太阳电池用SiN/a-Si/poly-Si/NiTi薄膜的制备与性能研究

论文摘要

本文在全面总结了目前太阳能电池材料的研究现状和其未来发展趋势,系统研究了Si基薄膜材料各自特性的基础上,用超高真空磁控溅射仪制备了SiN/a-Si/poly-Si/NiTi多层结构薄膜,并用XRD、AFM、SEM、UV-VIS、台阶仪、划痕仪等分析手段研究了薄膜的相结构、微观组织特征、表面特征及其光性能和力学性能。首先,用溅射法在石英衬底上沉积NiTi过渡层,并探讨了衬底温度、溅射功率、溅射气压等主要工艺参数对Quartz/NiTi上沉积的Si薄膜的厚度、微观组织、相结构、光学及力学性能的影响规律,确定出制备薄膜相对优化的工艺参数。在试验所研究的范围内,沉积Si单层薄膜的优化工艺参数为:衬底温度为400℃,溅射功率为100-150W,溅射气压为1.0Pa,Ar气流量为10sccm,沉积时间为1h;在此工艺参数下制备的薄膜主要呈现非晶态,并且此工艺参数下制备的薄膜表面状况及光性能和力学性能比较优良。其次,以此工艺为基础,分别制备出a-Si/NiTi、a-Si/Ti和a-Si薄膜。根据金属诱导非晶硅结晶的原理对三种结构薄膜进行了气氛退火处理,研究结果表明退火温度为600℃时,a-Si已经开始结晶。随着退火温度上升,薄膜结晶程度和晶粒尺寸均在增大,薄膜晶粒大小保持在纳米尺度,薄膜的带隙宽度减小,吸收性能提高,力学性能也显著提升。同时本实验也探讨了NiTi合金诱导非晶硅结晶的机理。最后,根据能带理论和光吸收原理,结合气氛热处理工艺制备出“非晶-多晶”结构的SiN/ a-Si/poly-Si/NiTi薄膜,分析结果表明采用叠层和沉积减反膜均使多层膜的光吸收性能得到提高。同时沉积SiN薄膜可以改善多层膜的表面状况,提高多层薄膜的力学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能电池材料的研究现状和发展趋势
• 1.2 硅薄膜的沉积方法
• 1.2.1 物理气相沉积方法
• 1.2.2 化学气相沉积法
• 1.3 硅薄膜的二次晶化方法
• 1.3.1 固相晶化法（SPC）
• 1.3.2 激光晶化法
• 1.3.3 金属诱导晶化法（MIC）
• 1.4 金属诱导硅薄膜多晶化的研究进展
• 1.5 本课题的研究目的和意义
• 1.6 本课题的研究内容和方法
• 第二章 实验设备和方法
• 2.1 实验原理与设备
• 2.1.1 磁控溅射原理和分类
• 2.1.2 磁控溅射设备
• 2.2 纳米划痕实验原理
• 2.3 实验材料的准备
• 2.3.1 薄膜沉积材料的准备
• 2.3.2 衬底材料的选取、准备
• 2.4 镀膜工艺流程与性能检测
• 2.5 薄膜的退火热处理
• 2.6 薄膜的测试方法
• 2.6.1 薄膜的厚度测量
• 2.6.2 X 射线衍射分析
• 2.6.3 扫描电镜及能谱分析
• 2.6.4 原子力显微镜分析
• 2.6.5 紫外-可见光谱分析
• 2.6.6 划痕试验分析
• 第三章 a-Si/NiTi 薄膜的磁控溅射工艺与性能
• 3.1 a-Si/NiTi 薄膜工艺的优化
• 3.1.1 NiTi 过渡层上a-Si 的沉积特性及表面粗糙度
• 3.1.2 NiTi 过渡层上a-Si 的结晶性能分析
• 3.1.3 a-Si/NiTi 薄膜的光吸收性能分析
• 3.1.4 a-Si/NiTi 薄膜的力学性能分析
• 3.2 a-Si/NiTi 薄膜工艺的参数的确定
• 3.3 本章小结
• 第四章 a-Si/NiTi 薄膜的退火工艺与性能
• 4.1 a-Si/NiTi 薄膜沉积及退火工艺的选择
• 4.2 a-Si/NiTi 薄膜退火后的微结构
• 4.2.1 a-Si/NiTi 薄膜退火后的结晶性能分析
• 4.2.2 a-Si/NiTi 薄膜退火后的微观结构分析
• 4.3 NiTi 诱导a-Si 结晶的原理分析
• 4.4 a-Si/NiTi 薄膜退火后的光性能分析
• 4.5 a-Si/NiTi 薄膜退火后的力学性能分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 SiN/a-Si/poly-Si/NiTi 多层膜的制备与性能
• 5.1 SiN/a-Si/poly-Si/NiTi 多层膜的设计和制备
• 5.2 SiN/a-Si/poly-Si/NiTi 多层膜的微结构
• 5.3 SiN/a-Si/poly-Si/NiTi 多层膜的光性能分析
• 5.4 SiN/a-Si/poly-Si/NiTi 多层膜的力学性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学习期间发表的学术论文