大晶粒多晶Si薄膜的结构特征与光电特性

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本工作采用高频感应化学气相淀积(HFCVD)技术,以SiH4为反应气体源,在石英衬底表面上制备了大晶粒多晶硅(pc-Si)薄膜。实验研究了衬底温度、反应压强和SiH4浓度等工艺参数对HFCVD生长pc-Si薄膜的晶粒尺寸和光学性质的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线单晶衍射(XRD)和Raman光谱等技术手段,对pc-Si薄膜的结构特性进行了分析表征。利用紫外分光光度计和霍尔测试仪测试了pc-Si薄膜的光电特性。初步探讨了HFCVD原位掺杂生长中掺硼(B)浓度对pc-Si薄膜光电特性的影响。结果指出,pc-Si薄膜的晶粒尺寸随衬底温度、反应压强、SiH4浓度和掺B浓度的增加呈现不同的变化趋势。在衬底温度为1000℃,反应压强为200Torr,掺杂浓度为0.83%(Si:B=1000:8.3)条件下,得到晶粒尺寸为2.5μm、光学带隙为~1.55eV的pc-Si薄膜。实验还发现,pc-Si薄膜随B掺杂浓度的增加而变厚,薄膜的结晶程度则随掺杂浓度的增加呈现先增大后减小的趋势。在B浓度较低时,薄膜晶粒尺寸会随掺杂浓度的增加而增大.当浓度增加到一定值时,晶粒尺寸大小将不再发生变化。定性分析认为,这种现象与B原子在薄膜生长过程中对衬底表面发生的H2解吸的促进作用有关。B的掺入会降低H2解吸势垒,促进衬底表面H的解吸过程,从而增加了薄膜的淀积速率,并导致薄膜晶粒尺寸的变化。利用所制备的大晶粒pc-Si薄膜设计了nc-Si:H/pc-Si异质结,并测试了该异质结在暗室和光照条件下的I-V特性。结果表明,异质结的界面态显著影响异质结光生电流的大小。而随着退火后样品界面态密度的降低,异质结的光生电流明显提高。在面积为0.25cm2的石英衬底上获得了nc-Si:H/pc-Si异质结的光伏参数为:短路电流Isc=25.2mA,开路电压Voc=250mV,填充因子FF=55.4%。
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