Part4光伏材料与器件2017秋季-硅薄膜太阳电池(6)

光伏材料与器件2017.9作业（20171113）：以report的形式，根据自己的理解，提出提高晶硅电池效率的方式，可以是课堂讲过的内容；也可以是根据自己的想法见解，提出一些新的、独到的idea，欢迎天马行空式的想法。下节课上课前提交，经评议后抽出优秀作业课堂点评，满分10分第四章硅基薄膜太阳电池真空获得技术薄膜制备技术透明导电薄膜介绍非晶硅太阳电池非晶硅叠层/多结太阳电池真空系统应包括：待抽空的容器(真空室)获得真空的设备(真空泵)测量真空的器具(真空计)必要的管道、阀门和其他附属设备真空的获得真空的获得前级泵：能使压力从一个大气压开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”。次级泵：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵称为“次级泵”。极限真空：任何一个真空系统，都不可能得到绝对真空，而是具有一定的压强，称为极限压强或极限真空。抽气速率：指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。真空泵分为：输运式真空泵、捕获式真空泵输运式真空泵采用对气体的压缩方式将气体分子输送至真空系统之外。捕获式真空泵依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体捕，排出于真空系统之外。输运式真空泵：旋转式机械真空泵、复合分子泵捕获式真空泵：油扩散泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵真空的获得至今还没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空，常常需要把２～３种真空泵组合起来构成复合排气系统以达到所需要的高真空真空的获得薄膜制备技术物理气相沉积技术(PhysicalVaporDeposition)真空蒸发沉积薄膜溅射沉积薄膜化学气相沉积技术(ChemicalVaporDeposition)外延膜沉积技术(Epitaxy)匀胶机(Spin-coating)喷涂(Spraycoating)刮涂(Bladecoating)真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发沉积薄膜真空蒸发沉积薄膜随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有：电阻式加热蒸发电子束加热蒸发激光加热蒸发电弧加热蒸发高频感应加热蒸发利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo,Ta等）制成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。（低压大电流）由于电阻加热蒸发源结构简单、价廉易作，故应用普遍。采用电阻加热法时应考虑蒸发源的材料和形状。电阻式加热蒸发电子束通过5-10KV的电场后被加速，然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能量传递给待蒸发的材料使其熔化并蒸发。无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反应的可能性很小。（坩埚水冷）电子束加热装置及特点电子束加热装置及特点难熔物质的蒸发：适合制备高纯、难熔物质薄膜可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料。如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光源放在真空室外边，激光束通过真空室窗口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。适合制备高纯，难熔物质薄膜激光加热蒸发可用来制备光学薄膜：Sb2S3,ZnTe,MoO3,PbTe,Ge,Si制备陶瓷薄膜：Al2O3,Si3N4；氧化物薄膜：SnO2，ZnO；超导薄膜YBCO。利用电弧放电加热：无污染适合制备高纯，难熔导电物质薄膜缺点：产生微米级的电极颗粒原理：用欲蒸发的材料做电极，通过调节真空室内电极间的距离来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现薄膜的沉积．在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到一些陶瓷薄膜。如在氮气氛下，对金属Ti和Zr（锆）起弧制的TiN和ZrN薄膜，在氧气氛下，Al起弧制得氧化铝薄膜。真空室电极衬底电弧加热蒸发在高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被加热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加热。（高频高压小电流）高频感应加热优点：设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚度控制比较准确，成膜速率快缺点：薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，台阶覆盖能力差。溅射的定义用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空中，这种现象称为溅射。溅射沉积薄膜溅射的物理过程：荷能离子与物质的相互作用溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放电是溅射技术的基础。溅射方法和溅射装置：直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射直流溅射电压约1~5kV，出射离子的速率约3~6x105cm/s，能量约10~40eV，到达基板的离子能量约1~2eV。控制参数：放电气体压力、放电电压及电流；特点：结构简单，放电不稳定，沉积速率很低。射频溅射1)射频频率：13.56MHz；2)电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压；3)射频溅射可制备绝缘介质薄膜；4)射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。磁控溅射化学气相沉积原理：化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气体相作用或在基片表面的化学反应生成要求的薄膜。这种化学制膜方法完全不同于磁控溅射和真空蒸发等物理气相沉积法（PVD），后者是利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜的。最近出现了兼备化学气相沉积和物理气相沉积特性的薄膜制备方法如等离子体气相沉积法等。化学气相沉积技术（ChemicalVaporDeposition）化学气相沉积技术的优点由于CVD法是利用各种气体反应来制成薄膜，所以可任意控制薄膜组成，从而制得许多新的膜材。采用CVD法制备薄膜时，其生长温度显著低于薄膜组成物质的熔点，所得膜层均匀性好，具有台阶覆盖性能，适宜于复杂形状的基板。由于其具有淀积速率高、膜层针孔少、纯度高、致密、形成晶体的缺陷较少等特点，因而化学气相沉积的应用范围非常广泛。用于CVD化学反应的几种类型CVD法可制成各种薄膜和形成不同薄膜组成，能制备出单质、化合物、氧化物和氮化物等薄膜。在CVD法中应用了许多化学反应。运用各种反应方式，选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到各种性质的薄膜。最早采用的CVD化学反应方式是用于金属精制的氢还原、化学输送反应等。现在得到应用的反应方式有加热分解、氧化、与氨反应、等离子体激发等。现在热分解法制备薄膜的典型应用是半导体中的外延薄膜制备、多晶硅薄膜制备等。甲硅烷（SiH4）在低温下容易分解，可在基片上形成硅薄膜。热分解反应242HSiSiH这种反应是还原卤化物，用其他金属置换硅的反应。在半导体器件制造中还未得到应用，但已用于硅的精制上。由金属产生的还原反应2442ZnClSiZnSiCl这种反应发生在基片表面上，反应气体被基片表面还原生成薄膜。典型的反应是钨的氟化物与硅。在硅表面上与硅发生如下反应，钨被硅置换，沉积在硅上：由基片产生的还原反应WSiFSiWF323246氧化反应主要用于在基片上制备氧化物薄膜。氧化物薄膜有SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等。一般使用这些膜材料的相应卤化物、氧氯化物、氢化物、有机化合物等与各种氧化剂反应制作薄膜。制备SiO2薄膜一般采用氧化SiH4的方法。除上述六类反应外，另外还有加水分解反应，与氨反应，等离子体激发反应，光激发反应以及激光激发反应等。氧化反应化学气相沉积的类型CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。（1）按沉积温度可分为低温（200~500℃）、中温（500~1000℃）和高温（1000~1300℃）CVD。（2）按反应器内的压力可分为常压CVD和低压CVD。（3）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式CVD。（4）按反应激活方式可分为热激活和等离子体激活CVD等。外延膜沉积技术外延是指沉积膜与基片之间存在结晶学关系时，在基片上取向或单晶生长同一物质的方法。当外延膜在同一种材料上生长时，称为同质外延，如果外延是在不同材料上生长则称为异质外延。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层。这一方法可以较好地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。外延膜沉积分类：分子束外延（MBE)金属有机物化学气相沉积（MOCVD)分子束外延的基本装置由超高真空室(背景气压1.3X10-9Pa),基片加热块、分子束盒、反应气体进入管、交换样品的过渡室组成。生长室包含许多其他分析设备用于原位监视和检测基片表面和膜，以便使连续制备高质量外延生长膜的条件最优化。分子束外延（MBE)分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法。分子束外延（MBE)特点(1)由于系统是超高真空，因此杂质气体(如残余气体)不易进人薄膜，薄膜的纯度高。(2)外延生长一般可在低温下进行。(3)可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。(4)对薄膜进行原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的生长及性质。当然，分子束外延生长方法也存在着一些问题，如设备昂贵、维护费用高、生长时间过长、不易大规模生产等。有机金属化学气相沉积(MOCVD)利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积（CVD)工艺。MOCVD是一种利用气相反应物，或是前驱物和Ⅲ族的有机金属和V族的NH3，在基材表面进行反应，传到基材衬底表面固态沉积物的工艺。MOCVD主要功能在于沉积高介电常数薄膜，可随着前驱物的更换，而沉积出不同种类的薄膜。与其他外延生长法如液相外延生长、气相外延生长相比，有机金属化学气相沉积有以下特点:①反应装置较为简单，生长温度范围较宽;②可对化合物的组分进行精确控制，膜的均匀性和膜的电学性质重复性好;③原料气体不会对生长膜产生蚀刻作用，因此，在沿膜生长方向上，可实现掺杂浓度的明显变化;④只通过改变原材料即可生长出各种成分的化合物。匀胶机喷涂刮涂半月板提拉作业提交透明导电薄膜(TCO)TYN2012/12/121.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO薄膜的市场应用及发展什么是透明导电薄膜?在可见光波长范围内具有可接受的透光度以flatpaneldisplay而言透光度愈高愈好以solarcell而言太阳光全波长范围之透光度及热稳定性具有导电特性电阻率(resistivity)愈小愈好，通常ρ10-4Ωּcm一般而言，导电性提高，透光度便下降，反之亦然。可见光范围具有80%以上的透光率，其比电阻低于1×10-4Ωּcm，即是良好透明导电膜。纯金属薄膜Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在10nm厚度的薄膜，均有某种程度的可见光透光度早期使用透明电极缺点：光的吸收度大、硬度低、稳定性差金属化合物薄膜(TCO)泛指具有透明导电性之氧化物、氮化物、氟化物a.氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiNb.掺杂氧化物：In2O3:Sn(ITO)、ZnO:In(IZO)、ZnO:Ga(GZO)ZnO:Al(AZO)、SnO2:F、TiO2:Tac.混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4TCO的发展历史1907年最早使用CdO材料为透明导电镀膜，应用在photovoltaiccells.1940年代，以SprayPyrolysis及CVD方式沉积SnOx于玻璃基板