薄膜太陽能電池課程需掌握知識點

緒論當(dāng)前1頁，共87頁，星期一。第一頁，共八十七頁。太陽能電池發(fā)展歷程太陽能之父MartinA.Green將太陽能電池分為三代：第一代：單晶、多晶等晶體硅系列太陽能電池。第二代：銅銦鎵硒(CIGS)、CdTe及硅系列等薄膜太陽能電池。第三代：新型太陽能電池，包括疊層太陽能電池、量子點太陽能電池、熱載流子太陽能電池、上下轉(zhuǎn)換太陽能電池。當(dāng)前2頁，共87頁，星期一。第二頁，共八十七頁。薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池優(yōu)點：1.

節(jié)約原材料：薄膜太陽能電池一般采用光吸收系數(shù)很大的材料作為光吸收層，使得電池厚度比較薄，這樣可以大大減少原材料的使用。2.帶隙可調(diào)。通過調(diào)整薄膜的成分比例或晶體結(jié)構(gòu)可以改變吸收層的帶隙，有利于光吸收。3.兼容性好?？捎米鞑Ａ粔?，可沉積于柔性沉底。當(dāng)前3頁，共87頁，星期一。第三頁，共八十七頁。太陽能電池理論基礎(chǔ)當(dāng)前4頁，共87頁，星期一。第四頁，共八十七頁。直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體價帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值都位于k空間的原點上價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體例子：GaAs，GaN，ZnO價帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值不位于k空間的原點上價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體例子：Si，Ge當(dāng)前5頁，共87頁，星期一。第五頁，共八十七頁。半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體只能吸收能量大于或等于其禁帶寬度的光子；被吸收的光子將價帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對；在太陽能電池中，產(chǎn)生電子-空穴對(光生載流子)的量決定了太陽能電池的性能。當(dāng)前6頁，共87頁，星期一。第六頁，共八十七頁。利用這一現(xiàn)象，可以通過測試半導(dǎo)體材料的光吸收譜來計算其禁帶寬度；首先需要計算薄膜的光吸收系數(shù)：其中：R為反射率；T為透過率；t為薄膜厚度當(dāng)前7頁，共87頁，星期一。第七頁，共八十七頁。p區(qū)光生電子的運動情況與n區(qū)光生空穴的類似。減少雜質(zhì)原子的交叉污染可以有效的提高單腔室制備p-i-n或n-i-p型硅薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。需要：電烙鐵、萬用表(毫安、毫伏表)通過在界面生長間隙，預(yù)先生長一層硅薄膜，以覆蓋可能產(chǎn)生雜質(zhì)原子污染的區(qū)域。第一代：單晶、多晶等晶體硅系列太陽能電池。油蒸氣的回流可以忽略氣體雜質(zhì)小，純度高，因為濺射是在較高的真空度條件下進(jìn)行的。第十五頁，共八十七頁。當(dāng)前11頁，共87頁，星期一。利用熱解反應(yīng)進(jìn)行外延生長，將稱為今后應(yīng)用最為廣泛的生長工藝減少雜質(zhì)原子的交叉污染可以有效的提高單腔室制備p-i-n或n-i-p型硅薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)前43頁，共87頁，星期一。當(dāng)前71頁，共87頁，星期一。體捕獲，并排出系統(tǒng)之外，如低溫吸當(dāng)前41頁，共87頁，星期一。然后根據(jù)Tauc公式：式中m可取值2、1/2、2/3及1/3，分別對應(yīng)半導(dǎo)體中的直接允許躍遷、間接允許躍遷、直接禁止躍遷及間接禁止躍遷。一般認(rèn)為當(dāng)m取某一值時(αhν)m與hν的線性關(guān)系越明顯，半導(dǎo)體中電子的躍遷就以該m值所對應(yīng)那種方式為主。作vs圖,將直線部分外推至=0處，即為薄膜的光學(xué)帶隙。當(dāng)前8頁，共87頁，星期一。第八頁，共八十七頁。當(dāng)前9頁，共87頁，星期一。第九頁，共八十七頁。同時根據(jù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度可以判斷材料對光的吸收限：波長小于該吸收限的光才會被半導(dǎo)體吸收。反映到透過率曲線上禁帶寬度越大的材料，其吸收限越藍(lán)移。當(dāng)前10頁，共87頁，星期一。第十頁，共八十七頁。如何快速判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型？熱探針法需要：電烙鐵、萬用表(毫安、毫伏表)多子電烙鐵(熱源)+-毫安或毫伏表熱端由于熱激發(fā)作用，熱端多子增多，這樣就會在熱端與冷端之間產(chǎn)生多子濃度差。多子由熱端擴(kuò)散至冷端，這樣就會在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差。當(dāng)導(dǎo)電類型為p型時，空穴會擴(kuò)散至冷端，使冷端電勢升高；當(dāng)導(dǎo)電類型為n型時，電子會擴(kuò)散至冷端，使冷端電勢降低。當(dāng)前11頁，共87頁，星期一。第十一頁，共八十七頁。1.5太陽能電池發(fā)電原理勢壘區(qū)光生載流子在內(nèi)建電場作用下分離。電子進(jìn)入n區(qū)，空穴進(jìn)入p區(qū)。n區(qū)勢壘邊界產(chǎn)生的空穴被內(nèi)建電場掃入p區(qū)n區(qū)與n區(qū)邊界之間產(chǎn)生空穴的濃度梯度n區(qū)產(chǎn)生的廣生空穴擴(kuò)散至該邊界，而光生電子則留在n區(qū)。p區(qū)光生電子的運動情況與n區(qū)光生空穴的類似。當(dāng)前12頁，共87頁，星期一。第十二頁，共八十七頁。1.5太陽能電池發(fā)電原理通過上述過程，光生載流子在p-n結(jié)兩端積累。與平衡狀態(tài)相比，n區(qū)有了過剩電子，p區(qū)有了過?？昭?。這就建立起了以p區(qū)為正、n區(qū)為負(fù)的光生電動勢。將上述太陽能電池兩端接入負(fù)載，在持續(xù)光照下就會有電流從電池的p端經(jīng)過負(fù)載流入n端。當(dāng)前13頁，共87頁，星期一。第十三頁，共八十七頁。J-V曲線的意義與兩個坐標(biāo)軸的截距分別為Jsc和Voc。與橫坐標(biāo)軸交點位置作切線可表征太陽能電池器件的串聯(lián)電阻。(一般希望電池的串聯(lián)電阻越小越好)與縱坐標(biāo)軸焦點的位置作切線可表征太陽能電池器件的并聯(lián)電阻。(一般希望電池的并聯(lián)電阻越大越好)當(dāng)前14頁，共87頁，星期一。第十四頁，共八十七頁。J-V曲線的意義當(dāng)前15頁，共87頁，星期一。第十五頁，共八十七頁。量子效率曲線的意義EQE未考慮入射光的反射損失；量子效率曲線的變化可以反映整個電池器件不同厚度位置的優(yōu)劣。當(dāng)前16頁，共87頁，星期一。第十六頁，共八十七頁。真空基礎(chǔ)當(dāng)前17頁，共87頁，星期一。第十七頁，共八十七頁。真空泵的分類

輸運式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。

a、機械式氣體輸運泵：旋片式機械泵、羅茨泵、渦輪分子泵

b、氣流式氣體輸運泵：油擴(kuò)散泵捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，并排出系統(tǒng)之外，如低溫吸附泵、濺射離子泵。當(dāng)前18頁，共87頁，星期一。第十八頁，共八十七頁。1.5.1機械泵獲得低真空常采用機械泵機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，主要依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。它可以直接在大氣壓下開始工作，極限真空度一般為10-1Pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V的大小有關(guān)，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。當(dāng)前19頁，共87頁，星期一。第十九頁，共八十七頁。機械泵當(dāng)前20頁，共87頁，星期一。第二十頁，共八十七頁。機械泵的優(yōu)缺點優(yōu)點：

1.結(jié)構(gòu)簡單

2.工作可靠

3.可以直接在大氣壓下工作缺點：

1.油蒸氣回流

2.容易污染系統(tǒng)極限真空：10-1Pa工作范圍：大氣壓到10-1Pa。當(dāng)前21頁，共87頁，星期一。第二十一頁，共八十七頁。1.5.4渦輪分子泵當(dāng)前22頁，共87頁，星期一。第二十二頁，共八十七頁。渦輪分子泵工作原理渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀。葉片以20000～30000rpm的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給氣體分子。同時，渦輪分子泵中裝有很多級葉片，上一級葉片輸送過來的氣體分子又會受到下一級葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級。像油擴(kuò)散泵一樣，也是靠對氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運動的原理來工作的。當(dāng)前23頁，共87頁，星期一。第二十三頁，共八十七頁。優(yōu)缺點優(yōu)點：

1.極限真空度高

2.壓縮比高

3.油蒸氣的回流可以忽略

4.抽速可達(dá)1000L/s。缺點：

1.價格較高

2.噪音大，有振動極限真空度：10-8Pa；工作范圍：10-1Pa～10-8Pa注意：不能與大氣直接相連，在使用中多用旋片式機械泵作為其前級泵。當(dāng)前24頁，共87頁，星期一。第二十四頁，共八十七頁。1.6真空的測量真空測量用的元件稱為真空計，又稱真空規(guī)

U形管真空計低真空壓縮式真空計電阻式真空計

高真空電離式真空計當(dāng)前25頁，共87頁，星期一。第二十五頁，共八十七頁。蒸發(fā)沉積薄膜技術(shù)當(dāng)前26頁，共87頁，星期一。第二十六頁，共八十七頁。蒸發(fā)沉積薄膜技術(shù)蒸發(fā)沉積是物理氣相沉積技術(shù)的一種。所謂的物理氣相沉積是指利用某種物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過程。當(dāng)前27頁，共87頁，星期一。第二十七頁，共八十七頁。合金元素蒸發(fā)由于原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，因此，合金中各元素的蒸發(fā)過程可近似視為各元素相互獨立的蒸發(fā)過程，就像純元素蒸發(fā)過程一樣。合金在蒸發(fā)和沉積過程中會產(chǎn)生成分的偏差，一般飽和蒸汽壓較高的材料容易從蒸發(fā)源中逸出，使制備的薄膜中富集這種元素。蒸發(fā)法不宜被用來制備組元蒸氣壓差別較大的合金薄膜。當(dāng)前28頁，共87頁，星期一。第二十八頁，共八十七頁。薄膜生長機制層狀生長機制島狀生長機制混合生長機制當(dāng)前29頁，共87頁，星期一。第二十九頁，共八十七頁。氣體的平均自由程分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。為分子直徑（5×10-10m數(shù)量級）

p為壓強（Pa）

T為氣體溫度

k為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23焦耳/K)當(dāng)前30頁，共87頁，星期一。第三十頁，共八十七頁。影響薄膜純度的因素1.蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；2.加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；3.真空系統(tǒng)中殘留的氣體，雜質(zhì)氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)的原子分別射向襯底，并可能同時沉積在襯底上。當(dāng)前31頁，共87頁，星期一。第三十一頁，共八十七頁。3.3.1電阻式蒸發(fā)裝置電阻加熱方式是采用鎢、鉬、鉭等高熔點金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，或采用石英坩堝等。根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)以及蒸發(fā)源材料的浸潤性等制作成不同的蒸發(fā)源形狀。當(dāng)前32頁，共87頁，星期一。第三十二頁，共八十七頁。電阻熱蒸發(fā)設(shè)備的優(yōu)缺點優(yōu)點：

1.設(shè)備成本低

2.操作簡單

3.適于蒸發(fā)單質(zhì)薄膜缺點：

1.支撐物與蒸發(fā)物反應(yīng)

2.難于獲得高溫

3.蒸發(fā)率低

4.化合物蒸發(fā)時會分解當(dāng)前33頁，共87頁，星期一。第三十三頁，共八十七頁。濺射當(dāng)前34頁，共87頁，星期一。第三十四頁，共八十七頁。氣體放電過程（1）開始：電極間無電流通過，氣體原子多處于中性，只有少量的電離粒子在電場作用下定向運動，形成極微弱的電流。（2）隨電壓升高：電離粒子的運動速度加快，則電流隨電壓而上升，當(dāng)粒子的速度達(dá)飽和時，電流也達(dá)到一個飽和值，不再增加；當(dāng)前35頁，共87頁，星期一。第三十五頁，共八十七頁。（3）湯生放電：電壓繼續(xù)升高，離子與陰極靶材料之間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來，同時外電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極產(chǎn)生二次電子，參與與氣體分子碰撞，并使氣體分子繼續(xù)電離，產(chǎn)生新的離子和電子。這時，放電電流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱為湯生放電。湯生放電后期稱為電暈放電。當(dāng)前36頁，共87頁，星期一。第三十六頁，共八十七頁。輝光放電輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。此時氣體具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，稱這種具有一定導(dǎo)電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電電壓卻有所下降。導(dǎo)電粒子大量增加，能量轉(zhuǎn)移也足夠大，放電氣體會發(fā)生明顯的輝光。電流不斷增大，輝光區(qū)擴(kuò)大到整個放電長度上，電壓有所回升，輝光的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，可提供面積大、分布均勻的等離子體。當(dāng)前37頁，共87頁，星期一。第三十七頁，共八十七頁。弧光放電：電壓大幅下降，電流大幅增加，產(chǎn)生弧光放電，電弧放電斑點，陰極局部溫度大幅升高，陰極自身會發(fā)生熱蒸發(fā)。當(dāng)前38頁，共87頁，星期一。第三十八頁，共八十七頁。輝光放電是在真空度約為10-1Pa的稀薄氣體中，兩個電極之間加上電壓時產(chǎn)生的一種穩(wěn)定的自持放電。濺射法基于荷能粒子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)，而整個濺射過程都是建立輝光放電的基礎(chǔ)之上。當(dāng)前39頁，共87頁，星期一。第三十九頁，共八十七頁。2濺射工作原理

所謂濺射是指荷能粒子轟擊固體表面(靶)，使固體原子(或分子)從表面射出的現(xiàn)象。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動能．并且具有方向性。應(yīng)用這一現(xiàn)象將濺射出來的物質(zhì)沉積到基片或工型表面形成薄膜的方法稱為濺射(鍍膜)法。當(dāng)前40頁，共87頁，星期一。第四十頁，共八十七頁。濺射產(chǎn)額的影響因素入射離子能量入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類離子入射角度對濺射產(chǎn)額的影響靶材溫度對濺射產(chǎn)額的影響當(dāng)前41頁，共87頁，星期一。第四十一頁，共八十七頁。濺射法的主要特點a、在濺射過程中入射離子與靶材之間有很大的能量傳遞，因此濺射出的原子將從中獲得很大的能量，在沉積時，高能量的原子對襯底的撞擊提高了原子自身在薄膜表面的擴(kuò)散能力，使薄膜的組織更致密、附著力也得到明顯改善。當(dāng)然這也會引起襯底溫度的升高。

b、制備合金薄膜時，成分的控制性能好。當(dāng)前42頁，共87頁，星期一。第四十二頁，共八十七頁。c、濺射靶材可以是極難熔的材料。因此，濺射法可以方便地用于高熔點物質(zhì)的濺射和薄膜的制備。

d、可利用反應(yīng)濺射技術(shù)，從金屬元素靶材制備化合物薄膜。

e、有助于改善薄膜對于復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜表面的粗糙度當(dāng)前43頁，共87頁，星期一。第四十三頁，共八十七頁。濺射方法直流濺射：適于良導(dǎo)體射頻濺射：適于絕緣體，半導(dǎo)體，導(dǎo)體等磁控濺射：沉積溫度低，速率高反應(yīng)濺射：薄膜材料與靶材不同離子束濺射：靶和基片與加速極不相干當(dāng)前44頁，共87頁，星期一。第四十四頁，共八十七頁。（1）直流濺射設(shè)備

直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射，適用于導(dǎo)電性較好各類合金薄膜。當(dāng)前45頁，共87頁，星期一。第四十五頁，共八十七頁。基本原理

在對系統(tǒng)抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負(fù)電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產(chǎn)生氬離子和可以獨立運動的電子，電子在電場作用下飛向陽極，氬離子則在電場作用下加速飛向陰極—靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當(dāng)高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。當(dāng)前46頁，共87頁，星期一。第四十六頁，共八十七頁。直流濺射條件工作氣壓10Pa；濺射電壓1000V；靶電流密度0.5mA/cm2；薄膜沉積率低于0.1μm/min。當(dāng)前47頁，共87頁，星期一。第四十七頁，共八十七頁。（2）射頻濺射設(shè)備適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。當(dāng)前48頁，共87頁，星期一。第四十八頁，共八十七頁。射頻濺射的基本原理兩極間接上射頻（5~30MHz）電源后，兩極間等離子體中不斷振蕩運動的電子從高頻電場中獲得足夠的能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使后者電離，產(chǎn)生大量的離子和電子；此時不再需要在高壓下（10Pa左右）產(chǎn)生二次電子來維持放電過程，射頻濺射可以在低壓（1Pa左右）下進(jìn)行，沉積速率也因此時氣體散射少而較二極濺射為高；高頻電場可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進(jìn)入沉積室，而不必再要求電極一定要是導(dǎo)體；由于射頻方法可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場作用的同時，靶材會自動處于一個較大的負(fù)電位下，從而導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過程。當(dāng)前49頁，共87頁，星期一。第四十九頁，共八十七頁。射頻濺射條件工作氣壓1.0Pa；濺射電壓1000V；靶電流密度1.0mA/cm2；薄膜沉積速率低于0.5μm/min。當(dāng)前50頁，共87頁，星期一。第五十頁，共八十七頁。（3）磁控濺射設(shè)備磁控濺射法則因為其沉積速率較高（比其他濺射法高出一個數(shù)量級），工作氣體壓力較低而具有獨特的優(yōu)越性。一般的濺射沉積方法具有的兩個缺點：

a、沉積速率較蒸發(fā)法低；

b、所需工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長，放電現(xiàn)象不易維持，從而導(dǎo)致薄膜被污染的可能性較高。當(dāng)前51頁，共87頁，星期一。第五十一頁，共八十七頁?；驹懋?dāng)電子在正交電磁場中運動時，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運動將由直線運動變成擺線運動。電子將可以被約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運動軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過程的幾率。這樣，既可以降低濺射過程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效率和沉積速率。當(dāng)前52頁，共87頁，星期一。第五十二頁，共八十七頁。當(dāng)前53頁，共87頁，星期一。第五十三頁，共八十七頁。磁控濺射的特點工作氣壓低(<1Pa)，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；維持放電所需的靶電壓低電子對襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度；容易實現(xiàn)在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。當(dāng)前54頁，共87頁，星期一。第五十四頁，共八十七頁。缺點：對靶材的濺射不均勻，薄膜的均勻性還有待進(jìn)一步提高；不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無磁力線通過；當(dāng)前55頁，共87頁，星期一。第五十五頁，共八十七頁。（4）離子束濺射設(shè)備當(dāng)前56頁，共87頁，星期一。第五十六頁，共八十七頁。離子束濺射的基本原理產(chǎn)生離子束的獨立裝置被稱為離子槍，它提供一定的束流強度、一定能量的Ar離子流。離子束以一定的入射角度轟擊靶材并濺射出其表層的原子，后者沉積到襯底表面即形成薄膜。在靶材不導(dǎo)電的情況下，需要在離子槍外或是在靶材的表面附近，用直接對離子束提供電子的方法，中和離子束所攜帶的電荷。當(dāng)前57頁，共87頁，星期一。第五十七頁，共八十七頁。離子束濺射的特點氣體雜質(zhì)小，純度高，因為濺射是在較高的真空度條件下進(jìn)行的。由于在襯底附近沒有等離子體的存在，因此也就不會產(chǎn)生等離子轟擊導(dǎo)致襯底溫度上升、電子和離子轟擊損傷等一系列問題。由于可以用到精確地控制離子束的能量、束流大小與束流方向，而且濺射出的原子可以不經(jīng)過碰撞過程而直接沉積薄膜，因而離子束濺射方法很適合于作為一種薄膜沉積的研究手段。當(dāng)前58頁，共87頁，星期一。第五十八頁，共八十七頁。CVD當(dāng)前59頁，共87頁，星期一。第五十九頁，共八十七頁。氣相外延中Si的清洗步驟（1）丙酮和乙醇超聲清洗去除有機物（2）1號洗液清洗（溫度800C，時間15分鐘）高純?nèi)ルx子水＋過氧化氫＋氨水比例：7:1:1（3）2號洗液清洗（溫度800C，時間15分鐘）高純?nèi)ルx子水＋過氧化氫＋鹽酸比例：8:2:1（4）去離子水沖洗干凈（5）HF漂洗硅片。清洗干凈后硅片表面應(yīng)與水完全不潤濕。當(dāng)前60頁，共87頁，星期一。第六十頁，共八十七頁。4.1.1基本的化學(xué)反應(yīng)過程高溫分解還原反應(yīng)歧化反應(yīng)當(dāng)前61頁，共87頁，星期一。第六十一頁，共八十七頁。高溫分解某些元素的氫化物和金屬有機化合物在高溫下是不穩(wěn)定的，它們將分解成元素而沉積，這種反應(yīng)是不可逆的。利用熱解反應(yīng)進(jìn)行外延生長，將稱為今后應(yīng)用最為廣泛的生長工藝當(dāng)前62頁，共87頁，星期一。第六十二頁，共八十七頁。輸運式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。濺射電壓1000V；減少雜質(zhì)原子的交叉污染可以有效的提高單腔室制備p-i-n或n-i-p型硅薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。由于在襯底附近沒有等離子體的存在，因此也就不會產(chǎn)生等離子轟擊導(dǎo)致襯底溫度上升、電子和離子轟擊損傷等一系列問題。第十一頁，共八十七頁。(一般希望電池的并聯(lián)電阻越大越好)極限真空度：10-8Pa；射頻濺射：適于絕緣體，半導(dǎo)體，導(dǎo)體等第二代：銅銦鎵硒(CIGS)、CdTe及硅系列等薄膜太陽能電池。等離子增強化學(xué)氣相沉積：PECVD反映到透過率曲線上禁帶寬度越大的材料，其吸收限越藍(lán)移。關(guān)鍵參數(shù)：射頻功率(PECVD)或熱絲溫度(HWCVD)；將上述太陽能電池兩端接入負(fù)載，在持續(xù)光照下就會有電流從電池的p端經(jīng)過負(fù)載流入n端。與橫坐標(biāo)軸交點位置作切線可表征太陽能電池器件的串聯(lián)電阻。第八十頁，共八十七頁。氫化物分解當(dāng)前63頁，共87頁，星期一。第六十三頁，共八十七頁。還原反應(yīng)還原反應(yīng)是將含有欲沉積物質(zhì)的化合物被還原劑還原，并沉積在襯底上。還原反應(yīng)的特點是具有正的反應(yīng)熱，是在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)通常氫氣作還原劑，同時也用它作載氣這里反應(yīng)是可逆反應(yīng)當(dāng)前64頁，共87頁，星期一。第六十四頁，共八十七頁。當(dāng)前65頁，共87頁，星期一。第六十五頁，共八十七頁。歧化反應(yīng)具有歧化作用的元素能夠生成幾種氧化態(tài)的氣態(tài)化合物，在反應(yīng)過程中，由于反應(yīng)物在較低溫度下不穩(wěn)定，一部分被氧化成高價的比較穩(wěn)定的化合物，另一部分被還原成該元素的原子沉積在襯底上進(jìn)行外延生長。利用歧化反應(yīng)，一般都在多溫區(qū)爐內(nèi)進(jìn)行，至少需要兩個溫區(qū)。當(dāng)前66頁，共87頁，星期一。第六十六頁，共八十七頁。當(dāng)前67頁，共87頁，星期一。第六十七頁，共八十七頁。MOCVD的主要缺點1.有機金屬原料一般有毒、易燃，易爆必須配置尾氣處理系統(tǒng)當(dāng)前68頁，共87頁，星期一。第六十八頁，共八十七頁。硅薄膜太陽能電池當(dāng)前69頁，共87頁，星期一。第六十九頁，共八十七頁。HIT太陽能電池本征非晶硅薄膜鈍化單晶硅表面，摻雜非晶硅薄膜作為太陽能電池的發(fā)射極。優(yōu)點：1.光電轉(zhuǎn)換效率高，與傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池效率基本相當(dāng)。2.整個制備過程低溫(200oC)，能耗低。3.制備過程耗時短，進(jìn)一步降低能耗。(數(shù)十秒即可完成發(fā)射極的沉積過程)4.開路電壓高，溫度系數(shù)低(Eff.%/oC)。當(dāng)前70頁，共87頁，星期一。第七十頁，共八十七頁。HIT太陽能電池結(jié)構(gòu)當(dāng)前71頁，共87頁，星期一。第七十一頁，共八十七頁。HIT太陽能電池制備關(guān)鍵技術(shù)1.硅片裝入腔室前，HF漂洗硅片。2.沉積薄膜前，H處理硅片表面。3.本征a-Si:H薄膜鈍化硅片。4.發(fā)射極的厚度及摻雜濃度的控制。當(dāng)前72頁，共87頁，星期一。第七十二頁，共八十七頁。1.1硅片裝入腔室前，HF漂洗硅片目的：(1)去掉清洗過程中硅片表面形成的自然氧化層。(2)HF溶液中H鈍化硅片表面懸掛鍵。漂洗后，硅片與水完全不潤濕。當(dāng)前73頁，共87頁，星期一。第七十三頁，共八十七頁。1.2沉積薄膜前，H處理硅片表面目的：1.刻蝕掉硅片表面殘余損傷層。2.鈍化硅片表面硅懸掛鍵。當(dāng)前74頁，共87頁，星期一。第七十四頁，共八十七頁。H處理硅片表面方式：腔室中只通入H2，利用等離子體輝光放電(PECVD)或高溫?zé)峤z催化(HWCVD)分解H2,產(chǎn)生活性H原子，利用活性H原子處理硅片表面。關(guān)鍵參數(shù)：射頻功率(PECVD)或熱絲溫度(HWCVD)；處理時間。當(dāng)前75頁，共87頁，星期一。第七十五頁，共八十七頁。1.3本征a-Si:H薄膜鈍化硅片該工藝為HIT太陽能電池制備過程中最關(guān)鍵的工藝。本征a-Si:H對硅片表面鈍化的好壞對電池效率的影響明顯。在保證a-Si:H質(zhì)量的前提下，防止a-Si:H生長初期發(fā)生外延現(xiàn)象。本征a-Si:H厚度一般為10nm左右。當(dāng)前76頁，共87頁，星期一。第七十六頁，共八十七頁。3.多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜制備方式：1.直接沉積制備多晶硅薄膜。液相外延：LPE常壓化學(xué)氣相沉積：APCVD低壓化學(xué)氣相沉積：LPCVD等離子增強化學(xué)氣相沉積：PECVD熱絲化學(xué)氣相沉積：HWCVD當(dāng)前77頁，共87頁，星期一。第七十七頁，共八十七頁。多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池最大的技術(shù)問題在于如何降低晶界對光生載流子副作用。晶界聚集大量缺陷：點、線、面缺陷，雜質(zhì)原子，懸掛鍵。在設(shè)計多晶硅薄膜太陽能電池時，需要綜合考慮多晶硅薄膜的質(zhì)量與膜厚之間的平衡。當(dāng)前78頁，共87頁，星期一。