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硅薄膜太阳电池材料的制备研究

作　者: 王金晓
导　师: 贺德衍
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 硅薄膜硅太阳电池兰州大学薄膜太阳电池博士学位论文等离子体低温制备退火晶化非晶硅太阳电池材料
分类号: TM914.42
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

能源危机和环境污染已经成为当今世界各国经济发展面临的首要问题,因此,越来越多的国家开始转向开发利用可再生的清洁能源。太阳能作为取之不尽、用之不竭且无污染的可再生清洁能源,成为首选目标之一。目前,太阳电池正从第一代晶体硅太阳电池走向第二代薄膜太阳电池。具有低成本、高效率、长寿命且材料来源丰富、无毒等优点的第三代太阳电池已成为研究者关注的焦点。在薄膜太阳电池中,微晶硅太阳电池由于克服了光致衰退效应,并且具有工艺简单、便于大面积生产等优点,成为国际光伏市场发展的新趋势。宽范围的光谱吸收以及强的电荷传输特性使得硅纳米线成为实现第三代太阳电池的关键材料。本论文系统研究了玻璃、塑料等廉价衬底上微晶硅薄膜的低温制备及其生长机制,对CVD系统制备硅纳米线的生长机理、结构形态和发光特性进行了比较系统地分析。论文中的主要研究内容和所得到的主要研究结果总结如下:●系统研究了电感耦合等离子体（ICP-）CVD低温制备微晶硅薄膜过程中衬底与电感线圈间距(d_IS)对薄膜物性的影响。基于实验结果,提出了以SiH₄/H₂为源气体的ICP-CVD低温制备硅薄膜的等离子体气相输运机制。研究发现,当间距适中（5cm）时,低温制备的硅薄膜具有高的晶化质量;●结合ICP-CVD的特点,发展了一种新的低温制备微晶硅薄膜的方法,即铝诱导晶化原位生长。以SiH₄和H₂混合气为源气体,铝为诱导金属,通过等离子体中SiH_x（0≤x≤3）前驱物与铝层间强的非平衡热力学过程,分别在玻璃和柔性衬底上成功制备了高晶化质量的微晶硅薄膜。没有观察到铝层和硅薄膜的“层交换（layer exchange）”现象。据此,提出了一个自洽的铝诱导晶化硅薄膜的原位生长机制:●采用自行设计的CVD装置,在480℃、大气压强下以Au作为催化剂成功地制备了大量细且直的硅纳米线（SiNWs）,其长度达几微米。纳米线的生长服从VLS机制,具有晶化硅核和氧化层组成的核壳结构,氧化层约3nm。Raman测试结果发现SiNWs的一级振动模的特征峰较之单晶硅的特征峰有4cm^-1的红移,证实了SiNWs的量子限制效应。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-44
  1.1 太阳电池的研究现状  10-26
    1.1.1 研究意义  10-12
    1.1.2 第二代太阳电池的研究进展  12-20
    1.1.3 第三代太阳电池的机遇  20-26
  1.2 微晶硅薄膜的研究现状  26-33
    1.2.1 降低生长温度  26-30
    1.2.2 提高生长速率  30-31
    1.2.3 控制非晶孕育层的厚度  31-33
  1.3 硅纳米线的研究现状  33-38
    1.3.1 准一维纳米硅材料的研究背景  33-34
    1.3.2 硅纳米线的应用研究  34-38
      1.3.2.1 硅纳米线太阳电池  34-35
      1.3.2.2 纳米传感器  35-36
      1.3.2.3 纳米电子器件  36-37
      1.3.2.4 合成其它纳米材料的模板  37-38
  1.4 本论文的主要工作  38-39
    1.4.1 微晶硅薄膜的研究  38-39
    1.4.2 硅纳米线的研究  39
  1.5 本章小结  39-40
  参考文献  40-44
第二章硅基材料的制备与表征  44-80
  2.1 微晶硅薄膜的制备方法  44-56
    2.1.1 微晶硅薄膜的间接制备法  44-46
    2.1.2 微晶硅薄膜的直接制备法  46-56
      2.1.2.1 物理气相沉积法(PVD)  46-48
      2.1.2.2 化学气相沉积法(CVD)  48-56
  2.2 硅纳米线的制备方法  56-65
    2.2.1 物理刻蚀法  57-58
    2.2.2 激光烧蚀法  58-59
    2.2.3 溶液生长法  59-60
    2.2.4 热蒸发法  60-64
    2.2.5 化学气相沉积法  64-65
    2.2.6 纳米电化学法  65
  2.3 硅基材料的物性表征方法  65-73
    2.3.1 X射线衍射(XRD)  65-66
    2.3.2 拉曼光谱(Raman Spectroscopy)  66-67
    2.3.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)  67-68
    2.3.4 原子力显微镜(AFM)  68-69
    2.3.5 扫描电子显微镜(SEM)  69-71
    2.3.6 透射电子显微镜(TEM)  71-72
    2.3.7 光学透射谱(Optical Transmission Spectroscopy)  72-73
    2.3.8 光致发光谱(PL)  73
  2.4 本章小结  73
  参考文献  73-80
第三章 ICP-CVD低温制备微晶硅薄膜的气相输运机制  80-94
  3.1 低温制备微晶硅薄膜的意义  80-83
  3.2 d_(IS)对硅薄膜物性的影响  83-90
    3.2.1 d_(IS)对硅薄膜微观结构的影响  83-88
    3.2.2 d_(IS)对硅薄膜光学性质的影响  88-90
  3.3 ICP-CVD低温制备微晶硅薄膜的气相传输机制  90-91
  3.4 本章小结  91-92
  参考文献  92-94
第四章 ICP-CVD低温生长硅薄膜的铝诱导晶化及其晶化机理  94-116
  4.1 传统金属诱导非晶硅薄膜的晶化机制  94-100
    4.1.1 金属诱导非晶硅薄膜晶化方法  94-95
    4.1.2 金属诱导非晶硅薄膜晶化机理  95-100
  4.2 ICP-CVD过程中硅薄膜的铝诱导晶化生长  100-112
    4.2.1 玻璃衬底上硅薄膜的铝诱导晶化生长  100-105
    4.2.2 柔性衬底上硅薄膜的铝诱导晶化生长  105-111
    4.2.3 ICP-CVD过程中铝诱导晶化硅薄膜的原位生长机理  111-112
  4.3 本章小结  112-113
  参考文献  113-116
第五章硅纳米线的CVD制备及其光学特性  116-124
  5.1 硅纳米线的CVD制备  116-118
  5.2 硅纳米线的结构和光学特性  118-122
    5.2.1 硅纳米线的结构  118-121
    5.2.2 硅纳米线的光学特性  121-122
  5.3 本章小结  122-123
  参考文献  123-124
第六章总结  124-127
  6.1 本论文的主要结论  124-125
  6.2 下一步的工作及展望  125-127
攻读博士学位期间发表的学术论文  127-128
致谢  128

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