太阳能电池薄膜制备方法有哪些, -爱游戏平台

引言

我们已经使用“种子层概念”在薄膜太阳能电池的玻璃上形成大晶粒多晶硅(多晶硅)膜，该概念基于薄的大晶粒多晶硅模板(种子层)的外延增厚。由于玻璃衬底，所有工艺步骤都被限制在大约600℃的温度。基于非晶硅的铝诱导结晶(aic)的铝诱导层交换(alile)工艺已被用于制备具有大晶粒和表面高优先(100)取向的p 型籽晶层。

种子层形成

我们描述了由铝诱导层交换(alile)工艺形成的种子层。该工艺基于铝诱导的无定形硅结晶(aic)。alile工艺的起点是玻璃/铝/铝-硅叠层。在我们的方法中，我们使用了清洁的玻璃基板，两层(铝和α-硅)已经通过直流磁控溅射沉积在同一室中。alile工艺要求在铝和非晶硅层之间有一层薄的渗透膜，以控制铝和硅的扩散。

通常，该膜由铝硅沉积前铝涂层玻璃基底暴露于空气中形成的氧化铝层组成。我们的标准氧化时间是2小时。铝和非晶硅的沉积薄膜厚度分别约为300纳米和375纳米。硅相对于铝的过量是在玻璃衬底上制备连续多晶硅薄膜所必需的。在低于铝/硅体系共晶温度(teu = 577)的温度下，初始玻璃/铝/铝-硅叠层的退火导致层交换和硅的同时结晶，产生玻璃/多晶硅/铝( 硅)叠层(图1)。在整个alile过程中，膜保持在原位(由图1中的灰色线表示)。因此，所得多晶硅膜(种子层)的厚度由初始铝层的厚度决定。种子层顶部的铝层含有一些硅夹杂物(“硅岛”)。

图1 “正常”铝诱导层交换(alile)工艺示意图

lile过程始于硅穿过渗透膜扩散到铝层。这导致铝层内的硅浓度增加，直到达到成核的临界浓度。然后，在铝层内形成硅核。这些核向各个方向生长，直到它们被垂直限制在玻璃基底和可渗透膜之间。之后，增长只在横向继续。新核的连续形成和它们的生长降低了硅的浓度，直到它下降到成核的临界浓度以下。通过这种机制，进一步的成核被抑制，使得最终的多晶硅膜具有大晶粒的特征。由于铝层仍然是过饱和的(即硅浓度超过饱和浓度)，现有晶粒的生长在横向上继续，直到相邻晶粒彼此接触，并最终在玻璃衬底上形成连续的大晶粒多晶硅膜。样品已经在400℃和550℃之间的温度下退火(即，远低于铝/硅体系的共晶温度)。退火温度对alile工艺有很大影响:退火温度越高，成核密度越高，导致晶粒越小，工艺时间越短。

本文提出了种子层的高优先(100)取向对于随后在低温下外延生长的重要性。因此，我们用电子背散射衍射(ebsd)研究了多晶硅薄膜的晶粒取向。图2示出了通过alile工艺形成的多晶硅膜的ebsd取向图的反极图。靠近倒极点图(100)角的ebsd测量点的聚集清晰可见。大约75 %的调查区域相对于完美(100)方向倾斜小于20°。在图2中，反向极图的相应区域由虚线表示。我们使用这个定义(相对于完美(100)取向小于20°倾斜)来量化样品的优先(100)取向r(100)。随着退火温度的降低，优先(100)取向增加。

图2由正常alile工艺制备的聚硅薄膜的电子背向散射衍射(ebsd)取向图的逆极点图

低温外延：

我们已经研究了硅在低温(低于600℃)下在硅晶片(单晶和多晶)和多晶硅种子层(通过alile工艺制备)上的外延生长。在生长之前，衬底(硅晶片和多晶硅籽晶层)已经通过标准的rca程序进行了清洗。在氢氟酸(hf (2 %)中进行最后一次浸泡，以去除天然氧化物。薄膜是通过电子回旋共振化学气相沉积法生长的，使用氢气(h2)作为激发气体，硅烷(四氢硅)、乙硼烷(b2h6)和氢气(h2)的混合物作为工艺气体。在电子回旋共振化学气相沉积工艺中，额外的非热能被提供给生长膜的表面，该表面在低温下支持外延生长。然而，在低温下，生长的硅膜的结构质量很大程度上取决于衬底的晶体取向。在硅(100)晶片上获得了最好的结果，硅薄膜外延生长，厚度可达2.5 m。在一些衬底上(例如在硅(311)晶片上)，仅在沉积过程开始时观察到外延生长。在达到一定的临界厚度后，生长变为细晶生长。在硅(110)和硅(111)晶片上，没有观察到外延生长。

我们不仅在硅晶片上，而且在多晶硅种子层上生长了硅膜。图3显示了在种子层/玻璃结构上于560℃生长的400纳米厚的硅膜的透射电子显微镜(tem)截面。显示了两个种子层晶粒(标记了相应的晶界)。这些颗粒的表面取向已经通过电子衍射图的分析确定。右手边的纹理表面是(100)取向的。这个晶粒已经外延增厚。左侧的颗粒表面相对于(100)倾斜了7.8°。在这个晶粒上生长了细晶硅。这清楚地表明，相对于(100)的相对小的倾斜已经可以导致硅的精细晶体生长。这意味着不是所有相对于(100)倾斜小于20°的种子层表面都可以外延增厚。

图3用ecrcvd在560°c（无硼掺杂）下生长的400nm厚si薄膜的透射电子显微镜(tem)

总结

本文描述了用“种子层概念”在玻璃上制备大晶粒多晶硅薄膜的方法。我们研究了通过“正常”和“反向”alile过程制备种子层。已经表明，渗透膜在控制加工时间、成核密度(即晶粒尺寸)和优先(100)取向方面起着重要作用。因此，这是进一步优化种子层的关键因素。已经强调了种子层的高优先(100)取向对于随后在低温下外延生长的重要性。根据我们的定义，到目前为止，我们观察到的优先(100)取向高达75 %和85 %“正常”和“逆”alile过程。这必须进一步优化，因为通过电子回旋共振化学气相沉积法生长硅强烈依赖于下面晶粒的取向。

用硅晶片研究了硅生长与衬底取向的关系。利用刻蚀实验，我们研究了在硅(100)晶片上外延生长的硅薄膜的结构质量。已经发现并部分识别了几种类型的蚀刻坑。实验清楚地表明，必须改善外延生长，甚至在硅(100)表面上。我们已经通过电子逆向化学气相沉积在由“正常”alile工艺制备的种子层上生长硅。大约83 %的表面已经外延增厚。这也需要加强。铝从籽晶层和玻璃衬底扩散到吸收层似乎对太阳能电池的发展没有问题。利用“种子层概念”，已经制备了第一批太阳能电池。通过未经优化的硼掺杂，我们达到了284毫伏的生长开路电压。应用缺陷退火和缺陷钝化，预计voc会显著改善。在玻璃上制备适用于高效薄膜太阳能电池的大晶粒多晶硅薄膜仍然是一大挑战

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：薄膜太阳能电池pecvd方法

编号：jfkj-21-656

作者：炬丰科技

关键词：多尺度建模；等离子体增强化学气相沉积；计算流体力学；薄膜太阳能电池；并行计算

摘要

???这项工作的重点是多尺度计算流体动力学的发展（cfd）模拟框架，用于等离子体增强化学气相沉积薄膜太阳能电池。提出了一个宏观cfd模型，该模型能够精确再现二维轴对称反应器几何结构内的等离子体化学和输运现象。此外，在a-si:h薄膜表面发生的复杂相互作用与cfd模拟相耦合，使用一种描述薄膜生长的新型动力学monte carlo方案，从而形成多尺度cfd模型。由于该多尺度cfd模型带来了巨大的计算挑战，因此提出了一种并行计算策略，通过气相网格和微观薄膜生长过程的离散化，减少了处理时间。最后，将多尺度cfd模型应用于工业相关操作条件下的pecvd工艺，发现非晶硅薄膜在晶圆半径上的生长速率不均匀性大于20%。

介绍

???本文提出了一个多尺度cfd模型，该模型捕捉了pecvd系统中宏观和微观区域之间的相互联系。该模型适用于在工业相关条件下（t=475 k，p=1托，进料中氢与硅烷气体的比例为9:1）对a-si:h薄膜进行pecvd。在宏观尺度上，包含120000个单元的结构化网格用于离散腔室反应器几何结构。ansys fluent软件作为一个框架，用于求解控制动量、质量和能量方程，这些方程定义了平行板pecvd反应器内工艺气体的动力学，并协调了模拟域之间的通信。为了使fluent体系结构适合非晶硅薄膜沉积的具体应用，实现了三个用户定义函数（udf）。第一种解释了34种普遍存在的气相反应，包括9种产生等离子体的电离反应。第二个udf根据park等人的工作提供了准确的电子密度分布图。最后一个也是计算要求最高的函数包括一个混合动力学蒙特卡罗算法，用于模拟表征微观区域的复杂表面现象。

过程描述与建模

???本工作中使用的pecvd反应器属于cvd反应器中广泛使用的子类，称为室式平行板反应器。本研究中使用的具体几何结构是一个圆柱形反应室，其晶圆容量为20 cm，淋浴头间距为3 cm。pecvd工艺中可规定两种不同的模拟区域：宏观气相以及复杂的微观表面相互作用。图1强调了这一过程的多尺度特征，以及由于宏观和微观制度之间的相互依赖，需要在两个尺度上捕捉动力学。

除了先前详细描述的传输和反应现象外，与表面相邻的细胞与生长的薄膜层共享质量和能量。具体而言，sih3和h自由基沉积在薄膜上，导致质量下沉，而sih4和h2从表面解吸，代表质量源。此外，在化学吸附过程中，能量通过共价键的断裂和形成而消耗和释放。因此，sh和si项分别添加到能量和质量平衡中。为了清晰起见，这里需要注意的是，微观模拟并不是在每个边界单元内进行的。相反，微观模拟发生在晶圆表面的离散位置（例如，本工作中使用了从r=0.0到10.0 cm的十个离散位置），并通过线性插值找到剩余边界单元的适当质量和能量消耗。

多尺度cfd分析

在宏观尺度上，感兴趣的沉积物种sih3和h的浓度存在显著梯度。这意味着，晶圆表面不同点处的微观模拟应产生非均匀薄膜特性，因为从cfd模型接收空间变化的输入参数。这里给出的结果强调了精确反应堆建模的重要性；具体而言，利用多尺度模型捕捉反应堆整体行为的重要性。通过此处开发的多尺度pecvd模型获得的薄膜不均匀性信息，可为改进反应器几何结构的设计和操作策略提供见解，否则无法使用传统建模方法。

总结

本文提出了一个多尺度cfd模拟框架，包括宏观cfd模型和微观表面相互作用模型，并将其应用于pecvd硅加工。在宏观范围内，通过使用二维轴对称网格和有限差分方法对pecvd几何体进行离散，解决了质量、动量和能量平衡问题。沿着直径为20cm的晶圆边界，提出了一种混合动力学蒙特卡罗算法来解释描述薄膜生长的微观区域内的复杂现象。已经实施并证明了一种并行操作策略，以减少多尺度cfd模型的计算需求，并允许其他计算禁止模型的操作。宏观和微观模拟结合在一起，对pecvd系统的运行产生了深刻的认识；具体而言，观察到的薄膜产品的生长速率（20%）和氢含量的不均匀性表明，详细的建模提供了改进反应器几何形状和流动特性的能力。

导引

? ? ?能源紧缺问题是人类社会发展面临的严峻挑战，通过太阳能电池将太阳能转化为电能是目前解决能源需求最有前景的方案。近年来太阳能电池迅速发展，已经逐步发展成为一种重要的能源来源。与此同时，新型太阳能电池材料和器件迅速发展，有望进一步推动太阳能电池性能的提高，同时其简便的制备方法可以进一步降低太阳能电池成本。

? ? ?那么，太阳能电池是如何工作的？基于溶液法制备的新型光伏材料和器件的发展现状和趋势分别是怎样的？

11月1日(周日)

上海科技大学宁志军教授

将在第十六期“光子学公开课”讲授

基于溶液法制备的新型薄膜太阳能电池

材料与器件

点击查看原图

课程时间

11月1日(周日)下午15:00

授课方式

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往期课程回看

中国激光回看网址：

http://www.opticsjournal.net/columns/photonics

课程介绍

??? 2020年10月24日，光子学公开课正式推出“能源光电材料”专题系列课程。

????面向国家解决能源问题的重大战略需求，能源光电材料是当前研究的热点之一。其以光-电/电-光转换为核心，以材料设计和制备为基础，包含了材料、化学、数理和信息等多学科交叉。在本次系列课程中，斯坦福大学的崔屹老师将从“智能织物”出发，为大家讲解如何以应用为导向，设计和探索能源光电材料。接下来，大连理工大学赵纪军老师将从第一性原理计算方面介绍材料学原理，以及理论计算在能源光电材料设计方面的应用；华中科技大学邵明老师将针对半导体材料，对其光电性质基础及测试分析进行详细讲解；上海同步辐射光源的高兴宇老师将为大家介绍同步辐射技术的产生、特点以及其在能源光电材料中的重要应用；南京工业大学王建浦老师及上海科技大学宁志军老师将针对能源光电领域的两种典型器件：发光二极管与太阳能电池，进行深入的剖析讲解。

背景介绍

? ? ?光子学公开课由国内光学与光子学领域知名高校和研究机构发起，是面向有志于从事相关领域科学探索与技术应用的学生和从业人员推出的公益性在线公开课程，内容涵盖了光学工程学科研究、领域应用和光电专业教育教学的重要热点问题，主讲嘉宾均为国内外光学工程领域具有丰富教学及研究经验的专家学者。该课程旨在凝聚集体智慧，在新的形势下提升我国人才(特别是研究生)的培养质量，为前沿交叉创新和服务国家重大需求贡献力量。

光子学公开课技术委员会

主任

龚旗煌院士北京大学

副主任

张新亮华中科技大学? 陆延青南京大学 ?

仇旻西湖大学

委员

徐雷复旦大学 ?孙洪波清华大学??袁小聪深圳大学?

?戴道锌浙江大学?卢革宇吉林大学 ?

刘伟伟南开大学??何军武汉大学 ?

胡明列?天津大学?张兆田国家基金委?

刘永电子科技大学 ?闫连山西南交通大学