一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201010039664.0

申请日:

2010.01.12

公开号:

CN101764182A

公开日:

2010.06.30

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):H01L 31/20申请日:20100112授权公告日:20110525终止日期:20150112|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 31/20申请日:20100112|||公开

IPC分类号:

H01L31/20

主分类号:

H01L31/20

申请人:

浙江大学

发明人:

李东升; 汪雷; 周冰; 杨德仁

地址:

310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号

优先权:

专利代理机构:

杭州天勤知识产权代理有限公司 33224

代理人:

胡红娟

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内容摘要

本发明公开了一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法,包括以下步骤:1)在清洗后的衬底上制备非晶硅薄膜;2)在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜;3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理,得到银岛膜结构。本发明使用的设备与现行成熟工艺兼容,方法简单可控,制备出的银岛膜对非晶硅薄膜光吸收的增强方式简单,可用于增加非晶硅太阳电池转换效率,以及增强相关LED发光等方面。

权利要求书

1.  一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法,包括以下步骤:
1)利用等离子化学气相沉积法在清洗后的衬底上沉积非晶硅薄膜;
2)采用电子束蒸发法在非晶硅薄膜表面生长银膜;
3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理,得到银岛膜结构。

2.
  如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1)利用等离子化学气相沉积法在清洗后的衬底上沉积非晶硅薄膜的方法为:将清洗后的衬底放入等离子化学气相沉积设备的反应室中,先将真空度抽至5×10-4Pa以下,然后通入硅烷,在薄膜沉积过程中,衬底温度150℃~350℃。

3.
  如权利要求2所述的方法,其特征在于:清洗衬底的方法为:用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗;然后用去离子水充分漂洗后晾干。

4.
  如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2)采用电子束蒸发法在非晶硅薄膜表面生长银膜的方法为:将覆有非晶硅薄膜的衬底放入电子束蒸发设备的反应室中,反应室真空度抽至5×10-3Pa以下,衬底温度为100℃~300℃,在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜,银颗粒径向尺寸为10nm~300nm。

5.
  如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤3)中热处理温度为100℃~400℃,退火时升温速率为1-20℃/min。

6.
  如权利要求5所述的方法,其特征在于:所述的热处理温度为200℃~400℃。

说明书

一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法
技术领域
本发明涉及一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法,属于太阳电池应用领域。
背景技术
太阳能发电在解决全球能源危机,以及减缓温室效应方面有着巨大的应用价值。近年来,硅太阳电池的开发应用成为了众多科学家们研究的焦点。作为半导体和微电子工业中最重要的基础材料,硅以其高储量、较为成熟的工艺、污染小、较高的转换效率、稳定性好等优势成为了太阳电池研究开发的重点材料,据资料显示,其所占市场份额已超过90%。其中,非晶硅薄膜电池存在很多突出的优点,例如,质量轻,比功率高,吸收系数大,抗辐射性能好,耐高温,成本低等等。然而,由于非晶硅薄膜存在严重的光衰减效应和较多的结构缺陷,使其光电转换效率较低,严重影响了其在光伏市场上的推广应用。因此,提高非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率有着非常重要的意义。
前人研究已经表明利用金属纳米结构具有的特殊光学性能,可通过其表面等离子共振形式增大光的吸收截面、增强光散射能力,文献报道如U.Kreibig and M.Vollmer,Optical Properties of Metal Clusters(Springer-Verlag,New York,1995)以及C.F.Bohren and D.R.Huffman,Absorption andScattering of Light by Small Particles(John Wiley & Sons,New York,1983)。此外,金属纳米结构还具有增强局域化电磁场的特性。如S.Pillai,K.R.Catchpole,T.Trupke,and M.A.Green,J.Appl.Phys.101(2007)093105;以及D.M.Schaadt,B.Feng,and E.T.Yu,Appl.Phys.Lett.86(2005)063106。而这些特性有可能用于增强材料对光的吸收。
发明内容
本发明提供一种简单的增强非晶硅薄膜光吸收的方法,通过延长光子
在非晶硅薄膜中的传播路径,以此增加光吸收。
本发明的增强非晶硅薄膜光吸收的方法,包括以下步骤:
1)利用等离子化学气相沉积法在清洗后的衬底上沉积非晶硅薄膜;
2)采用电子束蒸发法在非晶硅薄膜表面生长银膜;
3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理,得到银岛膜结构。
上述制备方法中各步骤具体可以按如下方式进行:
1)清洗衬底,清洗方法如下:用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗;然后用去离子水充分漂洗后晾干;
将清洗后的衬底放入等离子化学气相沉积设备的反应室中,先将真空度抽至5×10-4Pa以下,然后通入硅烷,在薄膜沉积过程中,衬底温度150℃~350℃;
2)将覆有非晶硅薄膜的衬底放入电子束蒸发设备的反应室中,反应室真空度抽至5×10-3Pa以下,衬底温度为100℃~300℃,在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜,银颗粒径向尺寸为10~300nm;
3)对表面沉积银的非晶硅薄膜进行热处理,热处理温度为100℃~400℃,退火时升温速率控制在1-20℃/min。
热处理温度对非晶硅薄膜和银岛膜有一定影响,热处理有利于银岛膜中银颗粒均匀化,但高温热处理会促使非晶硅薄膜晶化,因此热处理最优温度为200℃~400℃热处理,退火时升温速率控制在1-20℃/min。
本发明使用的设备与现行成熟工艺兼容,方法简单可控,制备出的银岛膜对非晶硅薄膜光吸收的增强方式简单,可用于增加非晶硅太阳电池转换效率,以及增强相关LED发光等方面。
附图说明
图1是表面沉积银岛膜的非晶硅薄膜的结构示意图;
图2是实施例1银岛膜的表面扫描电镜照片;
图3是实施例1银岛膜的原子力显微三维照片;
图4是实施例1覆盖了径向平均尺寸为20nm银岛膜的非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。
图5是实施例2覆盖了平均颗粒尺寸10nm的银岛膜后,非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。
具体实施方式
实施例1
1)选用普通商用石英衬底,尺寸为1cm×2cm。衬底首先进行清洗,清洗方法如下:1、用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗15min;2、用去离子水充分漂洗后晾干。
2)利用等离子体增强化学气相沉积设备在石英衬底上制备非晶硅薄膜,沉积非晶硅薄膜的反应前驱体为硅烷(SiH4),该气体是用氮气稀释的,该混合气体中,SiH4与氮气的体积比为1∶9。制备时将石英片放入等离子化学气相沉积设备的反应室中。先将真空度抽至5×10-4Pa以下,然后通入硅烷气体,流量为50sccm,在薄膜沉积过程中,衬底温度保持在350℃,整个反应腔的气压保持在约4Pa,沉积时间为120min。经椭圆偏振光谱仪M-2000测得非晶硅薄膜的厚度约为1200nm。
3)将非晶硅薄膜放入电子束蒸发设备的反应室中,反应室真空度抽至5×10-3Pa,衬底温度为200℃,利用膜厚仪调节银的蒸发速率,蒸发速率控制在制得的银岛膜中银颗粒平均尺寸约为20nm。
4)表面沉积银膜的非晶硅薄膜再经过常规热处理,热处理温度为200℃,退火时升温速率控制在5℃/min。
获得如图1所示的银岛膜-非晶硅薄膜结构,在衬底1上自下而上依次是非晶硅薄膜2和银岛膜3。。
图2是非晶硅薄膜表面银岛膜的扫描显微照片,可见银岛膜中银颗粒的形貌呈现平面球状结构。
图3是平均尺寸20nm的银岛膜的原子力显微三维照片,可以看到银颗粒为岛状结构。
图4是覆盖了银颗粒平均尺寸20nm的银岛膜后,非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。从图中可以看到银岛膜平均尺寸为20nm时,520nm至长波段的区域反射增强因子都明显小于1,亦即非晶硅薄膜的光吸收得到了增强。
实施例2
1)选用普通商用石英衬底,尺寸为1cm×2cm。衬底首先进行清洗,清洗方法如下:1、用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗15min;2、用去离子水充分漂洗后晾干。
2)利用等离子体增强化学气相沉积设备在石英衬底上制备非晶硅薄膜,沉积非晶硅薄膜的反应前驱体为硅烷(SiH4),该气体是用氮气稀释的,该混合气体中,SiH4与氮气的体积比为1∶9。制备时将石英片放入等离子化学气相沉积设备的反应室中。先将真空度抽至5×10-4Pa以下,然后通入硅烷气体,流量为50sccm,在薄膜沉积过程中,衬底温度保持在200℃,整个反应腔的气压保持在约4Pa,沉积时间为30min。经椭圆偏振光谱仪M-2000测得非晶硅薄膜的厚度约为300nm。
3)将非晶硅薄膜放入电子束蒸发设备的反应室中,反应室真空度抽至5×10-3Pa,衬底温度为250℃,利用膜厚仪调节银的蒸发速率,蒸发速率控制在制得的银岛膜中银颗粒平均尺寸为10nm。
4)表面沉积银岛膜的非晶硅薄膜再经过常规热处理,热处理温度为200℃,退火时升温速率控制在5℃/min。
图5是表面覆盖了银颗粒平均尺寸为10nm的银岛膜后,非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。从图中可以看到500nm至长波段的区域反射增强因子都明显小于1,亦即非晶硅薄膜的光吸收得到了增强。
实施例3
1)选用普通商用石英衬底,尺寸为1cm×2cm。衬底首先进行清洗,清洗方法如下:1、用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗15min;2、用去离子水充分漂洗后晾干。
2)利用等离子体增强化学气相沉积设备在石英衬底上制备非晶硅薄膜,沉积非晶硅薄膜的反应前驱体为硅烷(SiH4),该气体是用氮气稀释的,该混合气体中,SiH4与氮气的体积比为1∶9。制备时将石英片放入等离子化学气相沉积设备的反应室中。先将真空度抽至5×10-4Pa以下,然后通入硅烷气体,流量为50sccm,在薄膜沉积过程中,衬底温度保持在300℃,整个反应腔的气压保持在约4Pa,沉积时间为30min。经椭圆偏振光谱仪M-2000测得非晶硅薄膜的厚度约300nm。
3)将非晶硅薄膜放入电子束蒸发设备的反应室中,反应室真空度抽至5×10-3Pa,衬底温度为200℃,利用膜厚仪调节银的蒸发速率,蒸发速率控制在制得的银岛膜中银颗粒平均尺寸为30nm。
4)表面沉积银岛膜的非晶硅薄膜再经过常规热处理,热处理温度为300℃,退火时升温速率控制在5℃/min。
实验结果与实施例1相似。

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本发明公开了一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法,包括以下步骤:1)在清洗后的衬底上制备非晶硅薄膜;2)在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜;3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理,得到银岛膜结构。本发明使用的设备与现行成熟工艺兼容,方法简单可控,制备出的银岛膜对非晶硅薄膜光吸收的增强方式简单,可用于增加非晶硅太阳电池转换效率,以及增强相关LED发光等方面。。

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