太阳能电池多晶硅薄膜铝诱导晶化（AIC）机制及工艺控制研究

【摘要】： 由于能源和环境问题,太阳能光伏发电技术重新得到了人们的关注。高效、稳定的晶体硅太阳能电池由于硅材料生产过程的高能耗和重污染,使得硅晶体太阳能电池应用成本居高不下,急需替代技术。多晶硅薄膜太阳能电池无论从电学性能还是制造成本,无疑都成为最具潜力的太阳能电池制造技术。本文研究了用于太阳能电池用多晶硅薄膜的制备技术,着重研究了极具潜力的多晶硅薄膜制备方法,铝诱导晶化(AIC)法。本文利用直流磁控溅射技术制备了glass/Al/a-Si叠层结构,通过铝诱导晶化(AIC)的方法制备了多晶硅薄膜(poly-Si thin film),系统研究了各种工艺参数对制备多晶硅薄膜结构、性能的影响以及薄膜晶化过程的影响;理论研究了铝诱导晶化机制——铝诱导层交换(ALILE)的初始过程;重点探索了无需后续退火处理的AIC法和低掺杂率多晶硅薄膜的制备方法。主要研究结果如下: 1、系统研究了各种工艺参数对制备多晶硅薄膜结构、性能的影响以及薄膜晶化过程的影响。实验结果表明:退火温度、时间、铝膜厚度、退火气氛的种类以及衬底形貌对AIC晶化过程具有复合的影响,为了得到电学性能优良的多晶硅薄膜,需要优化组合上述参数。 2、用数学模型描述了铝诱导晶化机制:铝诱导层交换(ALILE)过程中非晶硅原子向铝层扩散(stepl)和在铝层中成核(step2)的动力学过程,在这个模型的框架下,对成核之前铝层中硅原子的浓度随时间的变化和成核时间进行了深入研究。研究结果表明:a-Si溶解到铝膜中的激活能E_A为0.57 eV,利用该模型能够很好的解释铝诱导晶化法能够使非晶硅(a-Si)在低温(＜577℃)下实现晶化的原因。 3、用直流磁控溅射外加偏压电场的方法,在铝膜上制备了glass/Al/Si薄膜。实验结果表明:在AIC非晶硅制备多晶硅薄膜过程中,通过外加偏压电场的方法,显著降低了AIC制备多晶硅薄膜的温度(＜100℃),在无需后续退火的条件下制备了高晶化率(晶化率＞90%)的多晶硅薄膜。 4、在AIC过程中,在不同的退火温度和温度模式下对glass/Al/a-Si进行了退火处理,制备了多晶硅薄膜,并对其铝掺杂浓度和Hall迁移率进行了表征。实验结果表明:通过非晶硅的QCGE AIC(硅原子的快速扩散Q;冷却成核C;晶粒的慢速生长G;铝原子的向外扩散E,QCGE)制备的多晶硅薄膜具有较低的铝掺杂率(2.0x10~(16)cm~(-3)),霍尔测量表明,多晶硅薄膜中铝掺杂浓度依赖于制备过程中的退火温度和退火模式。为通过AIC制备多晶硅薄膜过程中降低铝掺杂浓度提供了新的思路。 【关键词】：太阳能电池 多晶硅薄膜 铝诱导晶化(AIC) 铝诱导层交换(ALILE) 低温制备
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TN304.055
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 引言11-13
• 1.2 国内外太阳能电池的研究进展13-17
• 1.2.1 国外太阳能电池的发展概况13-14
• 1.2.2 国内太阳能电池的发展情况14-17
• 1.3 太阳能电池的商业化及发展方向17-19
• 1.4 硅基薄膜太阳能电池的崛起19-24
• 1.4.1 a-Si薄膜太阳能电池19-21
• 1.4.2 poly-Si薄膜太阳能电池21
• 1.4.3.硅基薄膜太阳能电池的发展趋势及应用前景21-24
• 1.5 多晶硅薄膜太阳能电池研究进展24-27
• 1.5.1 多晶硅薄膜太阳能电池研究进展24-26
• 1.5.2 多晶硅薄膜的制备方法26-27
• 1.6 本论文选题及研究的目的和意义27
• 1.7 本论文选题及研究内容27-29
• 第2章 多晶硅薄膜的制备及表征29-40
• 2.1 引言29
• 2.2 多晶硅薄膜的制备29-32
• 2.2.1 磁控溅射原理30-31
• 2.2.2 glass/Al/a-Si制备31
• 2.2.3 退火31-32
• 2.3 薄膜结构及性能的表征32-39
• 2.3.1 X射线衍射技术(XRD)32-33
• 2.3.2 拉曼散射光谱(Raman)33-35
• 2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)35-36
• 2.3.4 原子力显微镜(AFM)36-38
• 2.3.5 霍尔效应仪(Hall effect measurement)38-39
• 2.4 小结39-40
• 第3章 铝诱导晶化(AIC)非晶硅制备多晶硅薄膜影响因素研究40-75
• 3.1 退火温度对晶化过程的影响40-46
• 3.1.1 引言40
• 3.1.2 实验部分40-41
• 3.1.3 结果与讨论41-45
• 3.1.4 小结45-46
• 3.2 退火时间对晶化过程的影响46-51
• 3.2.1 引言46
• 3.2.2 实验部分46-47
• 3.2.3 结果与讨论47-50
• 3.2.4 小结50-51
• 3.3 铝膜对晶化过程的影响51-56
• 3.3.1 引言51
• 3.3.2 实验部分51-52
• 3.3.3 结果与讨论52-55
• 3.3.4 小结55-56
• 3.4 Al/a-Si界面缓冲层Al_2O_3对晶化过程的影响56-62
• 3.4.1 引言56
• 3.4.2 实验部分56-57
• 3.4.3 结果与讨论57-61
• 3.4.4 小结61-62
• 3.5 退火气氛对晶化过程的影响62-69
• 3.5.1 引言62
• 3.5.2 实验部分62
• 3.5.3 结果与讨论62-67
• 3.5.4 小结67-69
• 3.6 衬底形貌对晶化过程的影响69-75
• 3.6.1 引言69
• 3.6.2 实验部分69-70
• 3.6.3 结果与讨论70-74
• 3.6.4 小结74-75
• 第4章 铝诱导晶化低温制备多晶硅薄膜机制研究75-88
• 4.1 引言75
• 4.2 铝诱导晶化低温制备多晶硅薄膜的过程描述75-78
• 4.2.1 铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜的实验步骤75-76
• 4.2.2 铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜过程的动力学描述76-78
• 4.3 铝诱导晶化低温制备多晶硅薄膜的机制研究78-87
• 4.3.1 AIC机制理论研究78-84
• 4.3.2 AIC机制实验验证84-87
• 4.4 小结87-88
• 第5章 铝诱导晶化非晶硅低温(<100℃)制备多晶硅薄膜88-97
• 5.1 引言88
• 5.2 实验88-89
• 5.2.1 薄膜制备88-89
• 5.2.2 性能表征89
• 5.3 结果与讨论89-96
• 5.4 小结96-97
• 第6章 薄膜太阳能电池用低掺杂率多晶硅薄膜的制备97-106
• 6.1 引言97-99
• 6.2 实验99-100
• 6.2.1 薄膜制备99
• 6.2.2 退火处理99-100
• 6.2.3 性能表征及掺杂浓度测试100
• 6.3 结果与讨论100-104
• 6.4 小结104-106
• 第7章 结论106-111
• 7.1 论文的主要研究内容及得到的主要结论107-109
• 7.2 论文的主要创新点109
• 7.3 存在的问题和今后工作的研究重点109-111
• 致谢111-112
• 参考文献112-121
• 攻读学位期间的研究成果121-123

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