非晶硅薄膜的制备及晶化研究_段良飞

通过测量 Ｓｉ（４００）晶向的半高宽度 ｗ，并采用 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式 Ｄ＝Ｋλ／ｗｃｏｓθ可 以 估 算 出 晶 粒 大
晶粒尺寸（ｎｍ）；ｗ 为积分半高宽度；θ为衍射角；λ 为 Ｘ 射 线 波 长，为 ０．１５４ ０５６ｎｍ［９］。 结 果 如 表 ２
小，式中，Ｋ 为 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ常 数，其 值 为 ０．８９；Ｄ 为 所示。
Ｇ 为未退火 样 品，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ 和 Ｇ 的 拉 曼 光 谱 如 图 ３（ａ）和 图 ３（ｂ）所 示 。 可 以 看 出 ，未 退 火
３０．９６
样品 Ｇ 在 ４８０ｃｍ－１ 处 有 很 明 显 的 峰，４００℃ 铝 诱 导退火样 品 Ａ 的 峰 值 位 于 ４８９．９１ｃｍ－１，多 数 还 处于非晶 态，５００℃ 铝 诱 导 退 火 样 品 Ｂ 的 峰 值 位 于５０７．８４ｃｍ－１，６００℃ 铝 诱 导 退 火 样 品 Ｃ 的 峰 值 位于５０２．７４ｃｍ－１，表明薄膜结晶良好，７００℃ 铝 诱 导退 火 样 品 Ｄ 的 峰 值 低 于 Ｂ，且 峰 位 在 ４９７． ６５ｃｍ－１。无铝诱导直 接 退 火 的 样 品 Ｆ，尽 管 退 火 温度 很 高，但 其 拉 曼 峰 不 明 显，且 其 峰 值 位 于 ４８０ｃｍ－１，对 称 性 不 高 。
通 过 多 次 实 验 ，获 得 了 较 优 化 的 工 艺 参 数 ：溅 射 功
率１２０Ｗ，Ａｒ压 强 ２．０Ｐａ，溅 射 时 间 ３．５～４．５ｈ， 其中溅 射 时 间 ４ｈ 获 得 的 平 均 膜 厚 为 ３．３μｍ，制 备的非晶硅 （α－Ｓｉ）薄 膜 的 拉 曼 光 谱 和 ＸＲＤ 谱 如 图 １（ａ）、１（ｂ）所 示 ：
利 用 晶 化 率 Ｘｃ＝ （Ｉ５１０ ＋Ｉ５２０）／（Ｉ５１０ ＋Ｉ５２０ ＋
特征峰的曲线进行面积积分的积分强度。结果如
Ｉ４８０）计算公式可算出晶化率 ，式中，Ｉ５２０、Ｉ５１０和Ｉ４８０
表３所示：
是 中 心 位 置 在５２０ｃｍ－１、５１０ｃｍ－１和４８０ｃｍ－１附 近
图３（ａ） 不同退火温度铝诱导拉曼图谱 图３（ｂ） 相同温度铝诱导和直接退火的拉曼光谱
Ｆｉｇ．３（ａ） Ｔｈｅ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｆ ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｉｇ３（ｂ） Ｔｈｅ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ Ｄ，Ｆ
ｓａｍｐｌｅｓ ａｎｎｅａｌｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
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云 南 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） 第 ３３ 卷
表２ 不同晶化温度制备的多晶硅薄膜的 ＸＲＤ 结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ＸＲＤ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
样品
半 高 宽／２θ
晶 粒 尺 寸／ｎｍ
Ａ
０．４２
２２．９０
Ｂ
０．４０
２３．８６
Ｃ
０．３５
２７．３３
Ｄ
０．３８
２４．７９
Ｅ
０．３１
上 述 结 果 说 明：温 度 越 高，扩 散 速 率 越 快，同 时硅原子的能量 越 高，这 样 就 增 大 了 硅 原 子 在 铝 层中的结晶 速 率，因 此 晶 粒 尺 寸 越 大。 然 而 当 退 火 温 度 过 高 时 ，由 于 成 核 速 率 过 大 ，大 于 晶 粒 的 生 长速 率，抑 制 了 晶 粒 的 长 大，得 到 的 晶 粒 尺 寸 较 小 。 ［９］ ２．３ 直接退火晶化和铝诱导晶化 Ｒａｍａｎ分析
大，７００℃衍射峰强度低于５００℃。图２（ｂ）是 Ｃ、Ｅ 的 Ｘ 射线衍射谱，从图中可以看出样品 Ｃ、Ｅ 退火 后都晶化出现了明显的 Ｓｉ（４００）衍射峰，Ｅ 的衍 射 峰强度明显高于 Ｃ的衍射峰。
图２ （ａ）不同退火温度铝诱导 ＸＲＤ 图 图２ （ｂ）同温度铝诱导和直接退火 ＸＲＤ 图
第 ２ 期 段 良 飞 ，等 ： 非 晶 硅 薄 膜 的 制 备 及 晶 化 研 究
· １７ ·ຫໍສະໝຸດ ２ 结 果 与 讨 论２．１ 非 晶 硅 薄 膜 制 备 在磁控溅射制 备 非 晶 硅 薄 膜 的 工 艺 中，影 响
薄膜性能的主要因素有 功 率、时 间 和 压 强 等［７－８］。
图１（ａ） 非晶硅（α－Ｓｉ）薄膜拉曼光谱 图１（ｂ） 非晶硅（α－Ｓｉ）薄膜 ＸＲＤ 谱
Ｆｉｇ．１（ａ） Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ（α－Ｓｉ）ｆｉｌｍ Ｆｉｇ．１（ｂ） ＸＲＤ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ（α－Ｓｉ）ｆｉｌｍ
５
Ｂ ５００
５
Ｃ ６００
５
Ｄ ７００
５
Ｅ ６００
５
Ｆ ７００
５
图２（ａ）是样品 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 的 Ｘ 射 线 衍 射 谱。 从图中可以看出样品 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 退 火 后 都 晶 化 出 明显的 Ｓｉ（４００）衍 射 峰；４００℃ 谱 线 的 特 征 峰 强 度 较低，谱线的 对 称 性 一 般，５００℃ 衍 射 峰 强 度 明 显 高于４００℃，但５００℃和６００℃ 衍 射 峰 强 度 相 差 不
薄膜 的 厚 度 及 粗 糙 度 由 Ｖｅｅｃｏ Ｄｅｋｔａｔ １５０ 台阶仪（精确度０．１ｎｍ）获 得；Ｘ 射 线 衍 射 测 试 采 用 Ｂｒｕｋｅｒ Ａｐｅｘ ＩＩ Ｘ 射线衍射仪；拉曼（Ｒａｍａｎ） 光谱测 试 采 用 英 国 ＲＥＮＩＳＨＡＷ 公 司ＩＮＶＩＡ 共 焦显微拉曼光谱仪。
＊ 收稿日期：２０１３－０２－１８ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 联 合 基 金 资 助 项 目 （Ｕ１０３７６０４）． 作 者 简 介 ：段 良 飞 （１９８８－ ）男 ，云 南 罗 平 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 硅 基 薄 膜 材 料 及 其 太 阳 能 电 池 的 研 究 ． 通 信 作 者 ：杨 培 志 （１９６６－ ）男 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 太 阳 能 利 用 材 料 及 器 件 研 究 ．
云 南 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） ２０１３ 年 ３ 月－３３ 卷 ２ 期 （Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．２）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＤＩＯ：１０．７６９９／ｊ．ｙｎｎｕ．ｎｓ－２０１３－０１９
非晶硅薄膜的制备及晶化研究＊
段 良 飞１，２， 张 力 元１，２， 杨 培 志１，２， 化 麒 麟１，２， 邓 双１，２， 廖 华１，２
２．２ 直接退火晶化和铝诱导晶化 ＸＲＤ 分析
非晶硅溅射时间为４ｈ，铝膜溅射时间为 ４０ｓ，
表 １ 样 品 的 晶 化 参 数
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ
样品编号 退 火 温 度 （℃ ） 退 火 时 间 （ｍｉｎ）
Ａ ４００
由 图 １ 可 见，拉 曼 谱 在 ４８０．０４１ｃｍ－１处 出 现 衬底为单晶硅。样品 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 为α－Ｓｉ／Ａｌ膜；Ｅ、
了明显 的 峰，ＸＲＤ 谱 中 没 有 出 现 任 何 峰，这 说 明 Ｆ 为α－Ｓｉ膜，将样品放入退火炉中快速光热退火，
制备的薄膜为 α－Ｓｉ薄膜。
其工艺参数如表１所示：
（１．可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室，云南 昆明 ６５００９２； ２．云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 ６５００９２）
摘 要： 采用磁控溅射技术首先在玻璃基片、单晶 硅 片 上 溅 射 非 晶 硅 薄 膜 再 在 其 表 面 溅 射 铝 膜 ，并 用 快速退火炉在不同温度下进行退火。利用台阶 仪、拉 曼 散 射 光 谱（Ｒａｍａｎ）仪 和 Ｘ 射 线 衍 射（ＸＲＤ）仪 对 薄膜进行性能表征。结果表明：在功率１２０Ｗ，气 压 １．５～２．５ｐａ，时 间 为 ３．５～４．５ｈ 的 条 件 下 可 制 备 得 非 晶 硅 薄 膜 ，Ａｌ诱 导 能 降 低 晶 化 温 度 ，并 在 ５００～６００℃ 间 存 在 一 最 佳 晶 化 温 度 。 关 键 词 ： 非 晶 硅 薄 膜 ；磁 控 溅 射 ；铝 诱 导 晶 化 ；多 晶 硅 中 图 分 类 号 ： Ｏ４８４．１ 文 献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－９７９３（２０１３）０２－００１６－０４
非晶硅（α－Ｓｉ）是 硅 基 薄 膜 太 阳 电 池 的 基 础 材 料，其主要特点是：光 吸 收 系 数 大、折 射 率 高 （３．０ ～４．０）和热性能良好［１］，因而用于太阳电池 时，所 需薄膜的厚度仅为晶硅 的 １％ 左 右。 非 晶 硅 薄 膜 太阳电池具有诸 多 优 点，尤 其 是 弱 光 性 能 好 和 温 度 系 数 低 ，使 其 成 为 一 种 有 潜 力 的 薄 膜 光 伏 器 件 。 非 晶 硅 薄 膜 太 阳 电 池 制 造 工 艺 简 单 ，能 耗 低 ，易 实 现 大 面 积 生 产 ，既 可 采 用 玻 璃 衬 底 ，又 可 采 用 不 锈 钢、钛 箔、铝 箔 和 塑 料 等 柔 性 衬 底，因 而 可 做 成 柔 性 太 阳 电 池 ，它 既 能 应 用 在 计 算 器 、手 表 等 弱 光 领 域，也能应用在微波中继站、光伏水泵和 ＢＩＰＶ 等 领域。鉴于此，非 晶 硅 太 阳 电 池 近 年 来 得 到 快 速 发展 。 ［１－４］ 但目前它还存在转 换 效 率 低 和 稳 定 性 较 差 （光 致 衰 减 效 应 ）等 缺 点 ，为 此 ，人 们 又 研 究 了 非 晶／微 晶 叠 层 太 阳 电 池 等 ，微 晶 硅 和 多 晶 硅 薄 膜 材料是未 来 硅 基 薄 膜 太 阳 电 池 的 发 展 重 点 。 ［５－７］ 微晶硅和多晶硅通常通过非晶硅晶化来获得。在 常 规 高 温 退 火 、快 速 光 热 退 火 、金 属 诱 导 晶 化 和 激 光晶化等方法中，快 速 光 热 退 火 和 金 属 诱 导 晶 化 由 于 所 需 设 备 简 单 ，适 于 大 面 积 制 备 ，受 到 人 们 的 重视。本文利用 磁 控 溅 射 方 法 在 玻 璃 基 片、单 晶 硅 Ｓｉ（１００）上沉积了 非 晶 硅 （α－Ｓｉ）薄 膜 和 α－Ｓｉ／Ａｌ 膜，研究了工艺参 数 对 薄 膜 厚 度 和 粗 糙 度 的 影 响