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环境污染和能源短缺一直影响着各国的持续发展,在众多可再生清洁能源中,光伏组件最有可能取代传统能源而成为新的能源。a-Si:H薄膜电池以其低廉的制造成本及容易实现大面积沉积,在光伏市场中有着广泛的应用前景。
微波电子回旋共振化学气相沉积(MWECRCVD)和热丝化学气相沉积(HWCVD)是制备a-Si:H薄膜的两种重要方法,MWECRCVD产生的等离子体具有能量转化率高、气体分解充分、激发态物种和基团浓度高等优点;HWCVD能制备出低H含量和高稳定性的a-Si:H薄膜。实验后期,在原有MWECR设备基础上,引入热丝单元,以期结合两者的长处,制备出优质的a-Si:H薄膜。实验表明,由于热丝起到促进反应气体的充分分解等作用,因而对提高薄膜性能有显著作用。与不加热丝的情况相比,在较低的衬底温度下就能制备出优质的a-Si:H薄膜,光敏性达到3×105,沉积速率超过20A/s,同时也大大提高了薄膜的均匀性。
a-Si:H薄膜的生长主要包括活性基团SiH3的吸附、表面反应、表面扩散、解吸附等,最终决定薄膜的H含量和缺陷态密度是沉积时的释氢过程。
实验表明,在相同衬底温度下,适当增加由等离子体轰击和热丝辐射引起的温度能增加等离子体释氢的速率,减少H在扩散中被富氢区选择性吸引的几率,从而有效改善薄膜的硅氢键结构,提高薄膜的光敏性;在薄膜沉积过程中,适当加大混合气体中氢气的稀释率,H对薄膜的轰击可以增加生长表面SiH3的选择性吸附,增加成膜基团的表面迁移率,而且在亚表面层,通过移动弱成键H而改善薄膜的微结构,提高薄膜的光敏性。
a-Si:H薄膜的光致衰退是影响其应用的主要原因,研究表明,H在a-Si:H中有不同的键合形式,分别形成了深捕获能级、浅捕获能级和高能亚稳态Si-H-Si,在光衰退和热退火中,H的运动和扩散起到了重要的作用。光照时,原先在深捕获能级和浅捕获能级的H原子会在过剩载流子的非辐射复合能的帮助下,到达高能亚稳态这一位置,形成三中心的Si-H-Si(也称BCH原子),这种BCH原子能互相结合形成氢气溢出薄膜。如果进行热退火过程,就可以消灭这种高能亚稳态,恢复原先的成键形式。而光诱导热退火则是光生缺陷和热消除缺陷的竞争过程,退火时薄膜中的硅氢键结构强烈依赖于热丝的温度和退火环境。