射频磁控溅射及快速热退火法制备多晶硅薄膜的研究

【作者】 胡洁； 周丽丹； 江绍基；

【机构】 中山大学光电材料和技术国家重点实验室；

【摘要】 随着新能源需求不断增大和电子信息科技不断发展,太阳能电池作为利用太阳能源有效的方式备受亲睐。多晶硅薄膜太阳能电池因其优良的光电性能及相对廉价的生产成本成为国内外太阳能薄膜电池产业关注的热点。如何提高薄膜太阳能电池的转换效率是研究的关键。多晶硅薄膜晶粒尺寸的增大,结晶率的升高有利于太阳能电池短路电流的升高,开路电压的降低,从而提高太阳能电池的转换效率。本课题组针对太阳能薄膜电池中高质量半导体多晶硅薄膜的制备做了探究性的工作,采用X射线衍射仪(XRD)、显微共焦拉曼光谱仪对射频磁控溅射法和快速热退火(RTA)处理后的多晶硅薄膜进行了晶面取向、结晶率、晶粒尺寸等结构和性质方面的表征分析。本课题组采用射频磁控溅射法制备硅薄膜,以控制变量法调节其制备参数,分别在不同溅射速率、衬底温度、溅射气压等单一变量下进行实验。结果表明,射频磁控溅射法直接沉积的硅薄膜晶粒小、缺陷大,多数呈现为非晶态,因此为制备多晶硅薄膜,实验通过快速热退火处理再结晶技术增大薄膜晶粒,减少结构缺陷,使非晶态硅薄膜晶化为多晶硅薄膜。此外,通过对不同实验条件下制备的多晶硅薄膜的结构及特性进行分析,结论如下:溅射功率增大的条件下,硅薄膜的沉积速率不断增大,但当功率达到一定阈值时,硅薄膜由于内禀内应力过大而出现明显裂缝,薄膜质量下降。随着沉积基片温度的升高,硅薄膜的非晶硅拉曼峰值由于薄膜热内应力的作用出现向左偏移,薄膜质量亦有所下降;在0.2Pa-1.0Pa范围内随着沉积气压的降低,晶粒尺寸、结晶率增大,且随着气压的降低,硅薄膜在多个不同晶向上的择优生长愈趋明显;相同磁控溅射制备条件下,低于700℃热退火温度下硅薄膜的再结晶不明显,而随着退火温度的持续升高,多晶硅薄膜的结晶率不断增大,硅薄膜的晶粒尺寸也逐渐增大,且在有效退火后XRD光谱显示硅薄膜沿着多个不同的晶向有择优生长;相同磁控溅射制备条件下,随着热退火时间的增大,多晶硅薄膜的结晶率不断增大,当退火时间达到或超过一定值时,薄膜的结晶率趋于平稳。通过射频磁控溅射法结合快速热退火处理可制备出高质量的多晶硅薄膜,本研究为取得转换效率更高的薄膜太阳能电池提供了可靠的经验。更多还原