pin型非晶硅太阳能电池的制备与特性的研究_

薄膜制备的步骤如下：

①由于制备pin型非晶硅薄膜太阳能电池a-Si:H薄膜所用的气体SiH4、PH3

和B

3H

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气体都具有危险性，因此在进行实验之前要先进行气体安全性检查；

②将保存在去离子水中的基片取出，用N2气将其吹干，然后将基片放在基片

架上并作相应的固定处理；

③将装有基片的基片架通过送样室送入反应室，对送样室、反应室以及出样室分别抽真空，并根据预先制定的沉积条件对基片架加热；

④为了保证基片温度达到预定的温度，需要保温3~5小时，然后打开控制电调节气体压强、气体流量等参数，开始通入气体；

⑤气体供应按照“先通入普氮清洗，后通入氩气清洗，再通入工作气体”的原则进行；

⑥通入反应气体时，打开射频电源，并调整射频功率至需要的数值，开始镀膜；

⑦沉膜结束后，关闭SiH4、PH3 和B3H6气阀，并通入Ar气和N2气清洗气路，排尽系统中的反应气体，以确保安全；

⑧气路清洗完毕以后，将基片架送入出样室，并待其温度降到室温后，去除真空取出室外。

4.4 p、n层材料的制备及工艺选择

p、n层的作用:p、n层作为电池内建电场产生的来源，对pin单结太阳能电池的性能有着重要的影响。理论认为带尾态的复合对pin结构太阳电池的开压起着基本的限制作用，电池的开压有i层的电子和空穴费米能级差来决定。我们可以通过改变p型层结构和组成来提高电池的开压，并且影响i层光生载流子的收集，从而直接影响电池的填充因子和转换效率。作为掺杂层，要求p、n层重掺杂与电极形成良好的欧姆接触外，p在pin结构电池中，p是受光面，要求比较严格一些，不仅要有比较高的电导率，还要有高的光透射率，一般膜厚只需要20nm左右，沉积时间一般在几分钟到十几分钟左右。层材料还要有高的光学带隙，以增大内建电势，减小串联电阻，允许更多的太阳光透过它进入i层有源层，为此，p层选用了p型硼掺杂a-Si:H材料作为电池的窗口层。

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4.4.1 衬底温度对p 型硅薄膜材料带隙影响

实验：在PECVD 系统中制备p 型硅薄膜材料和电池。P 层材料的制备条件为，硼掺杂浓度：B 2H 6/SiH 4=0.03，反应气压 60pa ，射频功率：15w ，由于温度高于200℃，衬底和薄膜热膨胀系数存在较大的差异，沉积出的薄膜存在应力问题，故我们选择在较底温度下制备存在薄膜衬底温度选择：40℃ 60℃ 80℃ 100℃ 120℃ 140℃ 160℃，气体流量40ccm，反应气体温度均为常温下。以普通玻璃为衬底，利用椭圆偏振仪器进行测量拟合，对其透射普计算得到薄膜厚度和光学禁带宽度E opt

。

图4-5 p 层光学带隙随温度的变化曲线

结果分析：p 型膜的光学带隙随温度变化的曲线如图4-5所示，随着温度的升高，光学带隙呈先上升后下降趋势，分析原因，这是由于在温度太低时候，气体分子不能充分分解，硼烷不能够有效掺杂，影响光学带隙的宽度。随着温度的升高，硼烷掺杂度增大，光学带隙也随着增大在80℃时候，达到最大值。。随着温度的进一步增大，反应加强，反应粒子的能量增大，薄膜微晶化程度增大,薄膜的晶粒尺寸较大，从而决定了带隙较低[39]。导致了pn 结内建电场的减小，相应电池的开路电压也随应减小。

4.4.2 非晶硅薄膜太阳能电池N层磷掺杂a-Si:H薄膜制备与表征

与p，i层相比较，pin电池的底层n层对电池性能的影响相对要小一点，一般要求其重掺杂，要求要有低的暗电阻率，一方面与i层形成较高的势垒，另一方面与金属电极(铝电极)形成良好的欧姆接触。薄膜的电学性能很大程度上依赖于PECVD工艺参数。因此，将研究PECVD工艺参数对a-Si:H薄膜电阻率的影响，实验中选择PH3/SiH4=0.05气体和纯硅烷气体，利用霍尔效应对材料的电阻率进行测试。

1）衬底温度对电阻率的影响

实验研究发现（图4-6）：磷掺杂氢化非晶硅薄膜电阻率从基片温度为40℃时的1×107Ω·cm，下降到250℃时的4.6×102Ω·cm，变化了将近5个数量级。

图4-6衬底温度对a-Si:H薄膜电阻率的影响

P.Danesh等人[39]研究表明，a-Si:H薄膜在生长过程中结构的优劣取决于“非晶网络的初始化有序性”（initial ordering of the amorphous network），而这种非晶网络的初始结构是由基片温度的高低决定的。基片温度较低时,非晶网络初始结构较差，进一步生长的薄膜既有中程结构,又有短程结构；当基片温度较高时，“非晶网络的初始化有序性”较好，进一步生长的薄膜是以中程结构为主的，这使得薄膜的结构得到了一定程度的改善。a-Si:H薄膜的中程结构得到改善以后，其缺陷态密度将会降低。

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在低的衬底温度下，被吸附在生长表面的活性基团的活动能力较小，因而已被吸收的SiH3基团的放H环境较差，生成的氢化非晶硅薄膜以多H化合物组态为主，且所占比例甚大。当衬底温度升高后，随着吸附基团活动能力的增强，放H 环境得到改善，多H组态转化成单H组态。同时，高的衬底温度有助于加速薄膜中的释H反应，改善薄膜的结构。随着衬底温度的升高，薄膜中的H含量减少，这是因为多H化合物减少的缘故。另外，提高基片温度，还可以提高薄膜生长表面的活性，使得表面H原子的活性增加，有利于H的扩散和逸出，从而降低薄膜中的含H量和改善薄膜的微结构。

2）射频功率对电阻率的影响

图4-7射频功率对a-Si:H薄膜电阻率的影响

图4-7给出了射频功率对氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜电阻率的影响曲线。研究发现，薄膜电阻率随射频功率的增加而增大。当射频功率为5W时，薄膜电阻率约为ρ=1×102Ω·cm；而当射频功率上升到15W时，薄膜电阻率增加到约ρ=3.8×102Ω·cm；射频功率超过25W后，薄膜电阻率增加速率加快，在30W时达到ρ=6.2×102Ω·cm。增大射频功率，SiH3、SiH2等基团的浓度也会随之增加。多H基团沉积到薄膜中，会增加薄膜的缺陷态密度，从而使得薄膜的导电性能减弱。当功率增加到25W以上时，SiH2累积到一定的浓度，有可能发的聚合反应，导致形成“粉末”并沉积到薄膜中，降低薄膜的质量，使其电阻率进一步升高。此外，提高射频功率还有可能使电子温度升高，当高能电子轰击衬底表面时，增加材料中

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