硅基納米圖形結(jié)構(gòu)的制備及其在發(fā)光器件與太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：隨著硅平面工藝技術(shù)的飛速發(fā)展,器件的特征尺寸越來越小,集成電路的規(guī)模和集成度得到不斷提升。器件尺寸的縮小使得人們?nèi)找骊P(guān)注硅低維結(jié)構(gòu)的制備與性能的研究。由于新型的半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出異于體材料的新穎的光電性質(zhì),從而有可能將其應(yīng)用于制作光電集成的硅基光源和高效硅基太陽能電池以提高器件性能。為了進(jìn)一步提高器件的效率和降低制造成本,人們提出并研究了很多技術(shù)方案,通過在器件中引入納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行光的調(diào)控,以期實(shí)現(xiàn)減少界面反射,增強(qiáng)光吸收,減少光學(xué)損失的效果。本論文采用納米小球刻蝕技術(shù)制備了納米圖形襯底,對其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,研究了不同刻蝕深度的納米圖型襯底的光學(xué)性質(zhì)。將其運(yùn)用于硅量子點(diǎn)/二氧化硅(Si QDs/SiO2)多層膜,探討了不同刻蝕深度的納米圖形襯底對多層膜光致和電致發(fā)光性質(zhì)的影響。并初步探索了納米圖形襯底對非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的影響。 本論文的主要內(nèi)容與結(jié)果如下： 1.本文發(fā)展了一種以聚苯乙烯納米小球單層膜為掩膜,用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)在硅襯底上形成二維有序排列的硅錐表面形貌的方法。該方法得到的納米結(jié)構(gòu)的尺寸可調(diào)性較好,其周期和硅錐深度可以分別通過聚苯乙烯小球的直徑和RIE刻蝕時間來加以控制。我們通過原子力顯微鏡(AFM),掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表征,觀察到襯底表面的六角密堆排列的有序結(jié)構(gòu),并由剖面透射電子顯微鏡(TEM)圖像得到了硅錐的具體形貌和尺寸,驗(yàn)證了該方法制備深度可控的周期性納米結(jié)構(gòu)的有效性。通過該方法制備的納米圖形襯底的光學(xué)性質(zhì)較平板硅襯底有明顯改善,其反射率得到了明顯降低,同時,隨著刻蝕時間的增加,減反效果逐漸改善,反射率可由平板襯底的40%降為5%。 2.利用所制備的硅納米圖形結(jié)構(gòu)作為襯底,用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)在其上淀積了氫化非晶Si/SiO2多層膜,通過后退火處理的方法得到Si量子點(diǎn)/SiO2多層膜。由AFM和TEM對樣品進(jìn)行了表征,觀測到多層膜樣品良好保持了納米圖形襯底的周期性硅錐形貌特征。同時,通過該方法生長的多層膜有著清晰的層狀結(jié)構(gòu),在TEM的高分辨圖像中我們觀察到了由后退火處理所形成的硅量子點(diǎn)。相比于在常規(guī)平板襯底上制備的多層膜樣品,納米圖形襯底上的多層膜表現(xiàn)出很好的抗反射效果,正是這種效果使得器件的光提取效率和其對激發(fā)光的吸收效率得到提高,因此納米圖型襯底上的光致發(fā)光強(qiáng)度相對于平板襯底有較大提高,對于刻蝕16min的納米圖形襯底,提高了一個量級以上。同時,在納米圖形襯底上的多層膜的電致發(fā)光效率也有了相應(yīng)的提高,對于刻蝕時間為12min的圖型襯底,其電致發(fā)光效率是平板襯底器件的三倍以上 3.基于上述研究結(jié)果,我們嘗試將納米圖形襯底運(yùn)用于非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池以提升電池性能。用PECVD系統(tǒng)在納米圖形襯底上和平板襯底上淀積本征和n型非晶硅,形成單晶硅/非晶硅異質(zhì)結(jié),通過SEM觀察到納米圖形襯底表面共形生長的二維亞波長周期結(jié)構(gòu)。在非晶硅表面鍍上電極后形成太陽能電池器件,其中納米圖形襯底和平板襯底上的器件分別作為測試器件和參照器件。通過電學(xué)性質(zhì)的測試發(fā)現(xiàn),測試器件的短路電流密度和功率轉(zhuǎn)換效率相對于參照器件明顯增強(qiáng),短路電流密度由31.7 mA/cm2提高到37.2mA/cm2,功率轉(zhuǎn)換效率提高了110%。納米圖形的引入使得入射光在器件表面的反射削弱,更多的光可以進(jìn)入器件內(nèi)部從而被吸收,因此可以激發(fā)更多的載流子。 【關(guān)鍵詞】：納米圖形襯底 抗反射 發(fā)光增強(qiáng) 功率轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-16
• 1.1 硅基納米結(jié)構(gòu)的研究背景8-11
• 1.2 納米結(jié)構(gòu)在硅基光電器件中的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 本論文的研究意義和主要內(nèi)容12-14
• 參考文獻(xiàn)14-16
• 第二章 納米圖形襯底的制備與表征16-25
• 2.1 引言16-17
• 2.2 納米圖形襯底的制備17-18
• 2.3 納米圖形襯底的表征18-21
• 2.4 納米圖形襯底的光學(xué)性質(zhì)21-23
• 2.5 本章小結(jié)23-24
• 參考文獻(xiàn)24-25
• 第三章 納米圖形襯底對Si QDs/SiO_2多層膜發(fā)光性質(zhì)的影響25-40
• 3.1 引言25-26
• 3.2 Si QDs/SiO_2多層膜的制備26-27
• 3.2.1 a-Si∶H/SiO_2多層膜的制備26
• 3.2.2 后退火處理得到Si QDs/SiO_2多層膜26-27
• 3.3 Si QDs/SiO_2多層膜的表征27-29
• 3.4 納米圖形襯底對Si QDs/SiO_2多層膜光致發(fā)光的影響29-31
• 3.5 納米圖形襯底對Si QDs/SiO_2多層膜電致發(fā)光的影響31-38
• 3.6 本章小結(jié)38-39
• 參考文獻(xiàn)39-40
• 第四章 納米圖形襯底對非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的性能影響的初步探索40-48
• 4.1 引言40
• 4.2 襯底的光學(xué)性質(zhì)40-43
• 4.3 非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備與表征43-44
• 4.4 非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的測試結(jié)果44-45
• 4.5 本章小結(jié)45-47
• 參考文獻(xiàn)47-48
• 第五章 總結(jié)與展望48-50
• 5.1 主要結(jié)論48-49
• 5.2 展望49-50
• 碩士期間發(fā)表論文50-52
• 致謝52-53

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