体材料
32、。缺点是生产成本高。为了改进电池性能,进一步提高效率，人们探索各种各样的电池结构和技术。如发射极钝化、背面局部扩散和双层减反射膜2等等，高效的电池是在这些理论基础和实验上发展起来的。2112化合物半导体薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池主要是铜锢硒CIS、铜锢稼硒CIGS、CDTE等。它们都是直接带隙的材料，隙带宽度3在116EV之间。太阳光谱响应特性表现出很好的特性，厚度只要几微米的材料就能吸收绝大部分的光能，是制作薄膜太阳电池的优选材料。2113染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池1991年瑞士GRATZEL教授以纳米多孔TIO2为半导体电极1，以RU络合物作敏化染料1，并选用I2/I3一氧
33、化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池简称DSC。DSC具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率4稳定在10以上。缺点是使用液体电解质，带来使用不便以及对环境影响。染料敏化TIO2纳米化学太阳能电池受到国内外科学家的重视。目前关于它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点。2114硅基薄膜太阳电池多晶硅PLOYSI薄膜和非晶硅ASI薄膜5太阳电池能够大幅度降低太阳电池价格。多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料6上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率也相对较16高。氢化7非晶硅薄膜具有以下优点它对光有较高的吸收系数8，活性层只有
34、1UM厚，材料的需求量大大减少，沉积温度9相对较低约200摄氏度，可直接在玻璃、塑料膜等廉价的衬底材料上沉积，大大提高了经济效益，电池的面积大，便于工业化的大规模生产。这也是硅基薄膜太阳能的突出优势。212多晶硅薄膜的制备方法及结构光电特性介绍2121薄膜的制备方法高质量的多晶硅薄膜材料一般具有较大的晶粒尺寸和较低的缺陷密度。为此常采用两步法制备，即先沉积非晶硅（ASI）薄膜，再经后续退火晶化。ASI薄膜的沉积工艺主要包括化学气相沉积10和物理气相沉积10两大类，其中物理气相沉积法，以磁控溅射为代表，因具有沉积的大面积薄膜均匀性好，溅射工艺易调控，而且不使用有毒气体等优点，已被广泛应用于薄膜晶
35、体管及薄膜太阳电池中硅薄膜的制备。并且利用磁控溅射沉积硅薄膜，通过合理调控溅射参数，有望得到具有较低晶化核心密度和缺陷密度11的ASI薄膜。而后续晶化工艺方式一般包括固相晶化、金属诱导晶化、激光晶化等。其中激光晶化由于晶化面积小而不适合大规模生产，因此德国CSGSOLAR公司和HMI研究小组采用的是铝（AL）诱导或固相晶化法12。AL诱导晶化法虽然在制备大晶粒尺寸的多晶硅薄膜上有一定优势，但在薄膜体内或表面会残留一定量的AL，从而限制电池性能的提高；固相晶化法通常采用常规炉退火13CFA，这种方法虽可避免金属杂质的污染，但需要几十小时长时间退火，热成本较高。快速热退火（RTA）14是一种新型的
36、退火方式，它采用卤素钨灯照射样品。相比CFA，RTA即提供热能，又有高能量的光子。研究者发现RTA700OC/4MIN就能使ASI薄膜完全晶化，而且晶粒尺寸不受薄膜厚度限制；为了减少光热退火对玻璃衬底的损伤，采用多周期循环退火，发现也能有效晶化ASI薄膜；进一步，研究者采用多周期脉冲RTA退火来优化退火工艺，从而提高薄膜性能。2122薄膜的光电性能介绍多晶硅薄膜作为光的吸收层，在其内产生光生载流子，并在内电场作用下，载流子发生分离，并向两端扩散14。电学性能的优良是判断多晶硅薄膜质量的重要指标之一。我们可以从前人的研究中知道晶化后的薄膜的电导率比未晶化的电导率提高了23个数量级15，。多晶硅薄
37、膜都是有很多大小不一而且晶向不同的小晶粒组成，晶粒间界是晶粒之间原子无序排列组合的过度区16。经过固相晶化后，本征硅薄膜的电导率大幅上升。退火使温度增大，结晶度提高，电导率也自然的提高了。吸收系数和光学带隙是最重要的光学性能，非晶硅薄膜的电子带跃迁几率与半导体相似17。而多晶硅，由于其结构的特殊性使其具有特定的优势，吸收系数的趋势与非晶硅薄膜基本一致，但是吸收系数比非晶硅低。我们知道，对于非晶硅薄膜，只有约1的掺杂原子真正在薄膜中起电学活性，重掺P17型（掺硼）或重掺N型（掺磷）的电导率只有105S/CM数量级。对于纳米硅薄膜或微晶硅薄膜，电导率可以提高至101S/CM数量级，掺杂效率大大提升
38、。213多晶硅薄膜沉积衬底介绍一般来讲，可采用石墨、氧化铝、晶体硅、玻璃（GLASS）等作为衬底15材料。虽然前三者材料允许较高的工作温度，有利于制备较高质量的硅薄膜，但是从降低成本和便于产业化的角度而言，廉价玻璃是首选。进一步地，基于优化电池结构、提高电池光电转换效率的考虑，一般选用包覆薄膜18的玻璃。掺铝氧化锌（AZO）19薄膜因具备高电导率和透过率可以作为电极材料、同时易于制备绒面结构可以起陷光作用等优点，成为包覆层材料的最佳选择之一。多晶硅薄膜太阳电池研究至今，包覆薄膜的玻璃已被认为是衬底材料的最佳选择。从提高电池光电转换效率、简化电池组装工艺的角度出发，希望这一包覆层能起阻挡杂质扩散
39、12，减反射、作为电极材料等多方面作用。因此，选择合理的包覆层作为沉积多晶硅薄膜的衬底材料十分关键。基于已有的研究结果，目前选用较多的是氮化硅（SIN）、二氧化硅（SIO2）、以及透明导电氧化物（TCO）。采用SIN或SIO2薄膜作为包覆层，可以具有阻挡杂质扩散和减反射18的作用。全球首个多晶硅薄膜太阳电池生产商，德国CSGSOLAR公司就选用SIN/GLASS作为衬底材料4，以GLASS/SIN/PNN或NPPSI/AL为电池结构单元，在94CM2上得到104的电池组件效率。但SIN的绝缘性增加了电池组装工艺的复杂度。为此，德国HELMHOLTZ研究中心提出用AZO薄膜取代SIN薄膜作为包覆
40、层。采用AZO/GLASS衬底材料主要具有两大优点4首先，研究表明AZO薄膜在电池制备的热退火工艺中光电性能不会受很大影响，因此可以作为电池前电极，大大简化电池组装工艺；其次，绒面结构的AZO薄膜可以通过化学气相沉积法直接制备，也可以通过磁控溅射结合干法或湿法腐蚀19制备，绒面AZO薄膜可以起陷光作用。可见，AZO/GLASS作为沉积多晶硅薄膜的衬底材料具有广泛的应用前景，因此，探索AZO/GLASS衬底上高质量多晶硅薄膜的制备工艺，并揭示其机理，对提高多晶硅薄膜太阳电池的效率具有重要的指导意义。214本文的研究意义与内容研究意义在现代新能源的开发和应用中，太阳能成为了首选的清洁能源。在利用太
41、阳能的研究中，研发和生产硅基薄膜太阳电池是光伏产业的关注热点。当前商用化的非晶硅薄膜太阳电池，受光诱导衰减及自身薄膜性能的限制，电池稳定效率不高。而多晶硅薄膜太阳电池，兼顾晶体硅高性能及薄膜硅低成本的优点，已成为硅基薄膜太阳电池发展的重要方向之一4。目前多晶硅薄膜太阳电池的研发尚处于初级阶段，选择合适的衬底材料和制备高质18量的多晶硅薄膜是最为关注的两方面。而多晶硅薄膜太阳电池仍处于前期阶段，未来发展前景广阔。因此，开展制备多晶硅薄膜的机理研究并有所突破，在新能源领域取得技术优势，不仅可为我国光伏产业的发展奠定基础，而且可对全人类的太阳能产业发展起巨大的推动作用。课题研究的内容A探究溅射温度、
42、时间对ASI薄膜特性（生长速度、粗糙度、折射率）影响。B探究衬底结构对ASI薄膜特性（生长速度、粗糙度、折射率）影响。C非晶硅薄膜晶化行为研究（RTA退火的晶化行为和多晶硅薄膜的微观结构）。1922实验过程以及实验主要设备221实验过程首先是衬底的准备，选取石英玻璃和在包覆有掺铝氧化锌（AZO）薄膜的玻璃作为衬底，同时准备好浓度为05的HCL溶液，并将AZO薄膜腐蚀40秒。然后以标准工艺（丙酮超声15MIN、以及去离子水超声10MIN）对以上三种衬底进行清洗，采用国产JCP350M3磁控溅射镀膜机设备沉积本征ASI薄膜样品。固定的溅射参数如下溅射功率为280W，衬底偏压为100V，通AR作为溅
43、射腔体内的保护气，并控制气流量为6SCCM，保持腔体内气压为03PA。通过调控溅射温度和溅射时间制备出6组实验样品，分别是溅射温度为300OC、溅射时间为10分钟30分钟70分钟的三组薄膜，和溅射时间为75MIN溅射温度为27OC，200OC，300OC的三组薄膜。再选取溅射时间为75MIN溅射温度为300OC的薄膜样品进行快速热退火处理（RTA）晶化薄膜。并且通过调控850OC、900OC、1000OC三种不同退火温度的实验下，来观察退火温度对薄膜晶化行为的影响。同时实验过程中分别检测各组样品的性能用椭偏仪来测量薄膜的厚度，以及薄膜的折射率，用原子力显微镜测量薄膜表面形貌以及粗糙度，和X射线
44、衍射仪测试薄膜的晶化行为和晶化效果等，用透射电子显微镜来表征薄膜的微观形貌。222实验主要设备2221磁控溅射镀膜机基本原理溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体（成为靶）表面使其中的原子发射出来。磁控溅射技术是在普通直流射频溅射技术的基础上发展起来的。早期的直流射频溅射技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的。但这种溅射技术的成膜速率较低，工作气压高210PA。为了提高成膜速率和降低工作气压，在靶材的背面加上了磁场，这就是最初的磁控溅射技术。它是通过施加磁场改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。磁控溅射具有沉积速度低，沉积速率
45、高17两大特点。磁控溅射法在阴极位极区加上与电场垂直的磁场后，电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，其轨迹是一圆滚线，这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，同时，电子又被约束在靶表面附近，不会达到阴（阳）极，从而减小了电子对基片的轰击，降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高。2222快速热退火炉快速热退火炉是以卤素灯作为退火的光源和热源，以氮气作为炉内的保护气，将实验ASIH样品的薄膜，放在退火炉中的托盘上。经过设定用退火炉中的卤素灯产生光照，快速加热炉内温度。同时使退火炉中保持正常的大气压，这样能使炉内温度迅速上升，能够达20到100
46、200OC/S。控制系统可以接受测温热电偶在托盘底部测出的温度信号，并且控制卤素灯的电流大小，来达到控制炉内温度的作用。2223光谱椭偏仪图21M2000DI光谱型椭偏仪SPECTROSCOPICELLIPSOMETER原理光谱椭偏仪是一种探测薄膜厚度、光学常数等特性的光学测量设备。许多材料特性都能用它来测量，其中最常用的作用是测量薄膜厚度。通常椭偏仪的斜角角范围是55到80。这样在探测材料是时候可以提供最好的灵敏度。每层介质的折射率可以用一个复函数8来表示NNJK。N成为折射率，而K为消光系数8。这两个系数用来描述入射光如何与材料作用，通常称他们为光学常数。尽管这个值是依据波长、温度等系数1
47、3变化而随之改变的，当待测样品周围是空气环境时，N0的值一般取为10。单层厚度的测量是椭偏仪最普遍的应用，波长的范围和仪器的带宽决定了它最大的测量厚度，红外椭偏可以测量的最大厚度为50UM，使用波长越长，导致越宽的干涉振荡。薄膜厚度测量使用多光干涉的原理，穿过膜的光月与膜层上反射的光束相互作用，不同部分的光有着不同的相位，这和光程差有关，多光束干涉的结果由波长（产生了不同熟读）和入射角（产生光程差）决定，通过分析得到干涉的图样，可以测出薄膜的厚度。当有一部分光能够穿透物体达到薄膜地步并且返回到表面的时候才能收到薄膜厚度的信息，如果发出21的光被吸收或者散射，厚度的信息就消失了。对于多层膜厚度的
48、测量，多层膜的厚度通常由一个堆叠的效果17决定，此中情况，需要测量入射光的多个入射角角度，不同的入射角会导致穿过膜层时候有光程差。通过光程差，可以收到每个膜层的厚度信息，利用多个不同入射角的情况下的数据，以及多层膜堆叠的光学模型来测算出每层膜的膜厚。2224X射线衍射仪XRD是研究材料的物相组成、晶体的结构类型和晶体学数据的重要方法之一，被广泛地应用在物质的结构分析之中。其基本原理是将一束电子在高压下加速，使其轰击一金属靶。高能电子使靶中原子的内壳层电子（K电子）激发，处在外轨道上的电子便会跃迁到该电子原先所处的轨道，同时辐射出特征X射线。经滤波之后的X射线照射在样品上，当X射线的波长和样品晶
49、面间距20相近时便会发生衍射，即满足布拉格衍射条件212DSINN，便会产生衍射极大，也就决定衍射峰的峰位21。因此，每种晶体所产生的衍射花样22都反映出晶体内部的原子分布规律。概括地讲，一个衍射花样的特征可以认为由两个方面组成，一方面是衍射线在空间的分布规律（称为衍射几何），另一方面是衍射线束的强度23。衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定的，而衍射线的强度20则取决于原子在晶胞中的位置、数量和种类。我们可以通过X射线衍射峰的位置（值）和衍射图样并结合X射线衍射卡片来确定样品的晶体结构和晶格常数22。另外，利用XRD衍射谱可确定晶粒尺寸。当晶粒尺寸小于104CM时，其衍射峰的宽度随晶粒尺寸的变小而宽化显著。其晶粒大小常用SCHERRER公式估计23DHKLK/B1/2COS,式中DHKL晶粒大小（沿晶面垂直方向），K是SCHERRER常数（数值089），X射线波长，B1/2半峰宽度（FWHM），单位弧度，布拉格角。精确的误差计算很困难的，因为有多种因素如仪器光路，试样的吸收效应和结构状况等会影响衍射强度及其线性。光路计算表明，衍射线剖面额外宽化小于004，如此程度的额外宽化足以限制可分析极限23。如果将01作为半高宽度带入SHERRER公式，算得晶粒尺寸约为100NM，不可能得到较高的准确度。于是可知，平均晶粒尺寸（小于30NM）
