薄膜太陽(yáng)能電池課程需掌握知識(shí)點(diǎn)

薄膜太陽(yáng)能電池課程需掌握知識(shí)點(diǎn)第1頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二緒論第2頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二太陽(yáng)能電池發(fā)展歷程太陽(yáng)能之父MartinA.Green將太陽(yáng)能電池分為三代：第一代：?jiǎn)尉?、多晶等晶體硅系列太陽(yáng)能電池。第二代：銅銦鎵硒(CIGS)、CdTe及硅系列等薄膜太陽(yáng)能電池。第三代：新型太陽(yáng)能電池，包括疊層太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池、熱載流子太陽(yáng)能電池、上下轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能電池。第3頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)：1.

節(jié)約原材料：薄膜太陽(yáng)能電池一般采用光吸收系數(shù)很大的材料作為光吸收層，使得電池厚度比較薄，這樣可以大大減少原材料的使用。2.帶隙可調(diào)。通過(guò)調(diào)整薄膜的成分比例或晶體結(jié)構(gòu)可以改變吸收層的帶隙，有利于光吸收。3.兼容性好?？捎米鞑Ａ粔?，可沉積于柔性沉底。第4頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二太陽(yáng)能電池理論基礎(chǔ)第5頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值都位于k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動(dòng)量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體例子：GaAs，GaN，ZnO價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值不位于k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動(dòng)量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體例子：Si，Ge第6頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體只能吸收能量大于或等于其禁帶寬度的光子；被吸收的光子將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；在太陽(yáng)能電池中，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(光生載流子)的量決定了太陽(yáng)能電池的性能。第7頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二利用這一現(xiàn)象，可以通過(guò)測(cè)試半導(dǎo)體材料的光吸收譜來(lái)計(jì)算其禁帶寬度；首先需要計(jì)算薄膜的光吸收系數(shù)：其中：R為反射率；T為透過(guò)率；t為薄膜厚度第8頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二然后根據(jù)Tauc公式：式中m可取值2、1/2、2/3及1/3，分別對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體中的直接允許躍遷、間接允許躍遷、直接禁止躍遷及間接禁止躍遷。一般認(rèn)為當(dāng)m取某一值時(shí)(αhν)m與hν的線性關(guān)系越明顯，半導(dǎo)體中電子的躍遷就以該m值所對(duì)應(yīng)那種方式為主。作vs圖,將直線部分外推至=0處，即為薄膜的光學(xué)帶隙。第9頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第10頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二同時(shí)根據(jù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度可以判斷材料對(duì)光的吸收限：波長(zhǎng)小于該吸收限的光才會(huì)被半導(dǎo)體吸收。反映到透過(guò)率曲線上禁帶寬度越大的材料，其吸收限越藍(lán)移。第11頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二如何快速判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型？熱探針?lè)ㄐ枰弘娎予F、萬(wàn)用表(毫安、毫伏表)多子電烙鐵(熱源)+-毫安或毫伏表熱端由于熱激發(fā)作用，熱端多子增多，這樣就會(huì)在熱端與冷端之間產(chǎn)生多子濃度差。多子由熱端擴(kuò)散至冷端，這樣就會(huì)在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。當(dāng)導(dǎo)電類型為p型時(shí)，空穴會(huì)擴(kuò)散至冷端，使冷端電勢(shì)升高；當(dāng)導(dǎo)電類型為n型時(shí)，電子會(huì)擴(kuò)散至冷端，使冷端電勢(shì)降低。第12頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.5太陽(yáng)能電池發(fā)電原理勢(shì)壘區(qū)光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分離。電子進(jìn)入n區(qū)，空穴進(jìn)入p區(qū)。n區(qū)勢(shì)壘邊界產(chǎn)生的空穴被內(nèi)建電場(chǎng)掃入p區(qū)n區(qū)與n區(qū)邊界之間產(chǎn)生空穴的濃度梯度n區(qū)產(chǎn)生的廣生空穴擴(kuò)散至該邊界，而光生電子則留在n區(qū)。p區(qū)光生電子的運(yùn)動(dòng)情況與n區(qū)光生空穴的類似。第13頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.5太陽(yáng)能電池發(fā)電原理通過(guò)上述過(guò)程，光生載流子在p-n結(jié)兩端積累。與平衡狀態(tài)相比，n區(qū)有了過(guò)剩電子，p區(qū)有了過(guò)剩空穴。這就建立起了以p區(qū)為正、n區(qū)為負(fù)的光生電動(dòng)勢(shì)。將上述太陽(yáng)能電池兩端接入負(fù)載，在持續(xù)光照下就會(huì)有電流從電池的p端經(jīng)過(guò)負(fù)載流入n端。第14頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二J-V曲線的意義與兩個(gè)坐標(biāo)軸的截距分別為Jsc和Voc。與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)位置作切線可表征太陽(yáng)能電池器件的串聯(lián)電阻。(一般希望電池的串聯(lián)電阻越小越好)與縱坐標(biāo)軸焦點(diǎn)的位置作切線可表征太陽(yáng)能電池器件的并聯(lián)電阻。(一般希望電池的并聯(lián)電阻越大越好)第15頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二J-V曲線的意義第16頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二量子效率曲線的意義EQE未考慮入射光的反射損失；量子效率曲線的變化可以反映整個(gè)電池器件不同厚度位置的優(yōu)劣。第17頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二真空基礎(chǔ)第18頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二真空泵的分類

輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。

a、機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵：旋片式機(jī)械泵、羅茨泵、渦輪分子泵

b、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，并排出系統(tǒng)之外，如低溫吸附泵、濺射離子泵。第19頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.5.1機(jī)械泵獲得低真空常采用機(jī)械泵機(jī)械泵是運(yùn)用機(jī)械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，主要依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個(gè)可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。它可以直接在大氣壓下開(kāi)始工作，極限真空度一般為10-1Pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V的大小有關(guān)，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。第20頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二機(jī)械泵第21頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二機(jī)械泵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

2.工作可靠

3.可以直接在大氣壓下工作缺點(diǎn)：

1.油蒸氣回流

2.容易污染系統(tǒng)極限真空：10-1Pa工作范圍：大氣壓到10-1Pa。第22頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.5.4渦輪分子泵第23頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二渦輪分子泵工作原理渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀。葉片以20000～30000rpm的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片將動(dòng)量傳給氣體分子。同時(shí)，渦輪分子泵中裝有很多級(jí)葉片，上一級(jí)葉片輸送過(guò)來(lái)的氣體分子又會(huì)受到下一級(jí)葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級(jí)。像油擴(kuò)散泵一樣，也是靠對(duì)氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)工作的。第24頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1.極限真空度高

2.壓縮比高

3.油蒸氣的回流可以忽略

4.抽速可達(dá)1000L/s。缺點(diǎn)：

1.價(jià)格較高

2.噪音大，有振動(dòng)極限真空度：10-8Pa；工作范圍：10-1Pa～10-8Pa注意：不能與大氣直接相連，在使用中多用旋片式機(jī)械泵作為其前級(jí)泵。第25頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.6真空的測(cè)量真空測(cè)量用的元件稱為真空計(jì)，又稱真空規(guī)

U形管真空計(jì)低真空壓縮式真空計(jì)電阻式真空計(jì)

高真空電離式真空計(jì)第26頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二蒸發(fā)沉積薄膜技術(shù)第27頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二蒸發(fā)沉積薄膜技術(shù)蒸發(fā)沉積是物理氣相沉積技術(shù)的一種。所謂的物理氣相沉積是指利用某種物理過(guò)程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過(guò)程。第28頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二合金元素蒸發(fā)由于原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，因此，合金中各元素的蒸發(fā)過(guò)程可近似視為各元素相互獨(dú)立的蒸發(fā)過(guò)程，就像純?cè)卣舭l(fā)過(guò)程一樣。合金在蒸發(fā)和沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生成分的偏差，一般飽和蒸汽壓較高的材料容易從蒸發(fā)源中逸出，使制備的薄膜中富集這種元素。蒸發(fā)法不宜被用來(lái)制備組元蒸氣壓差別較大的合金薄膜。第29頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二薄膜生長(zhǎng)機(jī)制層狀生長(zhǎng)機(jī)制島狀生長(zhǎng)機(jī)制混合生長(zhǎng)機(jī)制第30頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二氣體的平均自由程分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時(shí)間里走過(guò)的平均距離。為分子直徑（5×10-10m數(shù)量級(jí)）

p為壓強(qiáng)（Pa）

T為氣體溫度

k為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23焦耳/K)第31頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二影響薄膜純度的因素1.蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；2.加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；3.真空系統(tǒng)中殘留的氣體，雜質(zhì)氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)的原子分別射向襯底，并可能同時(shí)沉積在襯底上。第32頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.3.1電阻式蒸發(fā)裝置電阻加熱方式是采用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，或采用石英坩堝等。根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)以及蒸發(fā)源材料的浸潤(rùn)性等制作成不同的蒸發(fā)源形狀。第33頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二電阻熱蒸發(fā)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1.設(shè)備成本低

2.操作簡(jiǎn)單

3.適于蒸發(fā)單質(zhì)薄膜缺點(diǎn)：

1.支撐物與蒸發(fā)物反應(yīng)

2.難于獲得高溫

3.蒸發(fā)率低

4.化合物蒸發(fā)時(shí)會(huì)分解第34頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二濺射第35頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二氣體放電過(guò)程（1）開(kāi)始：電極間無(wú)電流通過(guò)，氣體原子多處于中性，只有少量的電離粒子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成極微弱的電流。（2）隨電壓升高：電離粒子的運(yùn)動(dòng)速度加快，則電流隨電壓而上升，當(dāng)粒子的速度達(dá)飽和時(shí)，電流也達(dá)到一個(gè)飽和值，不再增加；第36頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（3）湯生放電：電壓繼續(xù)升高，離子與陰極靶材料之間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來(lái)，同時(shí)外電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極產(chǎn)生二次電子，參與與氣體分子碰撞，并使氣體分子繼續(xù)電離，產(chǎn)生新的離子和電子。這時(shí)，放電電流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱為湯生放電。湯生放電后期稱為電暈放電。第37頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二輝光放電輝光放電：湯生放電后，氣體會(huì)突然發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。此時(shí)氣體具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，稱這種具有一定導(dǎo)電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電電壓卻有所下降。導(dǎo)電粒子大量增加，能量轉(zhuǎn)移也足夠大，放電氣體會(huì)發(fā)生明顯的輝光。電流不斷增大，輝光區(qū)擴(kuò)大到整個(gè)放電長(zhǎng)度上，電壓有所回升，輝光的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，可提供面積大、分布均勻的等離子體。第38頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二弧光放電：電壓大幅下降，電流大幅增加，產(chǎn)生弧光放電，電弧放電斑點(diǎn)，陰極局部溫度大幅升高，陰極自身會(huì)發(fā)生熱蒸發(fā)。第39頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二輝光放電是在真空度約為10-1Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種穩(wěn)定的自持放電。濺射法基于荷能粒子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，而整個(gè)濺射過(guò)程都是建立輝光放電的基礎(chǔ)之上。第40頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2濺射工作原理

所謂濺射是指荷能粒子轟擊固體表面(靶)，使固體原子(或分子)從表面射出的現(xiàn)象。這些被濺射出來(lái)的原子將帶有一定的動(dòng)能．并且具有方向性。應(yīng)用這一現(xiàn)象將濺射出來(lái)的物質(zhì)沉積到基片或工型表面形成薄膜的方法稱為濺射(鍍膜)法。第41頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二濺射產(chǎn)額的影響因素入射離子能量入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響靶材溫度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響第42頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二濺射法的主要特點(diǎn)a、在濺射過(guò)程中入射離子與靶材之間有很大的能量傳遞，因此濺射出的原子將從中獲得很大的能量，在沉積時(shí)，高能量的原子對(duì)襯底的撞擊提高了原子自身在薄膜表面的擴(kuò)散能力，使薄膜的組織更致密、附著力也得到明顯改善。當(dāng)然這也會(huì)引起襯底溫度的升高。

b、制備合金薄膜時(shí)，成分的控制性能好。第43頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二c、濺射靶材可以是極難熔的材料。因此，濺射法可以方便地用于高熔點(diǎn)物質(zhì)的濺射和薄膜的制備。

d、可利用反應(yīng)濺射技術(shù)，從金屬元素靶材制備化合物薄膜。

e、有助于改善薄膜對(duì)于復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜表面的粗糙度第44頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二濺射方法直流濺射：適于良導(dǎo)體射頻濺射：適于絕緣體，半導(dǎo)體，導(dǎo)體等磁控濺射：沉積溫度低，速率高反應(yīng)濺射：薄膜材料與靶材不同離子束濺射：靶和基片與加速極不相干第45頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（1）直流濺射設(shè)備

直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射，適用于導(dǎo)電性較好各類合金薄膜。第46頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二基本原理

在對(duì)系統(tǒng)抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負(fù)電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產(chǎn)生氬離子和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，電子在電場(chǎng)作用下飛向陽(yáng)極，氬離子則在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極—靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當(dāng)高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。第47頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二直流濺射條件工作氣壓10Pa；濺射電壓1000V；靶電流密度0.5mA/cm2；薄膜沉積率低于0.1μm/min。第48頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（2）射頻濺射設(shè)備適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。第49頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二射頻濺射的基本原理兩極間接上射頻（5~30MHz）電源后，兩極間等離子體中不斷振蕩運(yùn)動(dòng)的電子從高頻電場(chǎng)中獲得足夠的能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使后者電離，產(chǎn)生大量的離子和電子；此時(shí)不再需要在高壓下（10Pa左右）產(chǎn)生二次電子來(lái)維持放電過(guò)程，射頻濺射可以在低壓（1Pa左右）下進(jìn)行，沉積速率也因此時(shí)氣體散射少而較二極濺射為高；高頻電場(chǎng)可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進(jìn)入沉積室，而不必再要求電極一定要是導(dǎo)體；由于射頻方法可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場(chǎng)作用的同時(shí)，靶材會(huì)自動(dòng)處于一個(gè)較大的負(fù)電位下，從而導(dǎo)致氣體離子對(duì)其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對(duì)其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過(guò)程。第50頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二射頻濺射條件工作氣壓1.0Pa；濺射電壓1000V；靶電流密度1.0mA/cm2；薄膜沉積速率低于0.5μm/min。第51頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（3）磁控濺射設(shè)備磁控濺射法則因?yàn)槠涑练e速率較高（比其他濺射法高出一個(gè)數(shù)量級(jí)），工作氣體壓力較低而具有獨(dú)特的優(yōu)越性。一般的濺射沉積方法具有的兩個(gè)缺點(diǎn)：

a、沉積速率較蒸發(fā)法低；

b、所需工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長(zhǎng)，放電現(xiàn)象不易維持，從而導(dǎo)致薄膜被污染的可能性較高。第52頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二基本原理當(dāng)電子在正交電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運(yùn)動(dòng)將由直線運(yùn)動(dòng)變成擺線運(yùn)動(dòng)。電子將可以被約束在靶材表面附近，延長(zhǎng)其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過(guò)程的幾率。這樣，既可以降低濺射過(guò)程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效率和沉積速率。第53頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第54頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二磁控濺射的特點(diǎn)工作氣壓低(<1Pa)，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；維持放電所需的靶電壓低電子對(duì)襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度；容易實(shí)現(xiàn)在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。第55頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二缺點(diǎn)：對(duì)靶材的濺射不均勻，薄膜的均勻性還有待進(jìn)一步提高；不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無(wú)磁力線通過(guò)；第56頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（4）離子束濺射設(shè)備第57頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二離子束濺射的基本原理產(chǎn)生離子束的獨(dú)立裝置被稱為離子槍，它提供一定的束流強(qiáng)度、一定能量的Ar離子流。離子束以一定的入射角度轟擊靶材并濺射出其表層的原子，后者沉積到襯底表面即形成薄膜。在靶材不導(dǎo)電的情況下，需要在離子槍外或是在靶材的表面附近，用直接對(duì)離子束提供電子的方法，中和離子束所攜帶的電荷。第58頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二離子束濺射的特點(diǎn)氣體雜質(zhì)小，純度高，因?yàn)闉R射是在較高的真空度條件下進(jìn)行的。由于在襯底附近沒(méi)有等離子體的存在，因此也就不會(huì)產(chǎn)生等離子轟擊導(dǎo)致襯底溫度上升、電子和離子轟擊損傷等一系列問(wèn)題。由于可以用到精確地控制離子束的能量、束流大小與束流方向，而且濺射出的原子可以不經(jīng)過(guò)碰撞過(guò)程而直接沉積薄膜，因而離子束濺射方法很適合于作為一種薄膜沉積的研究手段。第59頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二CVD第60頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二氣相外延中Si的清洗步驟（1）丙酮和乙醇超聲清洗去除有機(jī)物（2）1號(hào)洗液清洗（溫度800C，時(shí)間15分鐘）高純?nèi)ルx子水＋過(guò)氧化氫＋氨水比例：7:1:1（3）2號(hào)洗液清洗（溫度800C，時(shí)間15分鐘）高純?nèi)ルx子水＋過(guò)氧化氫＋鹽酸比例：8:2:1（4）去離子水沖洗干凈（5）HF漂洗硅片。清洗干凈后硅片表面應(yīng)與水完全不潤(rùn)濕。第61頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4.1.1基本的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程高溫分解還原反應(yīng)歧化反應(yīng)第62頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二高溫分解某些元素的氫化物和金屬有機(jī)化合物在高溫下是不穩(wěn)定的，它們將分解成元素而沉積，這種反應(yīng)是不可逆的。利用熱解反應(yīng)進(jìn)行外延生長(zhǎng)，將稱為今后應(yīng)用最為廣泛的生長(zhǎng)工藝第63頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二氫化物分解第64頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二還原反應(yīng)還原反應(yīng)是將含有欲沉積物質(zhì)的化合物被還原劑還原，并沉積在襯底上。還原反應(yīng)的特點(diǎn)是具有正的反應(yīng)熱，是在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)通常氫氣作還原劑，同時(shí)也用它作載氣這里反應(yīng)是可逆反應(yīng)第65頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第66頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二歧化反應(yīng)具有歧化作用的元素能夠生成幾種氧化態(tài)的氣態(tài)化合物，在反應(yīng)過(guò)程中，由于反應(yīng)物在較低溫度下不穩(wěn)定，一部分被氧化成高價(jià)的比較穩(wěn)定的化合物，另一部分被還原成該元素的原子沉積在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。利用歧化反應(yīng)，一般都在多溫區(qū)爐內(nèi)進(jìn)行，至少需要兩個(gè)溫區(qū)。第67頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第68頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二MOCVD的主要缺點(diǎn)1.有機(jī)金屬原料一般有毒、易燃，易爆必須配置尾氣處理系統(tǒng)第69頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二硅薄膜太陽(yáng)能電池第70頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二HIT太陽(yáng)能電池本征非晶硅薄膜鈍化單晶硅表面，摻雜非晶硅薄膜作為太陽(yáng)能電池的發(fā)射極。優(yōu)點(diǎn)：1.光電轉(zhuǎn)換效率高，與傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)能電池效率基本相當(dāng)。2.整個(gè)制備過(guò)程低溫(200oC)，能耗低。3.制備過(guò)程耗時(shí)短，進(jìn)一步降低能耗。(數(shù)十秒即可完成發(fā)射極的沉積過(guò)程)4.開(kāi)路電壓高，溫度系數(shù)低(Eff.%/oC)。第71頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二HIT太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)第72頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二HIT太陽(yáng)能電池制備關(guān)鍵技術(shù)1.硅片裝入腔室前，HF漂洗硅片。2.沉積薄膜前，H處理硅片表面。3.本征a-Si:H薄膜鈍化硅片。4.發(fā)射極的厚度及摻雜濃度的控制。第73頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.1硅片裝入腔室前，HF漂洗硅片目的：(1)去掉清洗過(guò)程中硅片表面形成的自然氧化層。(2)HF溶液中H鈍化硅片表面懸掛鍵。漂洗后，硅片與水完全不潤(rùn)濕。第74頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.2沉積薄膜前，H處理硅片表面目的：1.刻蝕掉硅片表面殘余損傷層。2.鈍化硅片表面硅懸掛鍵。第75頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二H處理硅片表面方式：腔室中只通入H2，利用等離子體輝光放電(PECVD)或高溫?zé)峤z催化(HWCVD)分解H2,產(chǎn)生活性H原子，利用活性H原子處理硅片表面。關(guān)鍵參數(shù)：射頻功率(PECVD)或熱絲溫度(HWCVD)；處理時(shí)間。第76頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.3本征a-Si:H薄膜鈍化硅片該工藝為HIT太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中最關(guān)鍵的工藝。本征a-Si:H對(duì)硅片表面鈍化的好壞對(duì)電池效率的影響明顯。在保證a-Si:H質(zhì)量的前提下，防止a-Si:H生長(zhǎng)初期發(fā)生外延現(xiàn)象。本征a-Si:H厚度一般為10nm左右。第77頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜制備方式：1.直接沉積制備多晶硅薄膜。液相外延：LPE常壓化學(xué)氣相沉積：APCVD低壓化學(xué)氣相沉積：LPCVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積：PECVD熱絲化學(xué)氣相沉積：HWCVD第78頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池最大的技術(shù)問(wèn)題在于如何降低晶界對(duì)光生載流子副作用。晶界聚集大量缺陷：點(diǎn)、線、面缺陷，雜質(zhì)原子，懸掛鍵。在設(shè)計(jì)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池時(shí)，需要綜合考慮多晶硅薄膜的質(zhì)量與膜厚之間的平衡。第79頁(yè)，共88頁(yè)，2023年，2月20日，星期二非晶硅/微晶硅/納米硅薄膜太陽(yáng)能電池一般由PECVD或HWCVD直接沉積制備得到。一般而言，