光伏材料氫化納米硅中成鍵氫對(duì)材料結(jié)構(gòu)及缺陷的影響

【摘要】：步入二十一世紀(jì),傳統(tǒng)能源枯竭和環(huán)境污染日益成為威脅人類生存與發(fā)展的全球性問題。尋找,開發(fā)和利用清潔的可再生能源迫在眉睫。而太陽能以其取之不盡、用之不竭且無污染的特點(diǎn),成為最具開發(fā)潛力的可再生能源之一。太陽電池是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為方便使用的電能的一種器件。雖然目前傳統(tǒng)的晶體硅太陽電池在全球光伏產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額,新型薄膜太陽電池,尤其是以硅為原料的薄膜太陽電池,由于其易于大面積生長、生產(chǎn)成本低、溫度系數(shù)低、能量?jī)斶€時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛的關(guān)注。 長期以來,作為技術(shù)較為成熟的硅基薄膜電池,非晶硅太陽電池一直存在某些難以克服的缺點(diǎn),如:能量轉(zhuǎn)換效率低、電導(dǎo)率低,易發(fā)生光致衰退現(xiàn)象(即所謂的Staebler-Wronski效應(yīng))。然而,氫化納米硅薄膜的出現(xiàn)為硅基薄膜電池注入了新的活力。氫化納米硅薄膜是單晶硅和非晶硅的混相物質(zhì),由納米尺度的單晶硅顆粒鑲嵌在氫化非晶硅的網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成。大量的表明,氫化納米硅的混相體系可以有效降低在非晶硅材料中不可避免出現(xiàn)的光至衰退現(xiàn)象。同時(shí),氫化納米硅薄膜中大量存在的單晶硅量子點(diǎn)使得體系擁有明顯的量子限制效應(yīng),這使得人們可以通過控制納米硅薄膜結(jié)構(gòu)來調(diào)控材料的光學(xué)帶隙以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光譜的響應(yīng),從而獲得更高的光吸收效率。另外,由于材料的高光吸收截面以及優(yōu)良的電導(dǎo)率,納米硅薄膜具有很好的光吸收系數(shù)以及光電流響應(yīng)。目前許多科研機(jī)構(gòu)正在積極嘗試將納米硅薄膜應(yīng)用到多結(jié)薄膜太陽電池中,以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的新型疊層薄膜太陽電池。氫化納米硅薄膜中位于晶界結(jié)構(gòu)中的成鍵氫在早期的大量研究中已被發(fā)現(xiàn),然而其對(duì)薄膜性能的影響鮮有報(bào)道。另一方面,微晶硅薄膜中的后氧化問題已經(jīng)受到人們的大量關(guān)注,但是在氫化納米硅中,后氧化的研究工作才剛剛起步。 我們研究了一系列本征納米硅薄膜中成鍵氫對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)以及缺陷密度的影響。通過紅外光譜手段,我們對(duì)一組運(yùn)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法在不同功率密度條件下生長的本征氫化納米硅薄膜中的成鍵氫、氧含量以及氫的不同成鍵模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。通過結(jié)合薄膜微結(jié)構(gòu)的分析我們發(fā)現(xiàn)在較低功率密度的生長條件下,薄膜生長時(shí)表面的氫覆蓋率較高,從而反應(yīng)前驅(qū)物(硅氫基團(tuán))在反應(yīng)表面的遷移率較高,其有更大的機(jī)會(huì)到達(dá)自由能最低的地方,形成晶態(tài)比較高、致密性較好的膜層。而在較高功率密度的生長條件下,高能量氫原/離子的表面吸氫作用降低了反應(yīng)前驅(qū)物的遷移率,從而增加了薄膜的空洞結(jié)構(gòu)。與此同時(shí),高能量氫原/離子具有更強(qiáng)的滲透能力,從而更多的沿晶界進(jìn)入薄膜亞表面,大量鈍化在納米硅生長過程中由氫誘導(dǎo)晶化過程形成的在晶界表面的懸掛鍵,形成位于晶界中的硅氫化合物。 進(jìn)一步通過對(duì)薄膜中氧含量與晶界中硅氫鍵的吸收積分強(qiáng)度的比較我們發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？紤]到納米硅中晶粒小從而晶界比例高,我們認(rèn)為上述現(xiàn)象由如下原因造成:在晶界中,高含量的硅氫化合物形成了更加致密,氫覆蓋率更高的鈍化良好的晶界結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)有效防止了沉積結(jié)束后薄膜在大氣環(huán)境保存過程中氧元素的侵入——薄膜的后氧化。 硅薄膜的后氧化通常會(huì)在硅/二氧化硅界面引入懸掛鍵,從而增加薄膜的缺陷密度。通過電子自旋共振實(shí)驗(yàn),我們?cè)诩{米硅薄膜樣品中同樣發(fā)現(xiàn)了兩者間的相關(guān)關(guān)系:隨著薄膜中氧含量的增加,其缺陷(懸掛鍵)密度顯著增加。 綜合上述結(jié)果,我們認(rèn)為納米硅薄膜中較高含量的位于晶界結(jié)構(gòu)中的硅氫化合物對(duì)于防止薄膜的后氧化,從而降低薄膜缺陷(懸掛鍵)密度具有至關(guān)重要的作用。 以上的研究得到了國家自然科學(xué)基金(11074169)和國家基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(2010CB933702)的資助。 【關(guān)鍵詞】：氫化納米硅 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 生長機(jī)理 成鍵氫 晶界 后氧化 缺陷密度 準(zhǔn)分子激光晶化
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-15
• 1.1 研究背景與現(xiàn)狀13-14
• 1.2 本文的主要工作14-15
• 第二章 氫化納米硅薄膜的制備與表征手段15-34
• 2.1 硅基材料的分類15-17
• 2.2 硅基納米材料的制備方法17-20
• 2.3 納米硅的物性表征分析手段20-31
• 2.3.1 微觀結(jié)構(gòu)表征20-26
• 2.3.2 光學(xué)性質(zhì)表征26-29
• 2.3.3 電學(xué)性質(zhì)表征29-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 參考文獻(xiàn)32-34
• 第三章 氫化納米硅的生長機(jī)理與制備工藝34-45
• 3.1 氫化納米硅薄膜的生長機(jī)制34-37
• 3.2 氫化納米硅的微觀生長機(jī)制37-43
• 3.2.1 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積38-41
• 3.2.2 氫化納米硅薄膜制備的工藝條件41-43
• 3.3 本章小結(jié)43-44
• 參考文獻(xiàn)44-45
• 第四章 氫化納米硅中成鍵氫對(duì)結(jié)構(gòu)及缺陷的影響45-62
• 4.1 引言45
• 4.2 氫化納米硅樣品的制備45-46
• 4.3 氫化納米硅樣品的微結(jié)構(gòu)表征46-49
• 4.4 氫化納米硅薄膜的微結(jié)構(gòu)分析49-51
• 4.5 氫化納米硅薄膜中成鍵氫對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及后氧化的影響51-56
• 4.6 氫化納米硅薄膜后氧化對(duì)缺陷密度的影響56-58
• 4.7 本章小結(jié)58-60
• 參考文獻(xiàn)60-62
• 第五章 氫化納米硅的準(zhǔn)分子激光晶化62-71
• 5.1 非晶硅的準(zhǔn)分子激光晶化62-66
• 5.2 氫化納米硅的準(zhǔn)分子激光晶化66-68
• 5.3 本章小結(jié)68-70
• 參考文獻(xiàn)70-71
• 第六章 結(jié)論71-73
• 6.1 本文的主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)71-72
• 6.2 下一步的工作及展望72-73
• 致謝73-74
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文和所獲榮譽(yù)74

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