摘要：在相同氫稀釋硅烷濃度和相同的其它沉積參數(shù)情況下，在電池和玻璃上本征材料晶化程度不同，微結(jié)構(gòu)有差別。硅烷濃度SC=8%～ 2%區(qū)間采用提高氫稀釋硅烷濃度的方法沉積非晶硅，可使材料的有序度提高。本征層材料硅烷濃度SC=6%的電池在沉積時(shí)隨著襯底溫度的增高，電池的開(kāi)路電壓逐漸減?。浑姵氐奶畛湟蜃与S著本征層壓力的增大也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，開(kāi)路電壓隨著沉積壓力的增大又逐漸降低。

關(guān)鍵詞：非晶硅 微晶硅 SC

▲▲ 一、引言

對(duì)于非晶硅材料的光致衰退效應(yīng)(Stabler-Wronski效應(yīng))的機(jī)理，雖然國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但總的看法是，由于非晶硅材料是一種長(zhǎng)程無(wú)序的材料，內(nèi)部存在很多弱Si-Si鍵和其他的缺陷態(tài)，光照導(dǎo)致在帶隙中產(chǎn)生新的懸掛鍵缺陷態(tài)（深能級(jí)），這種缺陷態(tài)會(huì)影響系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)EF，使EF下移（對(duì)本征和n型樣品），從而使電子分布發(fā)生變化，一方面使電導(dǎo)發(fā)生變化，另一方面使電子的復(fù)合截面增大，降低了發(fā)光效率[1]。

由此可見(jiàn)，提高非晶硅材料的有序性有利于減少內(nèi)部的缺陷態(tài)，從而提高非晶硅薄膜材料的穩(wěn)定性。但是由于非晶材料的長(zhǎng)程無(wú)序的特性，簡(jiǎn)約波矢k不再是很好的量子數(shù)，電子的躍遷不用遵守動(dòng)量守恒定則，也沒(méi)有“直接躍遷”和“間接躍遷”之分，這使非晶硅材料的光吸收吸收比單晶硅材料有很大的提高[2]。如果過(guò)份的提高非晶硅的有序度，選擇定則的作用增強(qiáng)，就會(huì)使材料失去很多非晶硅材料特有的特性，如高光吸收和高光敏性等。當(dāng)前國(guó)際上一個(gè)研究熱點(diǎn)是在非晶硅和微晶硅之間的相變區(qū)沉積非晶硅材料，在微晶化開(kāi)始的地方沉積非晶硅薄膜。

▲▲ 二、實(shí)驗(yàn)

樣品是在七室連續(xù)沉積rf－PECVD的設(shè)備中制備。為使樣品制備的初始條件一致，我們?cè)O(shè)定每次實(shí)驗(yàn)時(shí)沉積室的真空度、沉積室的加熱時(shí)間等都保持一致。實(shí)驗(yàn)分三組沉積，分別研究本征層溫度、反應(yīng)氣體壓力、輝光功率等因素對(duì)電池性能的影響。各組沉積條件都是只改變本征層溫度、反應(yīng)氣體壓力、輝光功率，而固定其他電池沉積條件不變。

▲▲ 三、結(jié)果與討論

1.本征層硅烷濃度對(duì)非晶硅電池性能的影響

為研究本征層硅烷濃度對(duì)非晶硅電池的影響，在實(shí)驗(yàn)中所作樣品的p層為p型a-SiC:H，n層為n型a-Si:H，電池本征層的襯底溫度150℃，只改變的本征層硅烷濃度SC，對(duì)電池開(kāi)路電壓的測(cè)試結(jié)果如圖3.1所示。

從圖中可以看出非晶硅電池的開(kāi)路電壓的變化趨勢(shì)：本組非晶硅電池樣品的開(kāi)路電壓在硅烷濃度SC=8%～ 2%區(qū)間的變化不大，在0.01V左右，在SC=2%時(shí)達(dá)到最大；非晶硅電池在硅烷濃度SC=2%～1%時(shí)，開(kāi)路電壓從0.9V突降0.66V，此處即為J.Yang等人認(rèn)為的非晶硅/微晶硅相變區(qū)[3]。

接下來(lái)又對(duì)本組部分非晶硅電池樣品做了Raman譜分析，其Raman譜如圖3.2所示。從圖中可以看出，硅烷濃度SC=4%、5%、6%的樣品的Raman譜峰值均在480cm-1處，具有典型的非晶硅特征。硅烷濃度SC=2%、3%的樣品的Raman譜峰值已經(jīng)從480cm-1處向520cm-1處移動(dòng)，因此電池樣品的微結(jié)構(gòu)已經(jīng)變化。硅烷濃度SC=1%樣品的Raman譜峰值在480cm-1處和520cm-1處都有峰值，說(shuō)明電池已經(jīng)有明顯的微晶粒成分，所以對(duì)照?qǐng)D3.1中電池開(kāi)壓在SC=2%到1%時(shí)突變。

對(duì)上面部分電池樣品相同本征層沉積條件在corning玻璃上沉積同一系列本征材料，并對(duì)該系列樣品進(jìn)行Raman譜分析，其結(jié)果示于圖3.3中。從圖中可以看出：SC＝8%的樣品拉曼峰位在480cm-1附近，說(shuō)明樣品中基本是非晶硅組分。隨SC的減小SC=6%的樣品的Raman峰已經(jīng)藍(lán)移，在SC=5%時(shí)譜線在520cm-1出現(xiàn)明顯“尖峰”。分析知道“尖峰”位置基本上在晶體硅的峰位520cm-1處。這說(shuō)明在5%的條件下，材料中微晶的成分已經(jīng)比較多，材料的有序性已經(jīng)大大提高。隨SC進(jìn)一步減小到4%時(shí)，520cm-1處尖峰強(qiáng)度變的更強(qiáng)，即材料晶化程度提高?？梢?jiàn)，隨硅烷濃度的減小，材料的有序度度逐步提高。

對(duì)照?qǐng)D3.1和圖3.3，可以看出：在玻璃襯底上本征層材料的非晶硅/微晶硅相變區(qū)在SC=6%~5%之間；而在電池上卻是在SC=2%~1%之間。所以在相同氫稀釋硅烷濃度和相同的其它沉積參數(shù)情況下，在電池和玻璃上本征材料晶化程度不同，微結(jié)構(gòu)有差別。即在不同襯底上，材料的非晶硅/微晶硅相變區(qū)不同。

2.本征層溫度對(duì)電池性能的影響

為了考查沉積本征層襯底溫度對(duì)非晶硅電池性能的影響，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：只改變沉積電池本征層的襯底溫度，固定制備電池的其它沉積參數(shù)不變，沉積溫度分別為150℃、162℃、175℃。本征層襯底溫度對(duì)非晶硅電池開(kāi)路電壓和填充因子影響的測(cè)試結(jié)果如圖3.4所示。從圖中看出：隨著電池樣品的本征層襯底溫度的升高，開(kāi)路電壓呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。其原因是本征層材料在低溫沉積時(shí)的光學(xué)帶隙較大，所以隨著襯底溫度的增高，電池的開(kāi)路電壓減??；而電池填充因子的變化不大，表明在該襯底溫度變化區(qū)間內(nèi)，襯底溫度對(duì)本征材料的質(zhì)量影響不大。

3.本征層沉積壓力對(duì)電池性能的影響

為了研究本征層沉積壓力對(duì)非晶硅電池的影響，做了如下實(shí)驗(yàn)：固定其它的電池沉積條件，只改變本征層的沉積壓力，結(jié)果示于圖3.5中所示。

從圖中可以看出，隨著本征層沉積壓力的從120Pa開(kāi)始增加起，電池的開(kāi)路電壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在140Pa達(dá)到最大，隨后開(kāi)路電壓然后隨著沉積壓力的增大又逐漸有所降低。電池的填充因子隨著本征層壓力的增大也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在130Pa達(dá)到最大，然后隨著沉積壓力的增加又有變小的趨勢(shì)。原因是：反應(yīng)氣壓小時(shí)離子轟擊強(qiáng)，成膜質(zhì)量較差；隨著氣壓的增加離子轟擊減弱，材料的缺陷減少，成膜質(zhì)量高；但是隨著壓力的增大，帶點(diǎn)粒子的自由程短，H離子的刻蝕作用減弱，易生成弱鍵和缺陷，造成成膜質(zhì)量的降低[4]。

4.本征層輝光功率對(duì)電池的影響

本征層輝光功率對(duì)材料性能有一定的影響。在這里固定電池其它沉積參數(shù)，考察本征層輝光功率對(duì)非晶硅電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)中使用本征層輝光功率分別為10W、12W和14W，結(jié)果如圖3.6所示。

從圖中可以看出，隨著本征層輝光饋入功率的增加電池的開(kāi)路電壓和填充因子都有不同程度的下降。原因可能是輝光饋入功率過(guò)大使得離子轟擊增強(qiáng)，造成薄膜中的不穩(wěn)定鍵和缺陷態(tài)增多，造成材料性能的下降，所以在一定條件下本征層小功率有助電池性能的提高[4]。

▲▲ 結(jié)論

可知通過(guò)提高非晶硅電池本征層硅烷氫稀釋的方法，使本征層的有序度提高，從而非晶硅電池的穩(wěn)定性得到改善。實(shí)驗(yàn)的氫稀釋穩(wěn)定非晶硅電池在一定條件下：本征層低溫度、適當(dāng)氣壓和輝光功率下，電池的開(kāi)路電壓和填充因子都優(yōu)化到最佳值。

參考文獻(xiàn):

[1]何宇亮，陳光華，張仿清，《非晶態(tài)半導(dǎo)體物理學(xué)》，高等教育出版社，1989

[2]羅晉生，戎靄倫， 《非晶半導(dǎo)體》，西安交通大學(xué)出版社，1986

[3] Jeffrey Yang， Kenneth Lord， et al. Status of Amorphous Silicon Alloy Solar Cells and Modules Made Near the Onset of Microcrystalline Proc. 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.， 15-22.Sept.2000， Anchorage， USA

[4]王光才 高效率高穩(wěn)定非晶硅基疊層太陽(yáng)電池的研究：[博士學(xué)位論文].天津：南開(kāi)大學(xué)，1996

（責(zé)任編輯：段玉）