基于SiF4/H2/Ar混合气体及电压波形调制技术的微晶硅薄膜材料的制备

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对于p-i-n型微晶硅薄膜太阳能电池,在保证整体性能的前提下,提升各层的沉积速度特别是吸收层尤为重要。本文采用射频-等离子体增强化学气相沉积工艺(RF-PECVD)针对SiF4/H2/Ar混合气体结合最新的电压波形调制(Tailored Voltage Waveform-TVW)技术系统研究了工艺参数对微晶硅薄膜沉积速率、晶化率以及生长机制的影响,并制备了性能优异的微晶硅薄膜太阳能电池。  实验结果表明氢气(H2)对于薄膜的沉积起到了至关重要的作用,它可与薄膜生长所需活性基团生成反应的衍生物氟(F)结合形成氟化氢(HF),从而保证薄膜沉积的持续进行。H2消耗水平与薄膜沉积速度呈正相关,而这个消耗水平会受到沉积功率的限制。薄膜沉积速率也会随Ar流量的增加而上升。反应气体温度的上升会阻止反应腔室内纳米颗粒的形成,从而导致薄膜沉积速率的下降。薄膜沉积速率会随反应气体密度n和电极距离d的乘积n*d的变化而变化,并会在特定n*d值时达到一个最优值。  采用TVW技术在沉积腔室内引入“电学不对称效应”(Electrical Asymmetry Effect-EAE),实现对到达衬底的离子流量和离子轰击能量的分离控制。在离子流量基本不变的情况下实现对等离子体电势Vpl,即最大离子轰击能量的连续调控。实验结果表明,微晶硅薄膜的生长机制与Vpl关系密切。当H+和Si+分别以高于~30eV和~70eV的能量轰击薄膜表面时会对薄膜的生长机制产生明显影响,生长过程中的两次相性转化都会因此被严重延迟。在较低Vpl条件下,薄膜生长均匀致密,而在较高Vpl条件下,微晶粒成核速率高于晶粒的生长速率,导致薄膜形成一种“花椰菜”状的生长方式。  吸收层在低Vpl条件下制备的电池的性能要优于同等条件下利用高 Vpl制备的电池,其性能差异主要来源于开路电压和填充因子的提升。结果表明,通过利用TVW技术可以有效的控制微晶硅薄膜及其太阳能电池器件的整体性能。
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