低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究.pdf

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1、第34卷，第8期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．8，pp2169—21742014年8月SpectroscopyandSpectra1AnalysisAugust，2014低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究段良飞，杨雯，杨培志，张力元，宋肇宁。1．可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室，云南昆明6500922．云南师范大学太阳能研究所，云南昆明6500923．WrightCenterforPhotovoltaicInnovationandCommercialization，DepartmentofPhysicsandAs

2、tronomy，theUniversityofToledo，43606，USA摘要采用射频磁控溅射镀膜系统，在玻璃衬底上制备了非晶硅(a-Si)／铝(A1)复合薄膜，结合氮气(Nz)气氛中低温快速光热退火制备了纳米晶硅(ne-Si)薄膜；利用光学显微镜、共焦光学显微仪、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射光谱(Raman)仪和紫外一可见光一近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米晶硅薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征，研究了退火工艺对薄膜性能的影响。结果表明：300℃，25min光热退火可使,rSi／A1膜晶化为纳米晶硅薄膜，晶化率为15

3、．56，晶粒尺寸为1．75nm；退火温度从300℃逐渐升高到400℃，纳米晶硅薄膜晶粒尺寸、晶化率、带隙逐渐增加，表面均匀性、晶格畸变量逐渐减小；退火温度从400℃逐渐升高到500℃，纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶化率继续增加，带隙则逐渐降低；采用纳米晶硅薄膜的吸光模型验证了所制备的纳米晶硅薄膜的光学特性，其光学带隙的变化趋势与吸光模型得出的结果一致。关键词纳米晶硅；铝诱导；物相；光学性能中图分类号：TN304文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000—0593(2014)08—2169—06金属硅化物，金属和硅原子通过这种硅化物进

4、行互扩散，诱引言导的金属将会掺进多晶硅中成为杂质，在硅的能带中引入一个能级。其中，金属铝引起的杂质能级最浅(约0．069纳米晶硅(nanocrystallinesilicon)薄膜具有载流子迁移eVf”])，非常接近价带，使得非晶硅向晶硅转变时活化能降率高、吸收系数大、能有效降低光致衰退效应、宽光谱响低口。因此，铝作为诱导金属可低温制备出性能良好的纳米应L】]等特点，同时还兼具非晶硅(amorphoussilicon)薄膜的晶硅薄膜。易实现大面积生产，可在柔性衬底上制备l2]等优点；采用纳本工作利用射频磁控溅射镀膜系统，制备出a-Si／A1薄米晶

5、硅制作的薄膜太阳电池有望获得高效率l3]。因此，纳米膜，结合低温(≤500℃)快速光热退火获得了纳米晶硅薄晶硅成为了硅基太阳电池材料研究的热点之一。纳米晶硅薄膜，并对薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征，初膜大多由非晶硅薄膜晶化获得。目前，非晶硅薄膜晶化的方步揭示了纳米晶硅薄膜表面形貌、晶粒尺寸、晶化率与光学法主要有：快速退火法、激光退火法、固相再结晶法，金属性能参数间的关系；用吸光模型验证了实验结果。诱导法[4]和微波退火法_5]等。金属诱导快速退火晶化法因具有退火温度低、时间短、能耗低等优点_7而倍受青睐。人们1实验部分通过对铝(A1)[

6、、金(Au)[、铜(Cu)[等金属诱导非晶硅薄膜晶化的研究，证实了自由能降低是金属诱导非晶硅薄膜晶1．1薄膜的制备化的驱动力。Tu等认为金属自由电子的存在，使金属附利用JCP-450型三靶射频磁控溅射镀膜系统，采用纯度近的Si—si键的强度降低，从而导致活化能降至1．1e、，[]。为99．99的多晶P型硅靶和纯度为99．999％的铝靶为靶Hultman等_7认为金属和非晶硅在其界面形成一种亚稳态富材，以玻璃为衬底，依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水分收稿日期：2014—01—22。修订日期：2014—04—15基金项目：国家自然科学基金联合基金项目

7、(UlO376o4)资助作者简介：段良飞，1988年生，云南师范大学太阳能研究所硕士研究生e-mail：liangfeiduan@hotmail．corn*通讯联系人e-mail：pzhyang(~hotmail．corn第8期光谱学与光谱分析217l见，退火温度为300℃时，没有明显的衍射峰l从300℃升高到350℃时，出现明显的A1(111)，Al(200)，A1(220)和Al(311)衍射峰，峰位均向左偏移了约0．4。；从350℃升高到400℃时，出现Si(111)衍射峰，强度较弱，A1的各衍射峰均减弱；从400℃升高到450℃，A1的各

8、衍射峰也进一步减弱；从450℃升高到500℃时，Al的各衍射峰几乎全部消失，仅出现Si(1l1)衍射峰。300℃退火时，a-Si薄膜晶化