增透膜的非晶硅薄膜晶化工艺研究
增透膜的非晶硅薄膜晶化工艺研究[20191223142332]
摘 要
本文分别以多晶硅和单晶硅为衬底，以等离子增强气相沉积系统制备的非晶硅薄膜为前驱物，采用YAG激光分别对多晶和单晶衬底上的薄膜进行处理，通过改变了激光的频率，实现薄膜的高温快速微晶化处理。同时采用XRD衍射仪、AFM电镜，SEM电镜对YAG激光外延生长的薄膜进行了表征与分析。
本文研究的是非晶硅薄膜的激光低损伤晶化工艺方法，以非晶硅薄膜上的淀积氮化硅薄膜作为激光退火增透膜。实验结果表明，随着激光退火频率的升高，有无增透膜样品的衍射强度都出现了先下降后上升再下降的现象。增透膜样品的最强衍射峰在10Hz至15Hz激光退火以后，然而无增透膜样品的最强衍射峰则出现在20Hz激光退火以后。SEM的研究结果表明，运用增透膜可以降低非晶硅薄膜激光退火脉冲的频率，从而减小非晶硅薄膜激光损伤，是一种低损伤的激光晶化工艺。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:晶化晶硅太阳能非晶硅薄膜退火工艺
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1太阳能电池的研究背景 1
1.1.1太阳能电池产业的发展历史 1
1.1.2太阳能电池材料的发展现状和意义 2
1.1.3本文的研究内容 3
第二章 激光与物质作用的基础理论 4
2.1物质对激光的反射和吸收 4
2.2激光作用固体材料的热方程求解 4
第三章 工艺设计、试验设备 7
3.1多晶薄膜的制备 7
3.1.1直接沉膜法 7
3.1.2 固相晶化法 8
3.1.3 常规高温炉退火 8
3.1.4 金属诱导晶化(MIC) 9
3.2等离子增强气相化学沉积(PECVD)设备 9
3.4测试设备 13
3.4.1 X射线衍射(XRD)仪 13
3.4.2电子扫描显微镜(SEM) 13
3.4.3原子力显微镜(AFM) 14
第四章YAG激光硅薄膜晶化实验与分析 14
4.1非晶硅膜的制备 14
4.1.1 硅片衬底的清洗 14
4.1.2 等离子增强气相化学沉积（PECVD）系统制膜 14
表4-1 非晶硅薄膜沉积参数 15
4.2抗反射表面对薄膜结晶性能的影响 15
4.2.1 氮化硅增透膜及非晶硅薄膜制备 16
4.2.2 氮化硅增透膜多晶衬底薄膜外延生长非晶硅薄膜XRD和SEM 16
结束语 19
参考文献 20
致 谢 21
第一章 绪 论
1.1太阳能电池的研究背景
全球60亿人口的衣、食、住、行等都离不开能源。现今世界，如果没有能源，我们现在的所见所闻将消失。从1973年中东战争和1979年发生的“石油危机”、“石油短缺”、“油价暴涨”等问题，能源危机引起了人们的关注，如何解决能源危机变成当前的主要问题，与此同时也在不断寻找新型的能源，比如水能、风能、地热能、海洋能、天然气、原子能、太阳能等等。其中太阳能是最具有潜力的新型能源之一[1]。
在地球上太阳能和其他能源相比是取之不尽、用之不竭的，再加上人类运用太阳能的历史悠久，从起初知道将太阳能转化为热能来使用，到后来光电效应的发现使得太阳能转化为电能，随着人们一步一步对太阳能电池的深入研究和了解，使得太阳能的广泛运用成为现实[2]。
在太阳能电池家族中硅系太阳能电池凭借其高达17﹪左右的发电效率成为佼佼者。寻求制备太阳能电池的新工艺成为解决问题的关键所在。
1.1.1太阳能电池产业的发展历史
太阳能电池的历史可以从1839年Edmond Becquerel发现了光伏效应开始，从此为太阳能电池的制备提供了理论基础。太阳能电池的发展也经历了以下三个曲折的阶段：
（1）起步阶段（1950年至1980年）：转换效率很低，价格十分昂贵，主要运用于卫星、计算器和灯塔等的电源。
（2）发展阶段（1990年至2000年）：转换效率有所提高，价格有所下降，开始进入民用家庭。
（3）扩张阶段（2000年至现在）：太阳能电池向全球范围多领域扩展应用。
自20世纪70年代以来，太阳能电池组件的销售量逐年上涨，再者自中期1997年以硅太阳能电池为主的相关器件全球销售量达到122MW，近十几年来随着光伏制造企业的数量不断增加，世界太阳能电池产业走上了飞速发展的道路。虽然近来受到世界范围内金融风暴的强烈冲击，全球经济正在经历一个饥寒交迫的冬天。但是太阳能电池产业仍然保持高速增长。如图1.1所示。预计未来太阳能电池工业还将高速增长，成为世界上最具有发展前景的朝阳工业之一。
图1.1 2005-2010年中国太阳能电池的产量
1.1.2太阳能电池材料的发展现状和意义
从市场上看现在有很多种不同的太阳能材料，如单晶硅、多晶硅、非晶硅和硅薄膜材料等然而硅材料却是主要的太阳能光电转换材料，所占的太阳能市场如图1.2所示。尽管目前单晶硅和多晶硅太阳能电池所占的比例较高，但是相对其它而言制造成本还是很高。虽然非晶硅电池在降低生产成本这方面具有一定的潜在优势，但是初始光电转换效率低，转换过程中不稳定，从最近的发展和研究报告显示：具有叠成结构的(如微晶硅/多晶硅的叠层结构)薄膜太阳能电池，其稳定性好、光电转换效率更高，有望成为未来的太阳能电池材料主力军，具有很好的市场发展潜力。
图1.2 各种太阳能电池材料的市场占有率
在多晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池中薄膜太阳能电池的材料使用量最少。多晶硅薄膜太阳能电池的厚度也只有几十微米，相当于体硅太阳能电池的十分之一。因此，相比较从降低材料成本和节约能源的角度上看，薄膜太阳能电池具有很大的优势。
除此以外，薄膜太阳电池在行业领域中也很具实力。比方，选用PECVD等方法，不仅可以在几个平方米的衬底上沉积薄膜而且可以制备太阳电池；而常规体的硅电池却无法做到[4]。除此以外，薄膜太阳电池另有少许特别的优点，如能在不同外形的衬底上完成沉积薄膜等等。
从上归纳薄膜太阳能电池的优点可以概括为以下几点：
（1）材料使用量少，成本较低；
（2）应用的范围更普遍更全面；
（3）方便实现内部互联，可以降低封装成本；
（4）可大面积使用、连续化产业化生产；
所以有，薄膜太阳能电池拥有很广阔的发展前景。
1.1.3本文的研究内容
激光技术的发展在先进制造技术领域中，得到了广泛应用。由于激光本身的特点（如能量集中，超快速冷却与加热，易于控制等），决定了其在薄膜、涂层、块体材料制备及其应用研究中也将会有广泛的应用前景[9]。其在薄膜结构处理中的应用，是一种新的方法，为实现高性能太阳能电池用硅薄膜晶化处理提供了一条新途径，应改更能显示出其广泛的应用前景。本文在总结激光技术、太阳能薄膜制备技术的发展与研究的基础上，采用的是1064nmYAG激光晶化工艺，制备高性能太阳能电池用薄膜的新技术思路；并且对硅基材料薄膜的激光晶化技术进行了较系统的理论与应用研究。
本文的主要内容有：
（1）使用PECVD技术，制备不同衬底下的薄膜；
（2）在已获得的薄膜基础上，采用YAG激光薄膜外延生长工艺。获得在该工艺处理下的薄膜，并验证此工艺的可行性；
（3）为了进一步发展激光在多晶硅衬底上光能利用率，探索在非晶硅薄膜上淀积一层氮化硅薄膜，作为增透膜的新工艺，以提高太阳能电池的吸收效率，并作性能比较，分析性能变化的内在机理[10]。
1064nmYAG脉冲激光薄膜外延生长工艺是一种新型硅薄膜生产工艺，不仅能大大缩短太阳能电池产品的生产周期，加速产品上市的速度，而且可提高太阳能电池生产企业的经济效益。
第二章 激光与物质作用的基础理论
2.1物质对激光的反射和吸收
为了验证物质对激光的反射和吸收作用，我们先将激光入射到材料表面，一部分将被材料吸收，一部分被反射，还有部分被透射。用 代表被材料反射的激光能量， 代表被材料吸收的激光能量， 代表透过材料的激光能量， 代表入射到材料表面的激光能量，根据能量守恒定理可得：
（2.1）
上式可改写为
（2.2）
式中 为反射率， 为吸收率， 为透射率。
透射光对于不透明质料也被吸取，即 ，则有
（2.3）
摘 要
本文分别以多晶硅和单晶硅为衬底，以等离子增强气相沉积系统制备的非晶硅薄膜为前驱物，采用YAG激光分别对多晶和单晶衬底上的薄膜进行处理，通过改变了激光的频率，实现薄膜的高温快速微晶化处理。同时采用XRD衍射仪、AFM电镜，SEM电镜对YAG激光外延生长的薄膜进行了表征与分析。
本文研究的是非晶硅薄膜的激光低损伤晶化工艺方法，以非晶硅薄膜上的淀积氮化硅薄膜作为激光退火增透膜。实验结果表明，随着激光退火频率的升高，有无增透膜样品的衍射强度都出现了先下降后上升再下降的现象。增透膜样品的最强衍射峰在10Hz至15Hz激光退火以后，然而无增透膜样品的最强衍射峰则出现在20Hz激光退火以后。SEM的研究结果表明，运用增透膜可以降低非晶硅薄膜激光退火脉冲的频率，从而减小非晶硅薄膜激光损伤，是一种低损伤的激光晶化工艺。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:晶化晶硅太阳能非晶硅薄膜退火工艺
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1太阳能电池的研究背景 1
1.1.1太阳能电池产业的发展历史 1
1.1.2太阳能电池材料的发展现状和意义 2
1.1.3本文的研究内容 3
第二章 激光与物质作用的基础理论 4
2.1物质对激光的反射和吸收 4
2.2激光作用固体材料的热方程求解 4
第三章 工艺设计、试验设备 7
3.1多晶薄膜的制备 7
3.1.1直接沉膜法 7
3.1.2 固相晶化法 8
3.1.3 常规高温炉退火 8
3.1.4 金属诱导晶化(MIC) 9
3.2等离子增强气相化学沉积(PECVD)设备 9
3.4测试设备 13
3.4.1 X射线衍射(XRD)仪 13
3.4.2电子扫描显微镜(SEM) 13
3.4.3原子力显微镜(AFM) 14
第四章YAG激光硅薄膜晶化实验与分析 14
4.1非晶硅膜的制备 14
4.1.1 硅片衬底的清洗 14
4.1.2 等离子增强气相化学沉积（PECVD）系统制膜 14
表4-1 非晶硅薄膜沉积参数 15
4.2抗反射表面对薄膜结晶性能的影响 15
4.2.1 氮化硅增透膜及非晶硅薄膜制备 16
4.2.2 氮化硅增透膜多晶衬底薄膜外延生长非晶硅薄膜XRD和SEM 16
结束语 19
参考文献 20
致 谢 21
第一章 绪 论
1.1太阳能电池的研究背景
全球60亿人口的衣、食、住、行等都离不开能源。现今世界，如果没有能源，我们现在的所见所闻将消失。从1973年中东战争和1979年发生的“石油危机”、“石油短缺”、“油价暴涨”等问题，能源危机引起了人们的关注，如何解决能源危机变成当前的主要问题，与此同时也在不断寻找新型的能源，比如水能、风能、地热能、海洋能、天然气、原子能、太阳能等等。其中太阳能是最具有潜力的新型能源之一[1]。
在地球上太阳能和其他能源相比是取之不尽、用之不竭的，再加上人类运用太阳能的历史悠久，从起初知道将太阳能转化为热能来使用，到后来光电效应的发现使得太阳能转化为电能，随着人们一步一步对太阳能电池的深入研究和了解，使得太阳能的广泛运用成为现实[2]。
在太阳能电池家族中硅系太阳能电池凭借其高达17﹪左右的发电效率成为佼佼者。寻求制备太阳能电池的新工艺成为解决问题的关键所在。
1.1.1太阳能电池产业的发展历史
太阳能电池的历史可以从1839年Edmond Becquerel发现了光伏效应开始，从此为太阳能电池的制备提供了理论基础。太阳能电池的发展也经历了以下三个曲折的阶段：
（1）起步阶段（1950年至1980年）：转换效率很低，价格十分昂贵，主要运用于卫星、计算器和灯塔等的电源。
（2）发展阶段（1990年至2000年）：转换效率有所提高，价格有所下降，开始进入民用家庭。
（3）扩张阶段（2000年至现在）：太阳能电池向全球范围多领域扩展应用。
自20世纪70年代以来，太阳能电池组件的销售量逐年上涨，再者自中期1997年以硅太阳能电池为主的相关器件全球销售量达到122MW，近十几年来随着光伏制造企业的数量不断增加，世界太阳能电池产业走上了飞速发展的道路。虽然近来受到世界范围内金融风暴的强烈冲击，全球经济正在经历一个饥寒交迫的冬天。但是太阳能电池产业仍然保持高速增长。如图1.1所示。预计未来太阳能电池工业还将高速增长，成为世界上最具有发展前景的朝阳工业之一。
图1.1 2005-2010年中国太阳能电池的产量
1.1.2太阳能电池材料的发展现状和意义
从市场上看现在有很多种不同的太阳能材料，如单晶硅、多晶硅、非晶硅和硅薄膜材料等然而硅材料却是主要的太阳能光电转换材料，所占的太阳能市场如图1.2所示。尽管目前单晶硅和多晶硅太阳能电池所占的比例较高，但是相对其它而言制造成本还是很高。虽然非晶硅电池在降低生产成本这方面具有一定的潜在优势，但是初始光电转换效率低，转换过程中不稳定，从最近的发展和研究报告显示：具有叠成结构的(如微晶硅/多晶硅的叠层结构)薄膜太阳能电池，其稳定性好、光电转换效率更高，有望成为未来的太阳能电池材料主力军，具有很好的市场发展潜力。
图1.2 各种太阳能电池材料的市场占有率
在多晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池中薄膜太阳能电池的材料使用量最少。多晶硅薄膜太阳能电池的厚度也只有几十微米，相当于体硅太阳能电池的十分之一。因此，相比较从降低材料成本和节约能源的角度上看，薄膜太阳能电池具有很大的优势。
除此以外，薄膜太阳电池在行业领域中也很具实力。比方，选用PECVD等方法，不仅可以在几个平方米的衬底上沉积薄膜而且可以制备太阳电池；而常规体的硅电池却无法做到[4]。除此以外，薄膜太阳电池另有少许特别的优点，如能在不同外形的衬底上完成沉积薄膜等等。
从上归纳薄膜太阳能电池的优点可以概括为以下几点：
（1）材料使用量少，成本较低；
（2）应用的范围更普遍更全面；
（3）方便实现内部互联，可以降低封装成本；
（4）可大面积使用、连续化产业化生产；
所以有，薄膜太阳能电池拥有很广阔的发展前景。
1.1.3本文的研究内容
激光技术的发展在先进制造技术领域中，得到了广泛应用。由于激光本身的特点（如能量集中，超快速冷却与加热，易于控制等），决定了其在薄膜、涂层、块体材料制备及其应用研究中也将会有广泛的应用前景[9]。其在薄膜结构处理中的应用，是一种新的方法，为实现高性能太阳能电池用硅薄膜晶化处理提供了一条新途径，应改更能显示出其广泛的应用前景。本文在总结激光技术、太阳能薄膜制备技术的发展与研究的基础上，采用的是1064nmYAG激光晶化工艺，制备高性能太阳能电池用薄膜的新技术思路；并且对硅基材料薄膜的激光晶化技术进行了较系统的理论与应用研究。
本文的主要内容有：
（1）使用PECVD技术，制备不同衬底下的薄膜；
（2）在已获得的薄膜基础上，采用YAG激光薄膜外延生长工艺。获得在该工艺处理下的薄膜，并验证此工艺的可行性；
（3）为了进一步发展激光在多晶硅衬底上光能利用率，探索在非晶硅薄膜上淀积一层氮化硅薄膜，作为增透膜的新工艺，以提高太阳能电池的吸收效率，并作性能比较，分析性能变化的内在机理[10]。
1064nmYAG脉冲激光薄膜外延生长工艺是一种新型硅薄膜生产工艺，不仅能大大缩短太阳能电池产品的生产周期，加速产品上市的速度，而且可提高太阳能电池生产企业的经济效益。
第二章 激光与物质作用的基础理论
2.1物质对激光的反射和吸收
为了验证物质对激光的反射和吸收作用，我们先将激光入射到材料表面，一部分将被材料吸收，一部分被反射，还有部分被透射。用 代表被材料反射的激光能量， 代表被材料吸收的激光能量， 代表透过材料的激光能量， 代表入射到材料表面的激光能量，根据能量守恒定理可得：
（2.1）
上式可改写为
（2.2）
式中 为反射率， 为吸收率， 为透射率。
透射光对于不透明质料也被吸取，即 ，则有
（2.3）
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