基于温和等离子体沉积技术的a-SiN_x薄膜制备及性质研究

发布时间：2017-07-17 23:36

  本文关键词：基于温和等离子体沉积技术的a-SiN_x薄膜制备及性质研究

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【摘要】：太阳能电池发电作为解决能源问题和环境问题的重要途径之一引起了广泛关注。大约90%的太阳能电池由晶体硅材料制备而成,晶硅太阳能电池的表面复合速率和入射光反射影响着电池的转换效率,因此,研究和制备性能优良的钝化层具有十分重要的意义。氮化硅薄膜由于具有良好的特性,在太阳能电池中能起到很好的减反射及钝化作用,成为晶硅太阳能电池钝化层的理想材料之一。不同的制备方法以及不同的工艺制备参数对氮化硅薄膜的性能有很大的影响,因此大量的研究集中在氮化硅薄膜的制备上。目前,主流的氮化硅薄膜制备技术包括等离子体增强化学气相淀积、电感耦合等离子体增强化学气相淀积、微波等离子体化学气相淀积等,但制备过程中的离子轰击效应可能损伤衬底表面,影响薄膜质量。为了降低离子轰击效应的影响,本论文搭建了一种可避免衬底损伤的温和等离子体沉积系统,基于该系统对氮化硅薄膜进行了制备和性能测试。具体研究工作可概括如下。(1)首先,课题组自主搭建了温和等离子体沉积系统,核心的反应系统主要由反应腔体、射频电源、谐调匹配网络、电感耦合天线组成。等离子体虽然由电感耦合天线产生,但却工作在容性放电模式下,产生的静电场起了主导作用,导致较低的气体离化率以及较低的等离子体密度;径向静电场与衬底表面平行使得离子的运动被约束在与衬底表面平行的方向,因此,温和等离子体沉积系统从降低等离子密度以及约束离子运动方向两方面着手,显著地抑制了离子轰击效应,降低了表面损伤。(2)基于温和等离子体沉积系统在不同工艺参数下(清洗方法、气体流量、射频功率)制备了氮化硅薄膜。利用少子寿命测试仪研究了不同工艺条件下所沉积的氮化硅薄膜的钝化性能,由此确定性能最优的工艺制备参数。研究发现:RCA标准清洗法以及入腔前过氢氟酸更有利于氮化硅薄膜的钝化;氮化硅薄膜的钝化性能和氮气流量密切相关,这归因于薄膜中N-H键含量的变化;射频功率也会影响氮化硅薄膜的钝化性能,因为等离子体密度决定着薄膜中H总量的多少。(3)基于温和等离子体沉积系统制备了不同氮气和硅烷流量比(R=N2/SiH4)的氮化硅薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱(Raman)研究了薄膜的表面形貌和化学组成;利用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、少子寿命测试仪研究了薄膜的键结构、键密度、氢含量以及薄膜在晶硅表面的钝化效果。SEM观测表明,制备的氮化硅薄膜表面均匀,薄膜与衬底的界面清晰平滑;XPS观测表明,薄膜中的元素主要是Si、N,并获得了Si、N含量比;Raman光谱中480 cm-1特征峰由富硅氮化硅薄膜的非晶硅团引起;由FTIR吸收光谱计算得到了键密度和氢含量。实验结果表明:氮化硅薄膜的键密度、氢含量、化学组成和少子寿命主要取决于流量比R;当R=1.25时,成膜质量最好,H含量达到最高为29%。退火后少子寿命提高到251μs,表面复合速率降至85 cm/s,开路电压增到640 m V,在上述条件下获得的氮化硅薄膜钝化效果良好。
【关键词】：晶硅太阳能电池 氮化硅 温和等离子体 少子寿命 钝化 氢含量
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 研究背景与意义8-9
• 1.2 晶硅太阳能电池与氮化硅薄膜9-13
• 1.2.1 晶硅太阳能电池9-12
• 1.2.2 氮化硅薄膜12-13
• 1.3 氮化硅薄膜国内外研究现状13-14
• 1.4 论文的主要研究内容和架构14-16
• 第二章 氮化硅薄膜的制备技术和表征技术16-27
• 2.1 引言16
• 2.2 等离子体16-18
• 2.2.1 等离子体的产生17-18
• 2.2.2 等离子体的形成18
• 2.3 氮化硅薄膜的主要制备技术18-22
• 2.3.1 等离子体增强化学气相淀积18-20
• 2.3.2 电感耦合等离子体增强化学气相淀积20-21
• 2.3.3 微波等离子体淀积21-22
• 2.4 氮化硅薄膜的表征技术22-26
• 2.4.1 少子寿命测试22-23
• 2.4.2 扫描电子显微镜23
• 2.4.3 傅立叶红外光谱仪测试23-24
• 2.4.4 X射线光电子能谱测试24-25
• 2.4.5 椭圆偏振光谱仪测试25
• 2.4.6 拉曼光谱25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 温和等离子体沉积系统27-32
• 3.1 引言27
• 3.2 温和等离子体27-31
• 3.2.1 温和等离子体的原理27-28
• 3.2.2 温和等离子体系统的搭建28-31
• 3.3 温和等离子体系统的操作规范以及注意事项31
• 3.4 本章小结31-32
• 第四章 工艺制备参数对氮化硅薄膜性能的影响32-40
• 4.1 引言32
• 4.2 实验流程32-34
• 4.2.1 衬底材料的选择32
• 4.2.2 衬底材料的清洗32-33
• 4.2.3 制备流程33-34
• 4.3 清洗方法对氮化硅薄膜性能的影响34-37
• 4.4 气体流量比对氮化硅薄膜性能的影响37-38
• 4.5 射频功率对氮化硅薄膜性能的影响38-39
• 4.6 本章小结39-40
• 第五章 氮化硅薄膜在晶硅表面的钝化研究40-51
• 5.1 引言40
• 5.2 氮化硅薄膜的微观形貌表征40-42
• 5.3 氮化硅薄膜的成分分析42-44
• 5.4 氮化硅薄膜钝化效果研究44-49
• 5.4.1 钝化的机理44-45
• 5.4.2 氮化硅薄膜的微结构性能45-48
• 5.4.3 氮化硅薄膜的钝化效应48-49
• 5.5 本章小结49-51
• 第六章 总结与展望51-53
• 6.1 总结51-52
• 6.2 展望52-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-59
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文59

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本文编号：555146