专利名称：一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法
技术领域：
本发明涉及一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法，属于太阳电池应用领域。
背景技术：
太阳能发电在解决全球能源危机，以及减缓温室效应方面有着巨大的应用价值。 近年来，硅太阳电池的开发应用成为了众多科学家们研究的焦点。作为半导体和微电子工 业中最重要的基础材料，硅以其高储量、较为成熟的工艺、污染小、较高的转换效率、稳定性 好等优势成为了太阳电池研究开发的重点材料，据资料显示，其所占市场份额已超过90%。 其中，非晶硅薄膜电池存在很多突出的优点，例如，质量轻，比功率高，吸收系数大，抗辐射 性能好，耐高温，成本低等等。然而，由于非晶硅薄膜存在严重的光衰减效应和较多的结构 缺陷，使其光电转换效率较低，严重影响了其在光伏市场上的推广应用。因此，提高非晶硅 薄膜太阳电池的光电转换效率有着非常重要的意义。 前人研究已经表明利用金属纳米结构具有的特殊光学性能，可通过其表面 等离子共振形式增大光的吸收截面、增强光散射能力，文献报道如U.Kreibig and M. Vollmer， Optical Properties of Metal Clusters(Springer-Verlag, New York, 1995) 以及C. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption andScattering of Light by Small Particles (John Wiley & Sons, New York, 1983)。此外，金属纳米结构还具有 增强局域化电磁场的特性。如S.Pillai， K. R. Catchpole， T. Trupke， and M. A. Green， J. Appl. Phys. 101 (2007) 093105 ;以及D. M. Schaadt， B. Feng， and E. T. Yu， Appl. Phys. Lett. 86(2005)063106。而这些特性有可能用于增强材料对光的吸收。
发明内容
本发明提供一种简单的增强非晶硅薄膜光吸收的方法，通过延长光子 在非晶硅薄膜中的传播路径，以此增加光吸收。 本发明的增强非晶硅薄膜光吸收的方法，包括以下步骤 1)利用等离子化学气相沉积法在清洗后的衬底上沉积非晶硅薄膜； 2)采用电子束蒸发法在非晶硅薄膜表面生长银膜； 3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理，得到银岛膜结构。 上述制备方法中各步骤具体可以按如下方式进行 1)清洗衬底，清洗方法如下用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗；然后用 去离子水充分漂洗后晾干； 将清洗后的衬底放入等离子化学气相沉积设备的反应室中，先将真空度抽至 5X10—4Pa以下，然后通入硅烷，在薄膜沉积过程中，衬底温度150°C 350°C ;
2)将覆有非晶硅薄膜的衬底放入电子束蒸发设备的反应室中，反应室真空度抽至 5X10—3Pa以下，衬底温度为100°C 30(TC，在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜，银颗粒径向 尺寸为10 300nm ;
3)对表面沉积银的非晶硅薄膜进行热处理，热处理温度为100°C 400°C ，退火时升温速率控制在1-20°C /min。 热处理温度对非晶硅薄膜和银岛膜有一定影响，热处理有利于银岛膜中银颗粒均匀化，但高温热处理会促使非晶硅薄膜晶化，因此热处理最优温度为200°C 40(TC热处理，退火时升温速率控制在1-20°C /min。 本发明使用的设备与现行成熟工艺兼容，方法简单可控，制备出的银岛膜对非晶硅薄膜光吸收的增强方式简单，可用于增加非晶硅太阳电池转换效率，以及增强相关LED发光等方面。
图1是表面沉积银岛膜的非晶硅薄膜的结构示意 图2是实施例1银岛膜的表面扫描电镜照片；
图3是实施例1银岛膜的原子力显微三维照片； 图4是实施例1覆盖了径向平均尺寸为20nm银岛膜的非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。 图5是实施例2覆盖了平均颗粒尺寸lOnm的银岛膜后，非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。
具体实施方式
实施例1 1)选用普通商用石英衬底，尺寸为lcmX2cm。衬底首先进行清洗，清洗方法如下1、用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗15min ;2、用去离子水充分漂洗后晾干。
2)利用等离子体增强化学气相沉积设备在石英衬底上制备非晶硅薄膜，沉积非晶硅薄膜的反应前驱体为硅烷(SiH》，该气体是用氮气稀释的，该混合气体中，Si4与氮气的体积比为l : 9。制备时将石英片放入等离子化学气相沉积设备的反应室中。先将真空度抽至5X 10—4Pa以下，然后通入硅烷气体，流量为50sccm，在薄膜沉积过程中，衬底温度保持在35(TC，整个反应腔的气压保持在约4Pa，沉积时间为120min。经椭圆偏振光谱仪M-2000测得非晶硅薄膜的厚度约为1200nm。 3)将非晶硅薄膜放入电子束蒸发设备的反应室中，反应室真空度抽至5X 10—3Pa，衬底温度为20(TC，利用膜厚仪调节银的蒸发速率，蒸发速率控制在0.3 A/S,制得的银岛膜中银颗粒平均尺寸约为20nm。 4)表面沉积银膜的非晶硅薄膜再经过常规热处理，热处理温度为20(TC，退火时升温速率控制在5°C /min。 获得如图1所示的银岛膜_非晶硅薄膜结构，在衬底1上自下而上依次是非晶硅薄膜2和银岛膜3。。 图2是非晶硅薄膜表面银岛膜的扫描显微照片，可见银岛膜中银颗粒的形貌呈现平面球状结构。 图3是平均尺寸20nm的银岛膜的原子力显微三维照片，可以看到银颗粒为岛状结构。
图4是覆盖了银颗粒平均尺寸20nm的银岛膜后，非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。从图中可以看到银岛膜平均尺寸为20nm时，520nm至长波段的区域反射增强因子都明显小于l，亦即非晶硅薄膜的光吸收得到了增强。 实施例2 1)选用普通商用石英衬底，尺寸为lcmX2cm。衬底首先进行清洗，清洗方法如下1、用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗15min ;2、用去离子水充分漂洗后晾干。
2)利用等离子体增强化学气相沉积设备在石英衬底上制备非晶硅薄膜，沉积非晶硅薄膜的反应前驱体为硅烷(SiH》，该气体是用氮气稀释的，该混合气体中，Si4与氮气的体积比为l : 9。制备时将石英片放入等离子化学气相沉积设备的反应室中。先将真空度抽至5X 10—4Pa以下，然后通入硅烷气体，流量为50sccm，在薄膜沉积过程中，衬底温度保持在200°C ，整个反应腔的气压保持在约4Pa，沉积时间为30min。经椭圆偏振光谱仪M-2000测得非晶硅薄膜的厚度约为300nm。 3)将非晶硅薄膜放入电子束蒸发设备的反应室中，反应室真空度抽至5X 10—3Pa，衬底温度为25(TC，利用膜厚仪调节银的蒸发速率，蒸发速率控制在0.1 A/S,制得的银岛膜中银颗粒平均尺寸为10nm。 4)表面沉积银岛膜的非晶硅薄膜再经过常规热处理，热处理温度为20(TC，退火时升温速率控制在5°C /min。 图5是表面覆盖了银颗粒平均尺寸为10nm的银岛膜后，非晶硅薄膜样品的反射率与参考样品的反射率之比即反射增强因子与波长的关系。从图中可以看到500nm至长波段的区域反射增强因子都明显小于l，亦即非晶硅薄膜的光吸收得到了增强。
实施例3 1)选用普通商用石英衬底，尺寸为lcmX2cm。衬底首先进行清洗，清洗方法如下1、用去离子水、酒精和丙酮依次分别超声清洗15min ;2、用去离子水充分漂洗后晾干。
2)利用等离子体增强化学气相沉积设备在石英衬底上制备非晶硅薄膜，沉积非晶硅薄膜的反应前驱体为硅烷(SiH》，该气体是用氮气稀释的，该混合气体中，Si4与氮气的体积比为l : 9。制备时将石英片放入等离子化学气相沉积设备的反应室中。先将真空度抽至5X 10—4Pa以下，然后通入硅烷气体，流量为50sccm，在薄膜沉积过程中，衬底温度保持在300°C ，整个反应腔的气压保持在约4Pa，沉积时间为30min。经椭圆偏振光谱仪M-2000测得非晶硅薄膜的厚度约300nm。 3)将非晶硅薄膜放入电子束蒸发设备的反应室中，反应室真空度抽至5X 10—3Pa，衬底温度为20(TC，利用膜厚仪调节银的蒸发速率，蒸发速率控制在0.1 A/s，制得的银岛膜中银颗粒平均尺寸为30nm。 4)表面沉积银岛膜的非晶硅薄膜再经过常规热处理，热处理温度为30(TC，退火时升温速率控制在5°C /min。
实验结果与实施例1相似。
权利要求
一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法，包括以下步骤1)利用等离子化学气相沉积法在清洗后的衬底上沉积非晶硅薄膜；2)采用电子束蒸发法在非晶硅薄膜表面生长银膜；3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理，得到银岛膜结构。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)利用等离子化学气相沉积法在清 洗后的衬底上沉积非晶硅薄膜的方法为将清洗后的衬底放入等离子化学气相沉积设备 的反应室中，先将真空度抽至5X10—4Pa以下，然后通入硅烷，在薄膜沉积过程中，衬底温度 150°C 350°C。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于清洗衬底的方法为用去离子水、酒精和丙 酮依次分别超声清洗；然后用去离子水充分漂洗后晾干。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于步骤2)采用电子束蒸发法在非晶硅薄膜表 面生长银膜的方法为将覆有非晶硅薄膜的衬底放入电子束蒸发设备的反应室中，反应室 真空度抽至5X10—3Pa以下，衬底温度为10(TC 30(TC，在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜， 银颗粒径向尺寸为10nm 300nm。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3)中热处理温度为100°C 40(TC，退 火时升温速率为l-20。C /min。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述的热处理温度为2Q(TC 4Q(TC。
全文摘要
本发明公开了一种增强非晶硅薄膜光吸收的方法，包括以下步骤1)在清洗后的衬底上制备非晶硅薄膜；2)在非晶硅薄膜表面沉积一层银膜；3)表面沉积银膜的非晶硅薄膜经过热处理，得到银岛膜结构。本发明使用的设备与现行成熟工艺兼容，方法简单可控，制备出的银岛膜对非晶硅薄膜光吸收的增强方式简单，可用于增加非晶硅太阳电池转换效率，以及增强相关LED发光等方面。
文档编号H01L31/20GK101764182SQ20101003966
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者周冰, 李东升, 杨德仁, 汪雷 申请人:浙江大学