黑硅材料的制备及其热退火工艺研究

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1、西南科技大学工程硕士专业学位论文黑硅材料的制备及其热退火工艺研究作者姓名陈玉平所在学院材料科学与工程学院专业/领域材料工程学校导师杨文彬教授校外导师刘光耀高级工程师论文完成日期2018年5月20日Classifiedindex:TN249U.D.C:530SouthwestUniversityofScienceandTechnologyMasterDegreeThesisStudyontheFabricationofBlackSiliconanditsThermalAnnealingProcessCandidate:YupingCHENDepartment:SchoolofMater

2、ialsScienceandEngineeringSpeciality:MaterialsEngineeringSupervisor1:ProfessorWenbinYANGSupervisor2:SeniorEngineerGuangyaoLIUDate:May20,2018西南科技大学材料工程硕士专业学位论文第I页摘要硅由于禁带宽度（1.12eV）的限制，太阳光谱中波长λ=1.1–2.5μm的近红外光不能被其吸收利用。而太阳光谱中这部分的能量占太阳光总能量约30%。为此，利用超饱和掺硫深能级杂质制备黑硅，以调控硅的能带结构，形成亚带隙，可改变硅的光谱吸收范围。若黑硅材料对全太阳光

3、谱（λ=0.25–2.5μm）的强吸收，有效转换为光生载流子，则有望突破现有硅基太阳能电池的转换效率极限。此外，黑硅还可作为优异的室温红外探测器材料。本论文分别利用SF6背景气氛和Si–S–Si多层膜以作为S深能级杂质源，再通过纳秒脉冲激光辐照成功制备了黑硅材料。利用多种检测分析手段，表征了两种方法制备的黑硅材料的微结构、成分特点，光学性能和电学性能。此外，由于热退火工艺是半导体光电器件的常规工艺，本论文也研究了热退火工艺对黑硅材料性能的影响。研究结果表明，相比飞秒脉冲激光制备方法，纳秒脉冲激光制备的黑硅20−3材料结晶性较好，杂质浓度达到了10cm量级，并具备良好的全太阳光谱吸收率

4、和电学特性，包括较高的载流子浓度、Hall迁移率和较低的薄层电阻。此外，相对SF6气氛的制备工艺，Si–S–Si多层膜制备工艺更简单，成本更低，更适于制备大面积黑硅材料以用于器件。关键词：黑硅制备工艺热退火微结构光电性能西南科技大学材料工程硕士专业学位论文第II页AbstractBecauseofthebandgap(1.12eV),siliconcannotabsorbnear-infraredlightofwavelengthλ=1.1–2.5μminthesolarspectrum.Theenergyinthispartofthesolarspectrumoccupiesabo

5、ut30%ofthetotalsolarenergy.Therefore,blacksiliconfabricatedbyhyperdopingofsulfurdeep-levelimpuritiesisusedtoregulatetheenergybandstructureofsilicontoformsub-bandgaps,therebychangingthespectralabsorptionrangeofsilicon.Ifthestrongabsorptionoffull-solarspectrum(λ=0.25–2.5μm)bytheblacksiliconmateri

6、alcaneffectivelyformphotogeneratedchargecarriers,itisexpectedtoexceedtheconversionefficiencylimitofsilicon-basedsolarcells.Inaddition,blacksiliconcanalsobeusedasanexcellentmaterialforroom-temperatureinfrareddetector.Inthisthesis,sulfurdeep-levelimpuritysourceswereprovidedbySF6backgroundatmosphe

7、reandSi−S−Simultilayerfilms,respectively.Blacksiliconmaterialsweresuccessfullypreparedbynanosecond(ns)-pulsedlaserirradiation.Themicrostructure,composition,opticalproperties,andelectricalpropertiesoftheblacksiliconmaterialsprepare