多孔硅的制備、性能及層轉移技術制備晶硅薄膜太陽電池.pdf

1、近幾年經(jīng)濟和人口的迅速增長一方面加劇了常規(guī)能源的短缺，另一方面也帶來了環(huán)境保護的壓力，因此，太陽電池光伏發(fā)電日益受到重視。然而，和傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽電池光伏發(fā)電成本仍然非常高。這其中硅片本身的成本占了相當大的比重，而且想進一步地降低硅片厚度已經(jīng)非常困難。最有效的解決辦法就是采取由原料直接到太陽電池的工藝方法，也就是采用薄膜太陽電池技術。硅基薄膜太陽電池具有原料儲量豐富，技術成熟，光電性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因而成為當前研究的熱點。目前，非晶

2、硅薄膜太陽電池雖然成本較低，但其存在光致衰退效應的問題；多晶硅薄膜太陽電池不但具有晶體硅太陽電池性能高的優(yōu)點，而且沒有光致衰退效應，其面臨的主要問題是效率較低，而要提高效率主要通過改進多晶硅薄膜的質量。薄膜層轉移工藝可以說為發(fā)展高效晶硅薄膜太陽電池開辟了一條新道路。薄膜層轉移工藝主要通過多孔硅材料。基于此，本文本著制備高效硅基薄膜太陽電池的目的，對多孔硅層轉移技術的材料制備、性能及器件制備工藝等進行了深入的研究。
　　 本文通過

3、電化學腐蝕(陽極氧化)的方法分別制備了不同孔隙率的多孔硅樣品，通過原子力顯微鏡和掃描電鏡等對多孔硅材料的一些基本性能作了深入探討，討論分析了多孔硅的形成機理，系統(tǒng)研究了陽極氧化條件對多孔硅微結構、性能和表面形貌等的影響，主要包括：多孔硅膜層表面以及斷面形貌的分析、多孔硅層的化學組成成分分析、腐蝕電流密度和腐蝕時間對多孔硅孔隙率和多孔硅層厚度的影響等。通過實驗發(fā)現(xiàn)：多孔硅層孔洞分布均勻，孔徑尺寸在50nm范圍內；多孔硅的孔隙率和厚度都有隨

4、著腐蝕電流密度的增大和腐蝕時間的延長先增加后降低的趨勢。研究結果為多孔硅襯底上材料的生長以及光電性能的研究提供了良好的實驗依據(jù)。為了進一步對多孔硅的微結構進行研究，本文選擇氧化鋅對多孔硅表面進行修飾，分別采用磁控濺射法和溶膠-凝膠法在多孔硅襯底的表面制備了一層納米氧化鋅薄膜。X射線衍射(XRD)結果表明，兩種方法制備的氧化鋅薄膜均屬于六角纖鋅礦結構，并都具有(002)高度擇優(yōu)取向。光致發(fā)光譜(PL)分析還發(fā)現(xiàn)，多孔硅與氧化鋅復合后，分別

5、在380 nm(紫外)、510nm(綠光)和750nm(紅光)處具有強烈的光致發(fā)光現(xiàn)象。通過比較原生多孔硅與多孔硅/氧化鋅復合后的熒光光譜的差異，并結合其表面形貌的變化，本文探討了多孔硅的發(fā)光機制和其特殊結構對提高氧化鋅的結晶性能的作用機制。
　　 本文采用堿溶液各向異性腐蝕的方法在單晶硅表面制備了金字塔絨面，制備的硅片樣品絨面反射率為11.7％。隨后通過兩步電化學腐蝕的方法分別在鏡面單晶硅片和制絨后的單晶硅片上腐蝕了雙層結構的

6、多孔硅襯底，上層多孔硅的孔隙率低于20％，下層多孔硅的孔隙率大于50％。將兩種雙層多孔硅樣品在H2保護下高溫1050℃退火30min，使得多孔硅表面的小孔發(fā)生閉合后恢復為準單晶結構。這種準單晶結構是外延硅膜理想的籽晶層。外延晶硅膜質量的好壞主要取決于多孔硅上層的小孔層經(jīng)過退火工藝后的閉合情況。為了研究多孔硅在高溫退火過程中的形貌和結構變化，本文借用傳統(tǒng)的晶體生長中的均勻形核理論對多孔硅在高溫退火過程中存在的臨界半徑值進行定性分析，并從熱

7、力學角度對多孔硅在高溫退火過程中結構變化的微觀機制進行描述。實驗和理論分析的結果均表明，在高溫退火過程中，多孔硅存在一個臨界半徑值，當孔徑初始值大于此臨界值時，孔會進一步擴展，而當孔徑初始值小于此臨界值時，則會發(fā)生收縮，直至閉合。
　　 本文采用低壓化學氣相沉積的方法分別在退火后的鏡面和織構化的雙層多孔硅襯底上進行晶硅薄膜的外延。通過掃描電鏡、XRD和拉曼譜等，對低壓化學氣相沉積(LPCVD)在雙層多孔硅上沉積晶硅薄膜的結晶質量

8、做了系統(tǒng)研究。分析了不同村底、不同沉積溫度等工藝參數(shù)對晶硅薄膜結晶性能的影響，優(yōu)化了外延條件，為后續(xù)太陽電池器件的制備提供了基礎。從掃描電鏡圖片可以看出，外延薄膜厚度約為6μm，并且很好地復制了織構化多孔硅襯底的金字塔形貌；XRD的測試結果表明，外延的晶硅薄膜具有高度的擇優(yōu)取向，拉曼光譜表明其結晶性能接近單晶硅。這說明多孔硅表面經(jīng)過退火處理后恢復為準單晶層，對硅薄膜的外延具有很好的誘導作用。
　　 本文通過多孔硅層轉移技術成功地