专利名称：柔性基底微晶硅薄膜的快速、均匀制备方法
技术领域：
本发明涉及柔性基底高质量微晶硅薄膜的快速、均勻制备方法，属于表面工程技术领域。
背景技术：
随着空间、近空间飞行器、无人机以及地面军事智能化装备的发展，其能源供给系统对太阳电池提出了诸多新的要求，如轻质、高效、强的抗辐射能力等，大面积高效柔性薄膜太阳电池可以很好地满足上述需求。以聚酰亚胺为基体的柔性非晶硅太阳电池已成为航天器用太阳电池系统的研究热点，同时柔性非晶硅太阳电池作为低成本大功率能源，在平流层飞艇上是目前唯一的选择，并将在某些空间领域取代单晶硅太阳电池，尤其是在科学家正在研究和探索的空间太阳能发电站的竞争中将占有重要地位。尽管基于聚酰亚胺基底的非晶硅薄膜太阳电池的预期结果具有如此令人鼓舞的优势，但由于非晶硅材料本身的光致衰退现象(SW效应)制约着它的进一步发展。微晶硅薄膜克服了光致衰退问题，被认为是最有应用前景的材料之一。然而，目前广泛采用的微晶硅薄膜制备方法一射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与柔性基体的工艺结合出现的缺点非常明显
第一，由于聚酰亚胺基底耐高温性能相对玻璃和不锈钢等常用材料而言较差，所以一般选择在更低的温度下用RF-PECVD技术生长微晶硅薄膜，但沉积的微晶硅薄膜的结构完整性较差，复合中心密度过高，造成制备的柔性微晶硅薄膜太阳电池的光电转化效率还很低，难以满足空间飞行器对薄膜太阳电池使用要求；
第二，为了弥补结构完整性差的问题，尽量采用大的氢流量稀释以获得较低的缺陷密度，往往造成沉积速率过低，同时，RF-PECVD技术本身不太适合于沉积晶化硅薄膜。为了提高微晶硅薄膜的质量和制备效率，目前多采用甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)和热丝化学气相沉积(HW-CVD)方法。但是，VHF-PECVD无法满足幅宽上的均勻性要求，而HW-CVD制备的薄膜含孔洞数量偏多，电池效率不高。因此，急需开发一种新的制备方法，在低温下实现柔性基底高质量、高沉积速率、均勻性好的微晶硅薄膜的制备。
发明内容
为克服现有技术中低温下沉积薄膜结构完整性差和沉积速率低的问题，本发明采用热丝辅助甚高频等离子体增强化学气相沉积方法，在低温下实现柔性基底高质量、高沉积速率、均勻性好的微晶硅薄膜的制备，大大提高薄膜太阳电池的稳定性和效率，降低电池制备成本。为此，所采用的技术方案是一种柔性基底微晶硅薄膜快速、均勻制备的方法，采用热丝辅助甚高频等离子体增强化学气相沉积方法沉积微晶硅薄膜，达到柔性基底微晶硅薄膜的快速、均勻制备，具体实现步骤如下
(1)将柔性基底置于真空腔室内，本底真空高于IO-5Torr；
(2)所述柔性基底通过辉光等离子体清洗活化提高镀制膜层的附着力；
(3)采用热丝辅助甚高频等离子增强化学气相沉积方法沉积微晶硅薄膜，热丝置于甚高频源和样品台之间，热丝与样品台距离在5 30mm，热丝温度变化范围设定在1300 2000°C，所述柔性基底无额外加热系统，所用反应气体为硅烷和氢气，反应气体压强40 200Pa;辉光功率20 60W;氢气稀释硅烷浓度 SC= ([SiH4]/([SiH4]+ [H2])) =1 15%; 辉光激励频率40 IOOMHz。本发明针对低温沉积的微晶硅薄膜结构完整性差和沉积速率低的问题，结合甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)和热丝化学气相沉积(HW-CVD)两项技术的优势，创新性地采用热丝辅助甚高频等离子体增强化学气相沉积方法，可以使反应气体高度分解，调节工艺参数，可以达到薄膜结构的可控生长，实现低温下柔性基底高质量、高沉积速率、均勻性好的微晶硅薄膜的制备。应用于薄膜太阳电池，可以有效地提高电池稳定性和效率。柔性微晶硅薄膜太阳电池具备高质量比功率、轻质、可弯曲、不易损坏等显著特点，在平流层飞艇、无人机、微小卫星、深空探测卫星、空间电站以及地面军事智能化装备等方面具有非常广泛的应用前景。本发明工艺方法简单、生产成本低、可以在塑料基底上实现高质量微晶硅薄膜的快速沉积，配以相应的柔性衬底卷绕设备，即可实现连续化沉积，替代现有微晶硅制备工艺。
图1为本发明工艺装置示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。参照图1，一种柔性基底微晶硅薄膜的快速、均勻制备方法，采用热丝辅助甚高频等离子体增强化学气相沉积方法在柔性基底上高速沉积微晶硅薄膜，沉积系统中甚高频输入端类似于电容耦合射频等离子体CVD系统，电极屏蔽并通水冷却，热丝4位于甚高频功率极和样品台6之间，样品台6距离甚高频功率极约50mm，调节辅助热丝与样品台6之间的距离为5 30mm，优选10mm。柔性基底以聚酰亚胺为例。将25 μ m厚柔性聚酰亚胺基底5置于样品台6上，用机械泵和分子泵组成的真空系统7抽真空，使真空室本底真空优于10_5Torr。关掉分子泵，通入氢气，氢气流量为20 60SCCm，调节真空阀开口，使真空室真空度为lOOPa。打开甚高频电源，选用70MHz的激发频率，调节功率为20 60W，更进一步可为30 60W，产生氢等离子体对聚酰亚胺基底6进行有效清洗活化。通入SiH4 (H2稀释20%)，流量5 25sccm，氢气稀释硅烷浓度SC = ([SiH4]/ ([SiH4]+ [H2])) = 1 15%，进一步可为 SC = ([SiH4]/([SiH4] + [H2])) = 1 5%;调节质量流量计，使SiH4和H2总流量控制在100 sccm ；辉光激励频率40 IOOMHz。调节真空阀开口，使工作气压在4(T200Pa之间变化。所述柔性基底处于自然升温状态，无额外加热系统。打开甚高频电源2，通过加在热丝5上的直流电源8控制热丝的温度，热丝5的温度由红外测温仪测得，温度控制在1300 2000°C。 此步骤中工作气压可优选50 180Pa， 辉光激励频 率优选60 90MHz，热丝温度进一步在1500 2000° C。
图1中1为甚高频源2的匹配器，3为通入真空室的反应气体。
权利要求
1. 一种柔性基底微晶硅薄膜的快速、均勻制备方法，其特征在于，采用热丝辅助甚高频等离子体增强化学气相沉积方法沉积微晶硅薄膜，达到柔性基底微晶硅薄膜的快速、均勻制备，具体实现步骤如下(1)将柔性基底置于真空腔室内，本底真空高于IO-5Torr；(2)所述柔性基底通过辉光等离子体清洗活化提高镀制膜层的附着力；(3)采用热丝辅助甚高频等离子增强化学气相沉积方法沉积微晶硅薄膜，热丝置于甚高频源和样品台之间，热丝与样品台距离在5 30mm，热丝温度变化范围设定在1300 2000°C，所述柔性基底无额外加热系统，所用反应气体为硅烷和氢气，反应气体压强40 200Pa;辉光功率20 60W;氢气稀释硅烷浓度 SC= ([SiH4]/([SiH4]+ [H2])) =2 15%; 辉光激励频率40 IOOMHz。
全文摘要
一种柔性基底微晶硅薄膜快速、均匀制备的方法，具体步骤(1)将柔性基底置于真空腔室内；(2)所述柔性基底通过辉光等离子体清洗活化提高镀制膜层的附着力；(3)采用热丝辅助甚高频等离子增强化学气相沉积方法沉积微晶硅薄膜。本发明创新性地采用热丝辅助甚高频等离子体增强化学气相沉积方法，在低温下实现柔性基底高质量、高沉积速率、均匀性好的微晶硅薄膜的制备。应用于薄膜太阳电池，可以有效地提高电池稳定性和效率。柔性微晶硅薄膜太阳电池具备高质量比功率、轻质、可弯曲、不易损坏等显著特点，在平流层飞艇、无人机、微小卫星、深空探测卫星、空间电站以及地面军事智能化装备等方面具有非常广泛的应用前景。
文档编号C23C16/44GK102330067SQ20111028364
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者冯煜东, 王志民, 王艺, 王虎, 王金晓, 赵慨, 速小梅 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所