柔性多晶硅薄膜制备及性质分析

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随着全球能源危机和能源冲突的日益逼近,可持续发展的可再生能源特别是太阳能正在改变全球的能源格局和来源。应用于太阳能光伏发电的各类太阳电池中,多晶硅薄膜太阳电池因成本低、消耗低、稳定性高,同时可借鉴硅薄膜微电子器件的成熟工艺,而受到广泛关注。常规的多晶硅薄膜太阳电池大多制备在不锈钢、玻璃、石墨等廉价衬底上,必需加工成坚硬的板块状太阳电池,这一弊端限制了多晶硅薄膜太阳电池的广泛应用。柔性多晶硅薄膜太阳电池将多晶硅薄膜制备在柔性衬底材料上,重量轻,不易破碎,最重要的是可折叠、卷曲,易于大面积生产,具有重要的科学意义和应用前景。而高质量柔性多晶硅薄膜的制备,成为了提高柔性多晶硅薄膜太阳电池光电转换效率的关键。基于石墨的优异性能,本文采用耐高温、热膨胀系数与硅相近、可卷曲等独具优势的柔性石墨纸作为柔性多晶硅薄膜太阳电池的衬底材料。同时,柔性石墨纸衬底与柔性多晶硅薄膜存在热膨胀系数及晶格常数不匹配的问题,因此,基于柔性石墨纸衬底的非晶硅薄膜晶化后形成的柔性多晶硅薄膜籽晶层,可对后续沉积生长多晶硅薄膜的特性有关键性作用,同时籽晶层能够阻止衬底杂质扩散,起到阻挡层的作用。本文在柔性石墨纸衬底上,利用磁控溅射技术(MSC)、快速热退火技术(RTA)、以及对流辅助化学气相沉积技术(CoCVD)制备柔性多晶硅薄膜,以及引入ZnO过渡层的柔性多晶硅薄膜。本文系统研究了RTA技术对柔性多晶硅薄膜结晶情况的影响;以及研究了引入ZnO过渡层后对柔性多晶硅薄膜择优取向、结晶程度的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman Spectra)及微波反射光电导衰减谱(μ-PCD)对柔性多晶硅薄膜的结构性质进行表征与分析,取得的主要成果如下:1.在柔性石墨纸衬底上,利用MSC和RTA技术,制备出了柔性多晶硅薄膜籽晶层样品。首先,在柔性石墨纸衬底上,采用MSC技术直接沉积制备硅薄膜样品,XRD和Raman测试表明,直接沉积制备的样品为非晶态。利用RTA技术对其晶化后,样品由非晶态转为多晶态。同时,直接沉积制备的柔性多晶硅薄膜籽晶层具有高度(220)择优取向。2.在柔性多晶硅薄膜籽晶层上,利用CoCVD技术,沉积制备出了柔性多晶硅薄膜样品。SEM、XRD和Raman测试表明,利用CoCVD技术外延沉积的柔性多晶硅薄膜结晶质量良好,且具有高度(220)择优取向。同时,本文对柔性多晶硅薄膜具有(220)择优取向的成因进行了分析。3.本文在柔性石墨纸衬底与硅薄膜之间引入了ZnO过渡层,可作为杂质扩散阻挡层。在柔性石墨纸衬底上,首先利用MSC技术先制备ZnO过渡层,再制备非晶硅薄膜层,然后通过RTA技术、CoCVD技术制备柔性多晶硅薄膜样品。SEM、XRD和Raman测试表明,引入ZnO过渡层后制备的柔性多晶硅薄膜结晶质量良好,且具有高度(400)择优取向。(400)择优取向的转变有利于后续柔性多晶硅薄膜太阳电池的制作。同时,对引入ZnO过渡层后柔性多晶硅薄膜具有(400)择优取向的成因进行了分析。4.根据SEM、XRD和Raman表征分析,比较未引入ZnO过渡层的柔性多晶硅薄膜,引入ZnO过渡层后可提高柔性多晶硅薄膜的结晶质量。同时,μ-PCD谱表明引入ZnO过渡层后可提高柔性多晶硅薄膜少子寿命的均匀性。
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