摘要：  采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术，在相对较高气压和较高功率条件下，制备了不同硅烷浓度的微晶硅材料。材料沉积速率随硅烷浓度的增加而增大，通过对材料的电学特性和结构特性的分析得知：获得了沉积速率超过1nm/s高速率器件质量级微晶硅薄膜，并且也初步获得了效率达6.3%的高沉积速率微晶硅太阳电池。

关键字：  晶硅太阳电池，  氢化微晶硅薄膜，  

采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术，在相对较高气压和较高功率条件下，制备了不同硅烷浓度的微晶硅材料。材料沉积速率随硅烷浓度的增加而增大，通过对材料的电学特性和结构特性的分析得知：获得了沉积速率超过1nm/s高速率器件质量级微晶硅薄膜，并且也初步获得了效率达6.3%的高沉积速率微晶硅太阳电池。

一、引言

氢化微晶硅薄膜和微晶硅太阳电池已经成为硅薄膜太阳电池的研究热点。因为微晶硅薄膜太阳电池的制备技术与现有的非晶硅薄膜和电池的制备技术兼容，而且微晶硅薄膜太阳电池几乎不存在光致衰退效应(SWE)。另外，微晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池组成叠层电池将充分利用太阳光谱，提高太阳电池的光电转换效率。

目前，国际上对于微晶硅薄膜和太阳电池的研究非常关注，主要集中在中国的南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，美国的United Solar，日本的Kaneka公司，德国的Julich光伏研究所，荷兰的Utrecht大学和瑞士的IMT研究所。这些单位在微晶硅太阳电池上效率都已经达到9%以上，但沉积速率都还不是很高(0.5nm/s以下)。实际上，太阳能光伏发电是解决能源危机和环境保护问题的一个非常有前景的技术。但要实现硅薄膜太阳电池产业化，特别是微晶硅薄膜太阳电池的产业化，提高其沉积速率是重中之重。这是由于对于微晶硅薄膜，其在可见光的吸收系数要比非晶硅薄膜低，这样为了充分利用太阳光，微晶硅薄膜太阳电池的厚度要大于1.0μm。Mai和Kondo分别报道了在沉积速率达到1nm/s以上的微晶硅薄膜和微晶硅太阳电池。而国内目前对微晶硅薄膜和太阳电池的研究报道还仅限于低沉积速率，对高沉积速率微晶硅薄膜，特别是高速率器件质量级微晶硅薄膜的研究还处于起步阶段。

本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术，在较高气压和较高功率的前提条件下，获得了沉积速率达1nm/s以上的器件级微晶硅薄膜，微晶硅薄膜太阳电池的效率也达到了6.3%。

二、实验

实验中所有微晶硅材料和电池都是在新研制的国际先进的多功能化学气相沉积系统(cluster CVD system)中制备的。如图1所示，该系统由5个沉积室、一个装片室(LL)和中央传输室组成，分别可用于沉积太阳电池中的p层，i层(VHF室和HW室)和n层，另外，SiN室可以用于沉积薄膜晶体管中的绝缘层。材料沉积所采用的衬底为氢氟酸(5%)腐蚀过的Corning7059玻璃。硅烷浓度(SC=[SiH4]/[SiH4+H2])为5%～9%，采用的沉积气压为267Pa，功率为65W。

材料的沉积速率采用AMBios公司的台阶仪(XP22型)测试。光、暗电导测试是通过Keithly617采用共面蒸发铝电极测试。激活能测试是在真空条件下进行的。喇曼散射光谱采用MKI Renishaw 2000型进行测试，激光器是波长632.8nm的HeNe激光器，探测器是CCD制冷型，功率为2.5mW。采用对喇曼谱进行高斯拟合计算得到晶化率。X射线衍射谱测试采用D/max22500X射线衍射仪，波长为0.1504nm(CuKα)。

三、结果与讨论

由于硅烷浓度是影响硅薄膜材料结构敏感的沉积参数之一，因此，在固定其他沉积参数的前提条件下，制备了不同硅烷浓度条件下的薄膜。图2给出了系列薄膜的沉积速率随硅烷浓度的变化。从图中可以看出：在此实验沉积条件下，随着硅烷浓度的增加，薄膜的沉积速率几乎线性地增加，而且沉积速率增加的斜率大于硅烷浓度增加的斜率，这说明在我们的沉积条件下，硅烷浓度得到了有效使用。而且值得注意的是：在硅烷浓度大于6%时，薄膜的沉积速率已经达到1nm/s以上。

研究材料的目的是制备出高效率的微晶硅太阳电池。要想获得高速、高效的微晶硅薄膜太阳电池，制备出高质量、高速率的微晶硅材料是前提。首先考察了制备材料的电学特性，图3给出了系列薄膜的

暗电导和光敏性随硅烷浓度的变化。从图中可以看出：总的趋势是随硅烷浓度增加，材料的暗电导在逐渐减小，而光敏性则给出了相反的规律。这主要是由于硅烷浓度的增加，使得制备薄膜的结构由微晶向非晶转变(图4和图5)。而同非晶硅材料相比，微晶硅薄膜在电学特性上表现为暗电导大，光敏性小。在硅烷浓度为7%～7.5%时，制备材料的光敏性在500～1000之间，暗电导在1.0×10-6～1.2×10-6S/cm之间。

为进一步确定制备材料的质量，对其进行了X射线衍射的测试分析。图4给出了制备薄膜的X射线衍射测试结果。从图中很清楚地看出：在此实验研究的硅烷浓度范围内，薄膜显示出了(220)的择优取向，而且在此实验范围内，随硅烷浓度的增加，(220)择优取向的强度逐渐降低。当硅烷浓度达到8%和9%时，X射线衍射结果显示制备的材料是非晶硅，因为其没有任何衍射峰出现。

对于微晶硅薄膜和非晶硅薄膜结构特性最有效的衡量手段之一就是喇曼散射光谱。图5给出了系列薄膜对应的喇曼光谱测试结果。从图中可以看出：随氢稀释的增加(硅烷浓度的减小)，制备材料对应

晶化峰所在位置的强度逐渐增强。在硅烷浓度为9%时，薄膜的喇曼谱显示其为非晶硅薄膜，因为仅在480cm-1处出现了典型的非晶硅的类TO模。而当硅烷浓度为8%时，材料的结构发生了微小的变化，因为在480cm-1处的右端长波数方向出现了“峰包”，此“峰包”的出现意味着材料有一定程度的晶化，用高斯三峰拟合进行了分析，其晶化率为5%。随硅烷浓度的进一步减小，材料的晶化率则逐渐地增加。

综合上面的分析可知：当硅烷浓度为7%时，制备薄膜的晶化率达到了52%，X射线衍射测试结果显示出了其(220)择优取向。另外，材料的电学测试结果表明：其暗电导为1.1×10-6S/cm，光敏性为1000，激活能的大小为0.52eV。通过我们对低沉积速率微晶硅薄膜材料和太阳能电池的研究可推知该材料可以应用到太阳能电池的有源层。因为对于低沉积速率的微晶硅薄膜，如果其晶化率在50%左右，激活能大于0.5eV，材料具有(220)择优取向，其暗电导在10-7～10-8S/cm量级上，光敏性在102～103量级上，可以应用到太阳电池的有源层。当然衡量材料质量最直接的手段是将其应用到太阳能电池中。为此我们在一定的p和n条件下，在本征材料选取硅烷浓度为7%的条件下，制备了单结微晶硅薄膜太阳能电池(图6)。图6的I2V曲线测试结果给出：在沉积速率达到1.2nm/s的前提条件下，单结微晶硅薄膜太阳电池的效率达到了6.3%(电池的厚度为2.2μm)。值得注意的是：此电池结构为1737glass/ZnO/p(μc-Si∶H)/i(μc-Si∶H)/n(a-Si∶H)/Al，其背反射电极仅采用的是Al。大量的实验结果已经证明：背反射电极对电池的各个性能参数都有很大影响，相信改进背反射电极后电池的效率将会进一步提高。

四、结论

采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了系列不同硅烷浓度的微晶硅薄膜。通过对材料特性的测试结果分析可知，获得了高速率的器件质量级的微晶硅薄膜材料：其暗电导为1.1×10-6S/cm，光敏性为1000，激活能为0.52eV，晶化率为52%，材料具有(220)择优取向。在电池结构不是很优化的前提条件下，获得了效率达6.3%的单结微晶硅薄膜太阳电池(沉积速率达1.2nm/s)。