[發明專利]一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光譜實時監控制備方法

有效

• 申請號: 201410668906.0
• 申請日: 2014-11-20
• 公開（公告）號: CN104393116A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 張維佳;馬強;宋登元;劉嘉;張雷;馬曉波;范志強;馬登浩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;C23C14/54
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光譜實時監控制備方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟一：采用濕化學法或干化學法對單晶硅片進行各向異性腐蝕，獲得金字塔狀的絨面硅片襯底；具體方案是：硅片清洗后放在聚四氟乙烯容器中用HF：去離子水＝1：50的稀溶液腐蝕10秒鐘，然后在30秒內用大量的去離子水沖洗HF酸，從而去除單晶硅片上的二氧化硅層；采用堿溶液化學腐蝕的方法即以NaOH作為反應物并以異丙醇作為添加劑調節腐蝕速度各向異性因子，其NaOH與異丙醇的混合溶液對單晶硅進行各向異性腐蝕，NaOH濃度3％，異丙醇的用量5％，反應溫度90℃，腐蝕時間為50min，在這一條件下，制備出類金字塔的織構表面即絨面硅片襯底；

步驟二：采用熱蒸發方法或磁控濺射方法制備納米硅薄膜太陽能電池的背電極；具體方案是：采用熱蒸發方法制備電極時，系統本底真空抽止8.0×10^-4Pa以下，樣品溫度為200℃～400℃，電阻蒸發或電子束蒸發高純鋁Al膜金屬導電膜皆可；采用磁控濺射方法制備電極時，系統本底真空抽止8.0×10^-4Pa以下，樣品溫度為200℃～400℃，濺射電流0.4-0.8A，濺射電壓350-450V，工作氣體Ar₂，工作氣壓0.5-3Pa，濺射高純鋁Al金屬靶，從而在樣品表面上形成高純鋁Al金屬導電膜；再進行真空退火處理即系統本底真空抽止8.0×10^-4Pa以下，退火溫度為450℃～560℃，退火時間為5min～20min，這時沉積的鋁膜明顯致密，膜與襯底的結合變好，有利于降低薄膜的電阻；

步驟三：采用等離子體增強化學氣相沉積法即PECVD，通入硅烷SiH₄制備本征納米硅膜；具體方案是：先將系統本底真空度抽到8.0×10^-4Pa以下，再通入氫稀釋了的濃度為5％的高純硅烷SiH₄，溫度為200-380℃，工作氣壓為1.0-3.0Torr，射頻功率為40-60W，采用此工藝條件制備出本征納米硅薄膜，其晶態含量在50±5％之間，晶態峰在509-518cm^-1之間，室溫電導率達到4.9×10⁰Ω^-1·cm^-1；

步驟四：將樣品傳入到另一個等離子體增強化學氣相沉積系統中，將該等離子體增強化學氣相沉積系統本底真空度抽到8.0×10^-4Pa以下，再通入高純氫氣H2和氫稀釋了的濃度為0.5％的高純磷烷PH₃，其硅烷SiH₄、氫氣H₂、磷烷PH₃這三種工作氣體的流量比為5:100:5-15(SCCM)，采用此工藝條件制備出N型納米硅薄膜，其電導率達2.2×10¹Ω^-1·cm^-1；在上述工藝的基礎上，將磷烷PH₃換成硼烷B₂H₅即通入高純氫氣H₂和氫稀釋了的濃度為5％的高純硼烷B₂H₅，其硅烷SiH₄、氫氣H₂、硼烷B₂H₅這三種工作氣體的流量比為5:100:0.3-0.8(SCCM)，并且直流偏壓為100-300V，采用此工藝條件制備出P型納米硅薄膜，其電導率達2.97×10²Ω^-1cm^-1；

步驟五：在上述沉積納米硅薄膜過程中，采用橢園偏振光譜實時監控薄膜生長過程的制備方法，具體方案是：在沉積納米硅薄膜的工作腔室兩側設置真空隔離腔室，在其內分別安裝光纖偶合器、光纖準直系統，小孔可調光攔、特殊光學零件支架，根據工作模式不同，可將起偏器、檢偏器、光纖光譜儀或帶探測器的小型快速掃描光譜儀安裝在真空隔離腔室里或安裝在真空隔離腔室外部，氙燈或鹵鎢燈混合光源、斬波器和鎖相放大器安裝在真空隔離腔室外部；

工作模式一：由氙燈或鹵鎢燈混合光源產生波長范圍為300nm～1100nm的光，通過光纖及其準直系統使這種光經過起偏器形成直線偏振光譜束，經工作腔室左側窗口以60°-80°度斜入射于樣品表面而反射、其反射光譜束的偏振態發生了變化，這種變化與薄膜樣品的光學參數有關；這種攜帶著薄膜信息的反射偏振光譜束經工作腔室右側窗口和旋轉檢偏器后進入光纖光譜儀，由光纖光譜儀同時對各波長下的光強信號進行探測，從而得到此薄膜生長時刻的光強隨波長和旋轉檢偏器偏振角的變化規律，根據這種變化規律計算出此薄膜生長時刻的薄膜橢偏光譜參數Ψ和Δ，進而計算出此薄膜生長時刻的薄膜光學常數薄膜折射率n和消光系數k以及薄膜厚度d；由于光纖光譜儀同時對各波長下的光強信號進行探測，這就加快了光譜范圍內光強的探測時間，適合于薄膜快速生長的情況，實現了真正意義上的實時監控薄膜生長的目的；

工作模式二：由氙燈或鹵鎢燈混合光源產生波長范圍為300nm～1100nm的光，通過光纖及其準直系統和斬波器使這種斬波后的光經過起偏器形成直線偏振光譜束，經工作腔室左側窗口以60°-80°度斜入射于樣品表面而反射，其反射光譜束的偏振態發生了變化，這種變化與薄膜樣品的光學參數有關；這種攜帶著薄膜信息的反射偏振光譜束經工作腔室右側窗口和旋轉檢偏器后進入帶探測器的小型快速掃描光譜儀，分別探測各波長下的光強信號并輸入到鎖相放大器，從而得到在掃描時間內光強隨波長和旋轉檢偏器偏振角的變化規律，根據這種變化規律計算出在掃描時間內薄膜的橢偏光譜參數Ψ和Δ，進而計算出在掃描時間內薄膜光學常數薄膜折射率n和消光系數k以及薄膜厚度d；該掃描時間間隔大小取決于光刪掃描速度和波長選取范圍，其掃描速度越快，波長選取范圍越小，越有利于實時監控，這適合于薄膜慢速生長的情況；由于鎖相放大器能去掉雜散光和背景光造成的干擾信號，從而實現了精確測量和監控薄膜生長的目的；

步驟六：采用磁控濺射方法制備摻錫氧化銦ITO透明導電膜電極；將磁控濺射系統本底真空抽止8.0×10^-4Pa以下，樣品溫度為200℃～500℃，通入高純氬氣Ar和高純氧氣O₂，這兩種工作氣體的流量比為100:1.5～2.5(SCCM)，工作氣壓0.5-3Pa；濺射ITO靶材的濺射電流0.4-0.6A，濺射電壓350-420V，從而在納米硅薄膜光伏電池表面上鍍了一層透明導電膜，起鈍化和透明導電膜電極作用；

步驟七：采用熱蒸發方法制備納米硅薄膜太陽能電池的上電極即柵極；將蒸發鍍膜系統本底真空抽止8.0×10^-4Pa以下，樣品溫度為200℃～500℃，進行電阻蒸發鋁絲，蒸發電壓10V～20V,蒸發電流30A～90A，蒸發時間2min；采用磁控濺射方法制備鋁Al導電膜上電極，同樣系統本底真空：8.0×10^-4Pa以下，樣品溫度為200℃～500℃，濺射電流0.4-0.8A，濺射電壓350-450V，工作氣體Ar₂，工作氣壓0.5-3Pa。