硅基薄膜太陽電池(七)

南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所 光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光電子薄膜器件與技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張曉丹 趙穎 熊紹珍

(3)非晶硅氧(a-SiO:H)合金[34,35]

以H稀釋硅烷添加CO2作混合氣源，控制襯底溫度、沉積氣壓及CO2濃度比CO2/(CO2+SiH4)(其中硅烷用氫稀釋濃度比SiH4/(SiH4+H2)表示)，在等離子體放電作用下，CO2、SiH4、H2之間將產(chǎn)生以下反應(yīng):SiH4+CO2+H2→a-SiO:H，生成非(或微)晶硅氧合金薄膜。

硅氧(SiO:H)合金可以是非晶態(tài)，也可以是含微晶相的。由Si的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)(圖34a)與SiO2網(wǎng)絡(luò)(圖34b)之間融合狀態(tài)的不同，硅氧合金的原子構(gòu)型也會(huì)不同。有四種描述方式:可能是隨機(jī)硅氧網(wǎng)絡(luò)的混合；或硅氧原子以Si-Si4-nOn(n=0～4)或Si、O、H原子以HSi-Si3-nOn(n=0～3)等四面體構(gòu)型隨機(jī)鍵合在一起，形成一種均一的合金結(jié)構(gòu)；或是SiOx:H合金以硅基網(wǎng)絡(luò)和硅氧網(wǎng)絡(luò)兩相分離的模式，此時(shí)當(dāng)氧成分x＜1時(shí)，可能由以Si:H構(gòu)型的富硅相和以Si-Si3O構(gòu)型的富氧相的兩相組成，富硅相鑲嵌于富氧相之中；第四種描述硅氧合金微結(jié)構(gòu)的模型為殼層模型，它主要描述高溫生長(zhǎng)的硅氧薄膜，其中H的成分非常少，在此暫不予考慮。

圖34 非晶硅網(wǎng)絡(luò)(a)與SiO2網(wǎng)絡(luò)(b)示意圖

在硅薄膜中添加氧成分時(shí)，Si和O也有多種鍵合方式。即在Si/SiO2系統(tǒng)中的Si原子可能存在5種與O結(jié)合的狀態(tài)，即Si0、Si+、Si2+、Si3+和Si4+，可通過XPS的分析確定具體鍵合情況。岳強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)顯示[34]，在微晶硅氧合金中，Si2P電子的XPS譜不一定都會(huì)存在并存的5種鍵合形式，即不是如文獻(xiàn)[35]中報(bào)道的那樣，在非晶硅氧合金(a-SiO:H)Si2P的XPS譜觀察到一個(gè)包，而是分離的兩種組態(tài)，稱為Si+和Si4+的組態(tài)，且隨氧含量的增加，Si2P包將從描述Si2P的結(jié)合能98eV向Si中含氧的103eV的高能方向位移。文獻(xiàn)[34]還認(rèn)為，微晶硅氧合金中Si以兩種分離的組態(tài)存在是否與其晶化相關(guān)，尚未定論。O的增加將使Si的組態(tài)由Si+向Si4+轉(zhuǎn)變，同時(shí)使其拉曼譜發(fā)生變形。最清晰可見的是，在其他條件相同的情況下沉積μc-Si:H和μc-SiO:H，μc-SiO:H的晶化率明顯降低(見圖35a)。改變激發(fā)功率也會(huì)改變晶化狀況，從圖35b的拉曼譜可以看出，隨著功率增高，其拉曼譜分布由接近520cm?1逐漸向480cm?1移動(dòng)，顯示出提高功率將使其退晶化。

圖35 μc-Si和μc-SiO薄膜的拉曼譜(a)以及不同沉積功率下μc-SiOx:H薄膜的拉曼譜的比較(b)[34]

對(duì)圖35b中的三個(gè)不同功率的拉曼譜進(jìn)行譜峰擬合，結(jié)果見圖36。從圖36可以看出，功率由20W遞增到50W，晶化率由20W的56.6%逐漸降低，直至50W時(shí)基本變成非晶硅氧的結(jié)構(gòu)模式。同時(shí)隨著功率增加，在630cm?1附近描述SiH的峰也有所增大。原因是摻入SiO:H合金中的O是以O(shè)H根為前驅(qū)物，隨著氧的增加，H量也隨之加大。因此在其他沉積條件相同的條件下，功率將和摻氧的作用一樣，使硅氧合金的帶隙受到功率調(diào)制(見圖 37)。

① a-SiO:H作頂電池的吸收層材料[34]

作為頂電池的吸收層，要求有高短波響應(yīng)、帶隙寬度較寬。頂電池的帶隙應(yīng)該在2.0eV為宜。如圖37所示，提高摻氧氣源CO2的流量是增大帶隙的最佳手段。圖中顯示調(diào)節(jié)摻氧流量及功率，都可調(diào)節(jié)硅氧合金薄膜的帶隙。

圖36 沉積功率分別20W、35W和50W獲得μc-SiOx:H薄膜Raman譜的多峰擬合結(jié)果的比較[34]

圖37 CO2與SiH4流量比與功率對(duì)硅氧合金帶隙調(diào)制作用[33]

[34]岳強(qiáng).氫化微晶硅氧薄膜材料研究[D].天津:南開大學(xué)碩士論文, 2010.

[35]Sriprapha K, Inthisang S, Yamada A, et al. Fabrication of high open-circuit voltage a-SiO:H solar cells[A]. Technical Digest of the International PVSEC-17[C], 2007:1324－1325. (待續(xù))