激光脉冲对非晶硅薄膜晶化的影响研究
激光脉冲对非晶硅薄膜晶化的影响研究[20191223160021]
摘 要
激光能量集中，超快速加热和冷却，来制备薄膜结构材料，具有明显的优势性。其方式应用在薄膜结构的处理方面，为实现高性能太阳能电池的硅薄膜的结晶过程提供了一种新的方式。
本篇文章以单晶硅和多晶硅作为衬底，用YAG激光仪器改变激光脉冲频率，非晶硅薄膜用高温快速微晶化处理。使用电子扫描显微镜（SEM），射线衍射仪，原子力显微镜（AFM）对薄膜外延生长进行对比分析。
实验数据表明，增强激光脉冲的频率，在不同衬底的状态下，晶粒的尺寸随着激光频率的增强先增大再减小。随着激光脉冲频率的增加，单晶衬底薄膜中的晶粒的尺寸先变大然后变小，但是对于多晶硅衬底的薄膜来说，它XRD衍射峰强度显示，随着激光脉冲频率的增加，尺寸先减弱后增大再减弱。然而，不同晶硅衬底对应其激光频率的最大粒径都不相同。不同的激光频率可以外延生长不同的晶粒尺寸。晶粒尺寸的受到激光脉冲的占空比的控制。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:激光脉冲太阳能电池单晶衬底多晶衬底
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1本文的研究背景和意义 1
1.2太阳能电池的概念和分类 1
1.3本文的研究内容 2
第二章 激光晶化技术 3
2.1 激光晶化技术的概念 3
2.2 激光器的简介 3
2.3 激光作用 4
2.4 激光脉冲与温度 6
第三章 激光脉冲对单晶衬底薄膜晶化实验 11
3.1 实验测试仪器 11
3.1.1电子扫描显微镜(SEM) 11
3.1.2原子力显微镜(AFM) 11
3.1.3 X射线衍射仪(XRD) 11
3.2 激光薄膜外延生长实验 12
3.3 单晶衬底薄膜晶化实验 13
3.4 本章小结 17
第四章 激光脉冲对多晶衬底薄膜晶化实验 18
4.1 多晶衬底薄膜晶化实验 18
4.2 实验结果与分析 20
4.2.1 激光占空比 20
4.2.2 激光频率与脉宽关系 23
4.3 本章小结 23
结束语 24
参考文献 25
致 谢 26
第一章 绪 论
1.1 本文的研究背景
生活中，人类利用太阳能，最开始将太阳能转化为热能，然后因为光电效应使太阳能转化为电能变成可能，人们在深入研究太阳能电池技术，进行广泛使用太阳能实现能量转换。硅太阳能电池在太阳能中应用最广泛，其发电效率可达17％[1]。关键是用新流程来制备太阳能电池来解决这个问题。
激光技术作为先进制造技术领域，已被广泛使用。激光能量集中，超快速加热和冷却，容易控制薄膜，涂料，大块材料的制备和应用研究，将具有广阔的应用前景[2-4]。快速热退火工艺是以高加热速率和一个很短的保温时间为条件，瞬时可以将材料加热到一个理想的温度，迅速跳过表面扩散这个阶段，可以直接进入晶粒边界扩散阶段，晶粒生长就得到抑制。再利用激光的能量集中，其超快速和可控性，来制备薄膜结构材料，具有明显的优势性。其方式应用在薄膜结构的处理方面，就可以作为一种新的方法，这技术用于实现高性能太阳能电池的硅薄膜的结晶过程提供了一种新的方式，可以显示其宏大的应用前景。
1.2 太阳能电池的概念和分类
太阳能电池的原理是依靠半导体的光电效应产生，太阳能电池将太阳能转化为电能。太阳能电池核电荷数和在晶体中的电子的数目是相同的，即在n型硅和p型硅被认为显电中性。如果被单独放置在阳光下，光的能量就被释放出来产生电子-空穴对，但极小范围内电子又被捕获，就是电子和空穴的“复合”。
当n型材料和p型材料的接触时，晶体的界面，就可以形成的pn结。相对的，在接触表面附近，扩散从高浓度的n型材料的电子到低浓度的p型材料中。而空穴从高浓度p型材料扩散至低??浓度的n型材料中，其结果就是在接触的表面附近的地方区域打破了电中性，就在这种电荷区周围形成界面层。由于n型材料和p型材料都显电中性，所以可以形成两个界面层周围电荷交换，通过电子的迁移，在n型区内形成正空间电荷区，在p型区形内成负空间电荷区。
单晶硅太阳能电池转换效率是最高的，太阳能电池技术已经较成熟。制备单晶硅棒可以用直拉法或者无坩埚区熔法制得而成，单晶硅的切片取得均匀结构，是缺陷和杂质的含量较少，是高导电率材料，它的载流子扩散长度大，转化效率高。所以为了不断提高单晶硅电池转换效率，一个方面是要进一步加强结晶的质量，类如减少杂质和缺陷的少数载流子的寿命影响。另一个方面是为了更清楚地了解到载流子输运和光吸收特性等特点，需要深入到设备优化的研究。单晶电池的发展历史经历了三个阶段：第一阶段是1953年至1978年，在电子行业初期的发展下，硅太阳能电池效率可以从6％增长到12％。第二个阶段是1971年至1981年，这个阶段是太阳能电池的飞速发展时期，伴随着新技术的引进，许多新种类的太阳能电池的效率已经很大提高。第三阶段开始是从1980年到现今，至改革开放以来，晶硅太阳能电池已经进入了一个飞速发展的时期，这一阶段的晶硅太阳能电池效率提升，着重于表面钝化技术研究。
多晶硅太阳能电池，正常被用于太阳能电池和多晶硅的生产。当前浇铸法是运用最广泛的多晶硅的制造方法。是使用半导体工业的次品硅废次单晶及冶金级硅粉和次品硅等相关原料熔融浇铸成多晶硅锭而后切割形成。与太阳能电池单晶硅制备方法相比，不但省去了昂贵单晶硅的生产过程，而且节约成本，缩短生产的周期，从而降低了太阳能电池生产成本。
虽然这两种太阳能电池具有相对较高的转换效率，但是成本高，产品价格相对昂贵，难以推广使用。在研究过程中人们提出了直接由原材料到太阳能电池的工艺路线，就是将一层薄膜制备成太阳能电池，即发展薄膜太阳能电池技术[5]。但是这种技术因为使用硅量极少，降低了生产成本、提高转换效率高，所以形成规模化的工业生产和制造。
1.3本文的研究内容
本篇文总结了激光技术和太阳能薄膜技术基础上，用1064nm的YAG激光结晶，生成高性能太阳能电池应用的薄膜技术，对激光脉冲晶化相关技术进行更加全面的理论和应用研究
全文分为四章，各章节的主要内容如下：
第一章为绪论，介绍及本文的研究背景、意义和内容。
第二章主要对激光晶化技术进行介绍，利用激光实现非晶硅向多晶硅的转变，激光器的不同种类，激光脉冲与物质作用和温度关系。
第三章对单晶衬底进行了非晶硅薄膜晶化实验，通过改变激光脉冲的频率，观察单晶衬底的薄膜结晶状况。
第四章主要对多晶衬底进一步进行晶化实验，实验结果表明，占空比是决定非晶硅薄膜结晶状况的关键因素之一。调整激光脉冲频率与激光脉冲宽度可以达到相近的效果。对激光脉冲宽带和激光脉频率关系进行了分析。
第二章 激光晶化技术
2.1 激光晶化技术的概念
激光晶化利用瞬间激光产生的高能量，在极短的时间内入射到非晶硅薄膜表面[6]，仅仅在表面发生相应物理化学变化，从而快速冷却实现非晶硅向多晶硅的转变。目前有两种激光晶化退火的形式，即连续激光退火和脉冲激光退火，两者退火机制也不同。脉冲激光退火是激光引起材料熔融而液相外延再结晶，连续波激光退火所达到的温度要比材料熔点一般较低，不会引起表面熔融和再结晶，此温度足够产生固相晶体生长。
2.2 激光器的简介
激光器的制造原理包括：激光物质、激励系统（抽运激活介质的下能级粒子到上能级，形成粒子数反转）、谐振腔（用于实现光的放大反馈）。常用于薄膜晶化的主要有以下三类。
（1）YAG激光器
YAG激光器的基本结构由泵灯、冷却滤光系统、光学谐振腔和YAG棒组成。YAG激光能量峰??值的功率高，结构紧凑，坚实耐用，激光测量准确度高，经常用于国防军事装备中。YAG激光器在工业中用于材料加工，提高了材料质量。还可用作医疗手术刀，为激光医疗，生物工程和其他的科学实验提供了研究手段。YAG激光进入实验室多年，在激光的使用，如输出光束稳定性激光模式，激光模式，输出能量的过程中积累了经验。晶体有更好的导热性，在晶体中的温度上升变化对激光振荡特性的相对影响较小，这种激光在连续氪灯激发的条件下持续工作，或在重复较高的脉冲的条件下，该脉冲光的波长1.064微米。优点是以高能量转换效率的器件，连续长期运行重复脉冲操作。
（2）准分子激光器
准分子气体激光器设备工作材料，常见的相对论电子束（能量大于200万电动子伏）或快速脉冲水平放电实现激励。当激发态准分子里面不稳定分子键断裂时，使激发态到基态的原子释放激光辐射能量。准分子激光器是通常的激光晶化的方法之一。它具有一系列优势特点，结晶高，可以实现大面积的制备，缩短衬底温度，流程周期低等，因此它具有良好的发展运用前景。
（3）CO2激光器
CO2激光器的工作物质条件是CO2气体。通常是填充有二氧化碳气体和辅助气体（氦气和氮气，一般还有少量的氢）的石英材料或玻璃，制成的中空圆筒镍通常作为电极，谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一面是镀金的全反射镜。CO2激光器的输出光束的光学质量很高，连贯，线宽，稳定性强是分子激光器的典型代表，广泛应用在国防建设和国民经济中。
摘 要
激光能量集中，超快速加热和冷却，来制备薄膜结构材料，具有明显的优势性。其方式应用在薄膜结构的处理方面，为实现高性能太阳能电池的硅薄膜的结晶过程提供了一种新的方式。
本篇文章以单晶硅和多晶硅作为衬底，用YAG激光仪器改变激光脉冲频率，非晶硅薄膜用高温快速微晶化处理。使用电子扫描显微镜（SEM），射线衍射仪，原子力显微镜（AFM）对薄膜外延生长进行对比分析。
实验数据表明，增强激光脉冲的频率，在不同衬底的状态下，晶粒的尺寸随着激光频率的增强先增大再减小。随着激光脉冲频率的增加，单晶衬底薄膜中的晶粒的尺寸先变大然后变小，但是对于多晶硅衬底的薄膜来说，它XRD衍射峰强度显示，随着激光脉冲频率的增加，尺寸先减弱后增大再减弱。然而，不同晶硅衬底对应其激光频率的最大粒径都不相同。不同的激光频率可以外延生长不同的晶粒尺寸。晶粒尺寸的受到激光脉冲的占空比的控制。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:激光脉冲太阳能电池单晶衬底多晶衬底
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1本文的研究背景和意义 1
1.2太阳能电池的概念和分类 1
1.3本文的研究内容 2
第二章 激光晶化技术 3
2.1 激光晶化技术的概念 3
2.2 激光器的简介 3
2.3 激光作用 4
2.4 激光脉冲与温度 6
第三章 激光脉冲对单晶衬底薄膜晶化实验 11
3.1 实验测试仪器 11
3.1.1电子扫描显微镜(SEM) 11
3.1.2原子力显微镜(AFM) 11
3.1.3 X射线衍射仪(XRD) 11
3.2 激光薄膜外延生长实验 12
3.3 单晶衬底薄膜晶化实验 13
3.4 本章小结 17
第四章 激光脉冲对多晶衬底薄膜晶化实验 18
4.1 多晶衬底薄膜晶化实验 18
4.2 实验结果与分析 20
4.2.1 激光占空比 20
4.2.2 激光频率与脉宽关系 23
4.3 本章小结 23
结束语 24
参考文献 25
致 谢 26
第一章 绪 论
1.1 本文的研究背景
生活中，人类利用太阳能，最开始将太阳能转化为热能，然后因为光电效应使太阳能转化为电能变成可能，人们在深入研究太阳能电池技术，进行广泛使用太阳能实现能量转换。硅太阳能电池在太阳能中应用最广泛，其发电效率可达17％[1]。关键是用新流程来制备太阳能电池来解决这个问题。
激光技术作为先进制造技术领域，已被广泛使用。激光能量集中，超快速加热和冷却，容易控制薄膜，涂料，大块材料的制备和应用研究，将具有广阔的应用前景[2-4]。快速热退火工艺是以高加热速率和一个很短的保温时间为条件，瞬时可以将材料加热到一个理想的温度，迅速跳过表面扩散这个阶段，可以直接进入晶粒边界扩散阶段，晶粒生长就得到抑制。再利用激光的能量集中，其超快速和可控性，来制备薄膜结构材料，具有明显的优势性。其方式应用在薄膜结构的处理方面，就可以作为一种新的方法，这技术用于实现高性能太阳能电池的硅薄膜的结晶过程提供了一种新的方式，可以显示其宏大的应用前景。
1.2 太阳能电池的概念和分类
太阳能电池的原理是依靠半导体的光电效应产生，太阳能电池将太阳能转化为电能。太阳能电池核电荷数和在晶体中的电子的数目是相同的，即在n型硅和p型硅被认为显电中性。如果被单独放置在阳光下，光的能量就被释放出来产生电子-空穴对，但极小范围内电子又被捕获，就是电子和空穴的“复合”。
当n型材料和p型材料的接触时，晶体的界面，就可以形成的pn结。相对的，在接触表面附近，扩散从高浓度的n型材料的电子到低浓度的p型材料中。而空穴从高浓度p型材料扩散至低??浓度的n型材料中，其结果就是在接触的表面附近的地方区域打破了电中性，就在这种电荷区周围形成界面层。由于n型材料和p型材料都显电中性，所以可以形成两个界面层周围电荷交换，通过电子的迁移，在n型区内形成正空间电荷区，在p型区形内成负空间电荷区。
单晶硅太阳能电池转换效率是最高的，太阳能电池技术已经较成熟。制备单晶硅棒可以用直拉法或者无坩埚区熔法制得而成，单晶硅的切片取得均匀结构，是缺陷和杂质的含量较少，是高导电率材料，它的载流子扩散长度大，转化效率高。所以为了不断提高单晶硅电池转换效率，一个方面是要进一步加强结晶的质量，类如减少杂质和缺陷的少数载流子的寿命影响。另一个方面是为了更清楚地了解到载流子输运和光吸收特性等特点，需要深入到设备优化的研究。单晶电池的发展历史经历了三个阶段：第一阶段是1953年至1978年，在电子行业初期的发展下，硅太阳能电池效率可以从6％增长到12％。第二个阶段是1971年至1981年，这个阶段是太阳能电池的飞速发展时期，伴随着新技术的引进，许多新种类的太阳能电池的效率已经很大提高。第三阶段开始是从1980年到现今，至改革开放以来，晶硅太阳能电池已经进入了一个飞速发展的时期，这一阶段的晶硅太阳能电池效率提升，着重于表面钝化技术研究。
多晶硅太阳能电池，正常被用于太阳能电池和多晶硅的生产。当前浇铸法是运用最广泛的多晶硅的制造方法。是使用半导体工业的次品硅废次单晶及冶金级硅粉和次品硅等相关原料熔融浇铸成多晶硅锭而后切割形成。与太阳能电池单晶硅制备方法相比，不但省去了昂贵单晶硅的生产过程，而且节约成本，缩短生产的周期，从而降低了太阳能电池生产成本。
虽然这两种太阳能电池具有相对较高的转换效率，但是成本高，产品价格相对昂贵，难以推广使用。在研究过程中人们提出了直接由原材料到太阳能电池的工艺路线，就是将一层薄膜制备成太阳能电池，即发展薄膜太阳能电池技术[5]。但是这种技术因为使用硅量极少，降低了生产成本、提高转换效率高，所以形成规模化的工业生产和制造。
1.3本文的研究内容
本篇文总结了激光技术和太阳能薄膜技术基础上，用1064nm的YAG激光结晶，生成高性能太阳能电池应用的薄膜技术，对激光脉冲晶化相关技术进行更加全面的理论和应用研究
全文分为四章，各章节的主要内容如下：
第一章为绪论，介绍及本文的研究背景、意义和内容。
第二章主要对激光晶化技术进行介绍，利用激光实现非晶硅向多晶硅的转变，激光器的不同种类，激光脉冲与物质作用和温度关系。
第三章对单晶衬底进行了非晶硅薄膜晶化实验，通过改变激光脉冲的频率，观察单晶衬底的薄膜结晶状况。
第四章主要对多晶衬底进一步进行晶化实验，实验结果表明，占空比是决定非晶硅薄膜结晶状况的关键因素之一。调整激光脉冲频率与激光脉冲宽度可以达到相近的效果。对激光脉冲宽带和激光脉频率关系进行了分析。
第二章 激光晶化技术
2.1 激光晶化技术的概念
激光晶化利用瞬间激光产生的高能量，在极短的时间内入射到非晶硅薄膜表面[6]，仅仅在表面发生相应物理化学变化，从而快速冷却实现非晶硅向多晶硅的转变。目前有两种激光晶化退火的形式，即连续激光退火和脉冲激光退火，两者退火机制也不同。脉冲激光退火是激光引起材料熔融而液相外延再结晶，连续波激光退火所达到的温度要比材料熔点一般较低，不会引起表面熔融和再结晶，此温度足够产生固相晶体生长。
2.2 激光器的简介
激光器的制造原理包括：激光物质、激励系统（抽运激活介质的下能级粒子到上能级，形成粒子数反转）、谐振腔（用于实现光的放大反馈）。常用于薄膜晶化的主要有以下三类。
（1）YAG激光器
YAG激光器的基本结构由泵灯、冷却滤光系统、光学谐振腔和YAG棒组成。YAG激光能量峰??值的功率高，结构紧凑，坚实耐用，激光测量准确度高，经常用于国防军事装备中。YAG激光器在工业中用于材料加工，提高了材料质量。还可用作医疗手术刀，为激光医疗，生物工程和其他的科学实验提供了研究手段。YAG激光进入实验室多年，在激光的使用，如输出光束稳定性激光模式，激光模式，输出能量的过程中积累了经验。晶体有更好的导热性，在晶体中的温度上升变化对激光振荡特性的相对影响较小，这种激光在连续氪灯激发的条件下持续工作，或在重复较高的脉冲的条件下，该脉冲光的波长1.064微米。优点是以高能量转换效率的器件，连续长期运行重复脉冲操作。
（2）准分子激光器
准分子气体激光器设备工作材料，常见的相对论电子束（能量大于200万电动子伏）或快速脉冲水平放电实现激励。当激发态准分子里面不稳定分子键断裂时，使激发态到基态的原子释放激光辐射能量。准分子激光器是通常的激光晶化的方法之一。它具有一系列优势特点，结晶高，可以实现大面积的制备，缩短衬底温度，流程周期低等，因此它具有良好的发展运用前景。
（3）CO2激光器
CO2激光器的工作物质条件是CO2气体。通常是填充有二氧化碳气体和辅助气体（氦气和氮气，一般还有少量的氢）的石英材料或玻璃，制成的中空圆筒镍通常作为电极，谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一面是镀金的全反射镜。CO2激光器的输出光束的光学质量很高，连贯，线宽，稳定性强是分子激光器的典型代表，广泛应用在国防建设和国民经济中。
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