[發明專利]一種磁控濺射制備氫化硅薄膜的方法

無效

• 申請號: 200910024117.2
• 申請日: 2009-09-28
• 公開（公告）號: CN101660131A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 發明（設計）人: 馬勝利;王利
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 朱海臨

技術領域

本發明涉及薄膜材料的制備，特別涉及一種在單晶Si(100)片、石英玻璃片和普通玻璃片基體上制備氫化硅薄膜的方法，該方法制備的氫化硅薄膜，具有微結構可調控，能帶間隙可變化的特性，有望在太陽能電池材料上獲得廣泛應用。

背景技術

近年來，太陽能作為一種清潔能源引起了人們的廣泛關注，太陽能電池則是將太陽光能直接轉換成電能的一種器件。現今，硅太陽能電池占據了太陽能電池的主導地位。目前，晶體硅太陽能電池已經產業化，但硅原材料的短缺和昂貴的價格成本限制了晶體硅太陽能電池的廣泛應用。所以，基于薄膜技術的太陽能電池得到了迅速發展。硅薄膜是太陽能電池器件中的關鍵材料，其制備工藝以及微觀結構直接影響薄膜材料的生產成本、電池轉化效率和穩定性。

硅薄膜太陽能電池材料主要分為非晶硅、納米晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜。不同結構的硅薄膜具有不同的光電性能。非晶硅屬于直接帶隙材料，具有很好的光吸收特性。目前，非晶硅薄膜太陽能電池的轉化率已超過10％，進一步提高非晶硅太陽能電池轉化率可以通過提高其電導率，寬化其能帶間隙等方式來實現。研究表明，含有晶體結構的硅薄膜具有較好的光電學性能，具有納米晶/非晶復合結構的硅薄膜電導率可達10^-3～10^-1Ω^-1cm^-1，其導電性遠高于非晶硅薄膜材料；而其能帶間隙亦可達2.0ev左右，可見納米復合結構的硅薄膜是優良的太陽能電池材料。

硅薄膜制備方法目前主要有等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)和熱絲化學氣相沉積(HFCVD)以及磁控濺射沉積(MS)等，其中，通過PECVD制備硅薄膜的方法最為多見，通過改變PECVD工藝參數：SiH₄/H₂流量比、襯底溫度、射頻功率、反應室壓力以及基板負偏壓等都可以對硅薄膜微結構產生重要影響。近年來，利用磁控濺射鍍制太陽能硅薄膜的方法也越來越受到研究者的重視，一般來講，利用磁控濺射技術鍍制的硅薄膜中通常含有較多懸掛鍵，且缺陷較多。所以在磁控濺射鍍制硅薄膜過程中，需要通入一定量的氫氣，向薄膜中引入H原子，H原子能夠中和硅薄膜中的懸掛鍵，飽和或部分飽和薄膜中的缺陷態，因此，形成的含氫的硅薄膜(Si:H)一般稱為氫化硅。但是H原子的引入也帶來一些不利影響，如H原子在薄膜中擴散，容易引起弱Si-Si鍵的斷裂和H的聚集，導致缺陷的移動和密度的增加。研究表明具有一定納米晶或微晶成分的氫化硅薄膜很好地解決了這一問題，其有序結構降低了S-W效應，改善了硅薄膜的穩定性。在磁控濺射制備氫化硅薄膜過程中，氫氣比例H₂/(H₂+Ar)，沉積氣壓，襯底溫度，偏壓等參數的變化都會對氫化硅薄膜的結構產生影響，通過工藝參數的改進，可以實現對薄膜結構的調控，從而改變薄膜的性能。

發明內容

本發明的任務在于提供一種可調節其微結構的氫化硅薄膜制備方法，該方法制備的新型納米晶/非晶復合結構的氫化硅薄膜，可以優化傳統硅薄膜的光電性能，從而提高薄膜太陽能電池的使用效率。

為了達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種磁控濺射制備氫化硅薄膜的方法，其特征在于，包括下列步驟：

1)將基體預處理后放入磁控濺射鍍膜設備真空室中的轉架桿上，該轉架桿隨轉架臺轉動，同時自轉，保證鍍膜過程的均勻性；

2)以平面Si靶作為相應元素的來源，平面Si靶以對靶的方式安置在爐體內壁上；

3)將真空室的氣壓抽至10^-4～10^-3Pa，加熱基體，使基體溫度為200～250℃；

4)真空室通入Ar氣并開負偏壓對真空室和基體進行轟擊清洗；

5)關閉Ar氣，將真空室的氣壓再次抽至10^-4～10^-3Pa，接著同時通入Ar氣和H₂氣，使H₂氣的體積百分比為10％～80％，當真空室氣壓上升至0.3～0.5Pa，調整負偏壓到-100V，打開Si靶的控制電源，將Si靶的電源功率調至2～4kW，沉積時間為60～120min，得到氫化硅薄膜。

上述方案中，所述基體包括單晶Si片、石英玻璃片或普通玻璃片。

所述在單晶硅片沉積的氫化硅薄膜可以在真空爐內550～950℃退火，退火時間為60～120min。