低温高速率沉积非晶硅薄膜及太阳电池

光电子・激光
第21卷第2期 2010年2月      Journal of Optoelectronics・Laser        Vol.21No.2 Feb.2010
低温高速率沉积非晶硅薄膜及太阳电池3
倪 牮,张建军33,王先宝,李林娜,侯国付,孙 建,耿新华,赵 颖
(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,天津300071)
杂货店里的老师
摘要:采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF2PECVD)技术,保持沉积温度在125℃制备非晶硅薄膜材料
太阳电池。在85Pa的低压下以及400~667Pa的高压下,改变S i H4浓度和辉光功率等沉积参数,对本征a2S i
材料的性能进行优化。结果表明,在高压下,合适的S i H4浓度和压力功率比可以使a2S i材料的光电特性得到
优化,并且薄膜的沉积速率得到一定程度的提高。采用低压低速和高压高速的沉积条件,在125℃的低温条件
相关系数矩阵下制备出效率为6.7%的单结a2S i电池,高压下本征层a2S i材料的沉积速率由0.06~0.08nm/s提高到0.17~
0.19nm/s。
关键词:非晶硅(a2S i)太阳电池;低温沉积;反应气压
中图分类号:O484  文献标识码:A  文章编号:100520086(2010)022*******
Low temperatu re and H igh d eposition rate fab ricating a2Si:H thin films and solar cells
NI Jian,ZHAN GJian2jun33,W AN G X ian2bao,LI Lin2na,HOU G uo2fu,SUN Jian,
GEN G X in2hua,ZHAO Y ing
(Institute of Photo2electronic Thin Film Devices and T echnique Nankai University,Tianjin300071,China)
Abstract:A series of amorphous silicon thin films and solar cells are fabricated by RF2PECVD at deposi2
tion temperature of T s=125℃.The properties of a2S i:H films are optimized through the variation of
power and silane concentration under low pressure(85Pa)and high pressure(400-667Pa).The results
show that under the high pressure conditions,the electrical and structural properties of a2S i:H films are
improved at proper silane concentration and pressure/power ratio(P g/P).At substrate temperature of
T s=125℃,the single junction a2S i:H solar cells with efficiency of6.7%and high deposition rate of
0.19nm/s are obtained.
K ey w ords:amorphous silicon solar cells;low temperature deposition;gas pressure
1 引 言
  塑料衬底S i基薄膜太阳电池具有重量轻、厚度薄、功率重量比高和可弯曲的优点,应用前景广阔[1,2]。如果将电池的制备温度降低到120℃左右,许多耐温性差但透明性好、廉价易得的光学塑料[3,4]都是很好的衬底选择,并且可以参照p2i2n型太阳电池的制备方法,与传统的设备和工艺有良好的兼容性,可以有效降低柔性S i基薄膜太阳电池的制备成本。
  大量研究表明[5~7],S i基薄膜材料及电池的最佳沉积温度为200~250℃。G anguly等人[8]认为,当衬底温度较低时,由于反应前驱物在衬底表面的扩散系数较低,导致前驱物的迁移能力较差,使非晶硅材料中的缺陷态密度增加。以Hishikawa 等[9]认为,主导a2S i材料性能的因素是衬底温度和沉积速率,前者决定了前驱物表面反应的速率,而后者决定了前驱物在衬底表面的停留时间,通过对沉积参数的调整,可以在80~100℃的低温下制备出高质量的a2S i材料,但此时薄膜的沉积速率过低,仅为0.017nm/s,不利于产业化的推广。
  高压射频等离子体增强化学气相沉积(RF2PECVD)技术是提高a2S i、μc2S i薄膜生长速率的有效手段[7,10],通过提高反应气压可以使等离子体内的粒子数密度增大,并且可以有效降低等离子体中的电子温度,使反应前驱物中短寿命基团的产生得到抑制,从而改善材料的光电性能。本文分别在低压(85Pa)和高压(400~667Pa)下,衬底温度保持125℃制备本征a2S i薄膜,在高压下对S i H4浓度和压力功率比进行综合调整,并与低压下不同S i H4浓度的a2S i材料性能进行对比,系统研究了低温下反应气压对a2S i材料及电池性能的影响。在低温、高沉积速率下,制备出了效率为6.7%的单结a2S i太阳电池。
①收稿日期:2009207205 修订日期:2009208227
 3 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA05Z422);国家“973”计划资助项目(2006
C B202602,2006C B202603);天津市应用基础及前沿技术研究计划(08JCZ D JC22200)和天津市国家科技计划配套资助项目(07QTPT JC29500)
 33E2m ail:jjzhang@nankai.edu
2 实 验
  a 2S i 材料及电池的制备均在线列式七室连续RF 2PECVD
沉积系统中进行,本底真空优于3×10-4
Pa ,衬底温度保持在125℃。低压a 2S i 材料在反应压力为85Pa 、辉光功率为10W 、S i H 4浓度为20~4%的条件下制备,高压a 2S i 材料在反应压力为400~667Pa 、辉光功率为40~60W 、S i H 4浓度为8~2%的条件下制备。a 2S i 电池以日本Asahi 公司的U 2type SnO 2:F 透明导电膜为衬底,电池结构为glass/SnO 2:F/p (a 2S iC )/i (a 2S i )/n (a 2S i )/Al 。  材料的光、暗电导率测量采用共面Al 电极法,使用KEITHL EY 617繁用表测试光、暗电流。采用Jobin Y von 公司的型号为LabRam HR800的拉曼光谱仪对样品进行Raman 谱测试,激发波长为488nm 。采用UV 2VIS 2NIR 分光光度计(Shimazu UV 23600)测量材料的透过率、反射率,按T auc 定律计算获得材料的光学带隙E opt 。采用美国尼高力公司的型号为560E.S.P 的傅立叶变换红外光谱仪对薄膜进行结构分析。太阳电池的光态J V 特性在25℃、AM1.5和100mW/cm 2条
件下测量。
3 实验结果
3.1 SiH 4浓度对材料结构特性的影响
  通过降低S i H 4浓度,可以有效提高反应前驱物中的原子
H 浓度,钝化生长表面的悬键,提高反应前驱物在衬底表面的迁移能力,在一定程度上补偿低温下反应前驱物在衬底表面的扩散系数较低的不足。  首先,在85Pa 的低压下S i H 4浓度从20%降低到4%,在533Pa 下S i H 4浓度从8%降低到2%,沉积S i 薄膜材料,采用Raman 谱对材料的结构进行表征,如图1所示。可以看到,低压下材料在S i H 4浓度6~4%间发生a 2S i 硅到μc 2S i 的相变,而高压下的相变过程发生在3.0~2.5%间。由于主要对低温下的a 2S i 材料进行优化,因此之后的实验,低压下S i H 4浓度范围选择在20~6%,高压下S i H 4浓度范围选择在8~3%。高压下可以在较低的S i H 4浓度下制备a 2S i 材料,更有利于材料性
能的优化。
图1 不同SiH 4浓度Si 薄膜材料的R
am an 谱Fig.1 R am an sp ectra o f Si thin films w ith different SiH 4concentration
3.2 材料光电导率与沉积速率的关系
  在85Pa 的低压下,固定辉光功率为10W ,改变S i H 4浓度
分别为20、12、10、9、8和6%,制备一组本征a 2S i 材料。高压下的a 2S i 材料在S i H 4浓度为8~
为我们的今天喝彩
3%、反应气压为400~667Pa 和辉光功率为40~60W 的条件下制备。在射频等离子体中,提高功率有利于提高电子的平均能量,提高气压可通过增加电子与气体分子或基团的碰撞几率而降低电子的能量,两者通常要结合在一起进行分析,因此采用压力功率比(P g /P )这一综合参数,P g /P 较高,说明此时的气压相对较高、功率相对较低,反之亦然。P g /P 在4~14Pa/W 的范围内变化,分成3个区域:A ,4~7Pa/W;B ,7~10Pa/W;C ,10~14Pa/W 。采用光、暗电导率的测试来表征低温下不同反应气压制备a 2S i 材料的电学特性,测得材料的暗电导率均在2×10-11~9×10-10S/cm 间变化,受到沉积参数的影响不大,与文献[9]、[11]报道的结果类似。材料的光电导率随沉积速率的变化如图2所示。在85Pa 的低压下,随着S i H 4浓度的降低,材料的光电导率有不
断上升的趋势,在9~6%内,光电导率均超过7×10-5
S/cm ,同
时沉积速率不断降低。在高压(400~667Pa )下S i H 4浓度为8
~6%的材料电学特性较差,光电导率均在8×10-6S/cm 以下;当S i H 4浓度降低为4%和3%时,光电导率在3×10-5S/cm 以上,且均在P g /P =7~10Pa/W 的范围内(B 区域),材料的光电导率较高、沉积速率也较快。总体上讲,材料的光电导率随沉积速率的降低有升高的趋势,在合适的S i H 4浓度和P g /P 下,高压下也可以获得电学特性较好的a 2S i 材料,且此时的沉积速率比低压条件提高了1~3倍。
3.3 反应气压对材料结构特性的影响
  为了表征不同反应气压对a 2S i 材料结构及S i 2H 键合组态的影响,对低温低压以及高压下制备的a 2S i 材料进行FTIR 测试。低压85Pa 下选取S i H 4浓度分别为20、10和6%的样品,高压下在S i H 4浓度为3%时选取P g /P =4、8、10和12Pa/W 的样品,测试结果如图3(a )所示。采用微结构因子R 3=I 2090/(I 2090+I 2000)表征a 2S i 材料中S i 2H 键的结构特征,2000cm -1和2090cm -1处的吸收峰分别对应S i H 和S i H 2的伸展模,对1900~2200cm -1区域内的吸收峰进行高斯拟
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・激光 
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合[12],得到吸收峰强度I 2000和I 2090并计算出R 3,如图3(b )
所示。
南昌工程学院学报
图2 a 2Si 材料的光电导率随沉积速率的变化
Fig.2 Photocondu ctivity o f a 2Si thin films
at di fferent d eposition rates
图3 不同反应气压下a 2Si 材料的FTIR 谱及微结构因子R 3
Fig.3 FTIR sp ectra o f a 2Si d eposited at different
g as p ressu re and microstru ctu re factor R 3
  可以看到,在85Pa 、S i H 4浓度20%下制备的a 2S i 材料,在
845cm -1
处出现(S i H 2)n 摇摆模吸收峰,表明低温下较高的S i H 4浓度使材料结构的无序程度增加。由图3(b )可以看到,
85Pa 下随着S i H 4浓度的降低,R 3
从0.35降低到0.15,表明随着原子H 浓度的增加,反应前驱物在衬底表面的迁移能力
不断增强,S i 2H 键组态中S i H 2的比例逐渐变小,材料结构特
征得到优化。在高压下,S i H 4浓度3%时随着P g /P 的升高,R 3
先降低后增加。当P g /P 较小时,R 3高达0.43,可能是由于辉光功率相对较高,生长表面的粒子轰击较为严重,且此时等离子体中的电子温度较高,更易形成短寿命的S i H 2,也会使材料中的S i H 2含量增加;当P g /P 过高时,R 3也较高,可能是因为此时反应气压相对较高,降低了反应物的分解程度,过剩的S i H 4会消耗大量的原子H [13],不利于反应前驱物在衬底表面的迁移,使得材料中的S i H 2含量增加,结构特性变差。  综合电学特性及沉积速率的结果,在85Pa 的低压下,随着S i H 4浓度降低,材料的光电导率不断提高,材料中S i H 2含量不断降低,光电特性得到优化,但薄膜的沉积速率也不断降低。在高压下S i H 4浓度为3%时,a 2S i 材料的光电、结构特性在适中的P g /P 下可以得到优化,当S i H 2含量较小时,材料的光电导率较高,并且此时薄膜的沉积速率也相对较高。
3.4 反应气压对材料光学带隙的影响
  只有能量大于光学带隙的光子才能被本征a 2S i 材料吸收并产生光生载流子,材料的光学带隙E opt 决定了本征吸收的长波吸收限,因此是衡量a 2S i 材料光电性能的重要参数[14]。如图4(a )所示,在85Pa 的低压下,衬底温度为200℃、S i H 4浓度为20%时制备的本征a 2S i 材料的E opt 为1.78eV ,而衬底温度为125℃、S i H 4浓度为20%时E opt 升高到1.87eV ,这是因为低温下,较高的S i H 4浓
度使反应前驱物在衬底表面的迁移能力较差,导致a 2S i 材料中的H 含量较高且S i 2H 键主要以S i H 2的方式存在,从而使材料的E opt 较高。在125℃的低温下,S i H 4浓度从20%降低到6%的过程中,E opt 呈现先降低后增加,与高
温下(200℃
)改变S i H 4浓度制备的a 2S i 材料有相同的变化趋势[15,16],S i H 4浓度为12%下E opt 降低为1.82eV ,是由于反应前驱物中的原子H 浓度增加有利于钝化生长表面的悬键,改善了S i 2H 键的键合方式,从而降低了a 2S i 材料中的H 含量;随着S i H 4浓度的进一步降低,E opt 有不断升高的趋势。随着原子H 浓度的不断增加,a 2S i 材料的中程有序度增加,使得材料的带尾宽度不断降低,从而使得E opt 得到展宽[16]。  在低温、高压下制备的a 2S i 材料有相似的变化趋势,在S i H 4浓度为8、4和3%下改变不同的P g /P 制备材料的E opt 如图4(b )所示。S i H 4浓度8%下E opt 较高,在1.88~1.89eV 间;当S i H 4浓度降低到4%时,E opt 也随之降低,在1.81~1.83eV 间,并且可以看到在Si H 4浓度8%和4%下,材料的E opt 受到P g /P 的影响较小。Si H 4浓度从4%降低到3%的过程中,E opt 有所增加,且3%下随着P g /P 的增大,E opt 有明显增加的趋势,可能是由于Si H 4浓度3%时,材料更接近a 2Si/μc 2Si 的相变区,材料特性更容易受到沉积参数的影响,较高的反应气压有利于形成致密的a 2Si 网络,使得材料的有序程度增加,从而使得E opt 得到展宽。需要指出的是,在P g /P 大于10Pa/W 时,材料的光电导率开始下降且Si H 2含量增加,但E opt 仍有升高的趋势,由图3(a )中640cm -1处
吸收峰计算得到薄膜的H 含量不断上升,因此认为,此时E opt 的升高是由于H 含量的增加所致。
912・第2期 倪 牮等:低温高速率沉积非晶硅薄膜及太阳电池               
图4 a 2Si 材料E opt 与反应气压的关系
Fig.4 T h e E opt o f a 2Si d eposited at different g as p ressu re
3.5 不同反应气压下的a 2Si 电池性能
  a 2S i 电池以日本Asahi 公司的U 2type SnO 2:F 透明导电膜
为衬底,电池的p 2i 2n 3层均在125℃下制备,电池结构为
glass/SnO 2:F/p (a 2S iC )/i (a 2S i )/n (a 2S i )/Al 。电池的i 层在85Pa 下改变S i H 4浓度分别为9、8和6%,在高压下S
i H 4浓度为3%时,改变P g /P =4,6,8,10,12Pa/W ,电池结果如图5所示。
图5 不同反应气压下a 2Si 电池的开路电压V o c 、J s c 、FF 和转换效率协作学习
Fig.5 T h e V oc ,J s c ,FF and efficiency o f a 2Si solar cells at different g as p ressu re
  在85Pa 的低压下,随着S i H 4浓度降低,电池V oc 不断升
高,J sc 不断降低,在S i H 4浓度为8%时电池效率达到6.8%,而
S i H 4浓度6%时材料的E opt 最高且光电性能良好,使V oc 达到0.95V 。在高压下,电池性能受到P g /P 影响很大,当P g /P =8
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2010年 第21卷 
Pa/W时电池效率达到6.7%,取得最大值,此时电池的FF达到0.69,可能是由于高压条件减低了粒子轰击对p/i界面的破坏,使FF得到改善。
  值得关注的是,相对于高温(200℃)下制备的a2S i电池,低压或高压下低温沉积的a2S i电池J sc均较小,很大程度上是由于较宽的E opt限制了太阳电池的长波响应。然而,低温下制备的a2S i电池是叠层太阳电池中顶电池的很好选择。
4 结 论
  系统研究了低压和高压下不同沉积参数对低温沉积a2S i 材料及太阳电池性能的影响。结果表明,在低压下,通过降低S i H4浓度,可以使低温a2S i材料及电池性能得到优化,在125℃下可以获得转换效率达到6.8%的单结a2S i电池,但此时i 材料的沉积速率较低,在0.06~0.08nm/s间。高压下,S i H4浓度显著影响a2S i材料的性能,在靠近a2S i/μc2S i过渡区附近通过优化P g/P),可以使材料的光电、结构特性得到优化,制备出光电导率高、S i H2含量少的a2S i材料,单结a2S i电池的转换效率可以达到6.7%,并且此时沉积速率较高,在0.17~0.19 nm/s间。研究结果表明,在低温条件下,高压技术仍是高速沉积高性能a2S i材料的有效手段。
参考文献:
[1] Ichikawa Y,Y oshida T,H ama T,et al.Production technology for a2
m orphous silicon2based flexible solar cells[J].Sol E nergy M ater Sol Cells,2001,66:1072115.
[2] S¨o derstr¨o m T,H aug F J,T errazzoni2Daudrix V,et al.Optim ization of
am orphous silicon thin film solar cells for flexible photovoltaics[J].J Appl Phys,2008,103:114509128.
[3] H errero J,G uillen C.T ransparent films on polymers for photovoltaic
applications[J].Vacuum,2002,67:6112616.
[4] NI Jian,ZH A NG Jian2jun,C AO Li2ran,et al.Surface m odification of
Polyethylene terephthalate(PET)substrate by argon plasma treat2 ment and its application to am orphous silicon solar cells[J].Journal of Optoelectronics・Laser(光电子・激光),to be published,(in Chi2 nese)
[5] M ates T,Fejfar A,Ledinsky M,et al.E ffect of substrate tem perature
and hydrogen dilution on thin silicon films deposited at low substrate tem peratures[A].3rd W orld C on ference on Photovoltaic E nergy C on2 version[C].2003:164321646.
[6] Shirafuji J,K uwagaki M,Sato T,et al.E ffect of substrate tem perature
on properties of glow discharged hydrogenated am orphous silicon[J].
Jpn J Appl Phys.1984,23(10):127821286.
[7] K ondo M,M atsuda A.An approach to device grade am orphous and
m icrocrystalline silicon thin films fabricated at higher deposition rates [J].Curr Opin Solid State M ater Sci,2002,6:4452453.
[8] G anguly G,M atsuda A.Defect formation during growth of hydrogena2
ted am orphous silicon[J].Phys Rev B,1993,47(7):366123670. [9] H ishikawa Y,T suda S,Wakisaka K,et al.Principles for controlling the
optical and electrical properties of hydrogenated am orphous silicon deposited from silane plasma[J].J Appl Phys,1993,73(9):42272 4231.
[10]H A N X iao2yan,G E NG X in2hua,G UO Qun2chao,et al.Study on the
growth mechanism and m icrostructure of high rate growthμc2Si:H thin films[J].Journal of Optoelectronics・Laser(光电子・激光), 2008,19(1):54257.(in Chinese)
[11]H ishikawa Y,T suda S,Nakamura N,et al.Device2quality wide2gap
hydrogenated am orphous silicon films deposited by plasma chem ical vapor deposition at low substrate tem peratures[J].J A ppl Phys, 1991,69(1):5082510.
[12]LUO Zhi,LI N X uan2Y ing,LI N Shun2H ui,et al.In frared analysis on hy2
drogen content and Si2H bonding con figurations of hydrogenated a2 m orphous silicon films[J].Acta Phys Sin,(物理学报),2003,52(1): 1692174.(in Chinese)
[13]G uo L,K ondo M,Fukawa M,et al.H igh2rate deposition of m icrocrys2
talline silicon using conventional plasma2enhanced chem ical vapor deposition[J].Jpn J A ppl Phys1998,37:111621118.
[14]LI Shi2bin,W U Zhi2m ing,ZH U K ui2peng,et al.E ffect of working gas
pressure on the optical properties of RF2PEC VD a2Si:H films[J].
Journal of Optoelectronics・Laser(光电子・激光),2008,19(3): 3522356.(in Chinese)
[15]Platz R,Wagner S,H of C,et al.In fluence of excitationfrequency,tem2
perature,and hydrogen dilution on the stability of plasma enhanced chem ical vapor deposited a2Si:H[J].J A ppl Phys,1998,84(7): 394923953.
[16]M ahan A,Biswas R,G edvilas L,et al.On the in fluence of short and
medium range order on the material band gap in hydrogenated am or2 phous silicon[J].J Appl Phys,2004,96(7):381823826.
作者简介:
倪 牮 (1984-),男,天津市人,博士研究生,主要从事柔性衬底硅基薄膜太阳电池的研究1
列举法
1
2
2
第2期 倪 牮等:低温高速率沉积非晶硅薄膜及太阳电池               

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