硅基纳米图形结构的制备及其在发光器件与太阳能电池中的应用

【摘要】：随着硅平面工艺技术的飞速发展,器件的特征尺寸越来越小,集成电路的规模和集成度得到不断提升。器件尺寸的缩小使得人们日益关注硅低维结构的制备与性能的研究。由于新型的半导体低维结构材料表现出异于体材料的新颖的光电性质,从而有可能将其应用于制作光电集成的硅基光源和高效硅基太阳能电池以提高器件性能。为了进一步提高器件的效率和降低制造成本,人们提出并研究了很多技术方案,通过在器件中引入纳米结构进行光的调控,以期实现减少界面反射,增强光吸收,减少光学损失的效果。本论文采用纳米小球刻蚀技术制备了纳米图形衬底,对其表面结构进行表征,研究了不同刻蚀深度的纳米图型衬底的光学性质。将其运用于硅量子点/二氧化硅(Si QDs/SiO2)多层膜,探讨了不同刻蚀深度的纳米图形衬底对多层膜光致和电致发光性质的影响。并初步探索了纳米图形衬底对非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池性能的影响。 本论文的主要内容与结果如下： 1.本文发展了一种以聚苯乙烯纳米小球单层膜为掩膜,用反应离子刻蚀(RIE)技术在硅衬底上形成二维有序排列的硅锥表面形貌的方法。该方法得到的纳米结构的尺寸可调性较好,其周期和硅锥深度可以分别通过聚苯乙烯小球的直径和RIE刻蚀时间来加以控制。我们通过原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)进行表征,观察到衬底表面的六角密堆排列的有序结构,并由剖面透射电子显微镜(TEM)图像得到了硅锥的具体形貌和尺寸,验证了该方法制备深度可控的周期性纳米结构的有效性。通过该方法制备的纳米图形衬底的光学性质较平板硅衬底有明显改善,其反射率得到了明显降低,同时,随着刻蚀时间的增加,减反效果逐渐改善,反射率可由平板衬底的40%降为5%。 2.利用所制备的硅纳米图形结构作为衬底,用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统在其上淀积了氢化非晶Si/SiO2多层膜,通过后退火处理的方法得到Si量子点/SiO2多层膜。由AFM和TEM对样品进行了表征,观测到多层膜样品良好保持了纳米图形衬底的周期性硅锥形貌特征。同时,通过该方法生长的多层膜有着清晰的层状结构,在TEM的高分辨图像中我们观察到了由后退火处理所形成的硅量子点。相比于在常规平板衬底上制备的多层膜样品,纳米图形衬底上的多层膜表现出很好的抗反射效果,正是这种效果使得器件的光提取效率和其对激发光的吸收效率得到提高,因此纳米图型衬底上的光致发光强度相对于平板衬底有较大提高,对于刻蚀16min的纳米图形衬底,提高了一个量级以上。同时,在纳米图形衬底上的多层膜的电致发光效率也有了相应的提高,对于刻蚀时间为12min的图型衬底,其电致发光效率是平板衬底器件的三倍以上 3.基于上述研究结果,我们尝试将纳米图形衬底运用于非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池以提升电池性能。用PECVD系统在纳米图形衬底上和平板衬底上淀积本征和n型非晶硅,形成单晶硅/非晶硅异质结,通过SEM观察到纳米图形衬底表面共形生长的二维亚波长周期结构。在非晶硅表面镀上电极后形成太阳能电池器件,其中纳米图形衬底和平板衬底上的器件分别作为测试器件和参照器件。通过电学性质的测试发现,测试器件的短路电流密度和功率转换效率相对于参照器件明显增强,短路电流密度由31.7 mA/cm2提高到37.2mA/cm2,功率转换效率提高了110%。纳米图形的引入使得入射光在器件表面的反射削弱,更多的光可以进入器件内部从而被吸收,因此可以激发更多的载流子。 【关键词】：纳米图形衬底 抗反射 发光增强 功率转换效率
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 硅基纳米结构的研究背景8-11
• 1.2 纳米结构在硅基光电器件中的研究现状11-12
• 1.3 本论文的研究意义和主要内容12-14
• 参考文献14-16
• 第二章 纳米图形衬底的制备与表征16-25
• 2.1 引言16-17
• 2.2 纳米图形衬底的制备17-18
• 2.3 纳米图形衬底的表征18-21
• 2.4 纳米图形衬底的光学性质21-23
• 2.5 本章小结23-24
• 参考文献24-25
• 第三章 纳米图形衬底对Si QDs/SiO_2多层膜发光性质的影响25-40
• 3.1 引言25-26
• 3.2 Si QDs/SiO_2多层膜的制备26-27
• 3.2.1 a-Si∶H/SiO_2多层膜的制备26
• 3.2.2 后退火处理得到Si QDs/SiO_2多层膜26-27
• 3.3 Si QDs/SiO_2多层膜的表征27-29
• 3.4 纳米图形衬底对Si QDs/SiO_2多层膜光致发光的影响29-31
• 3.5 纳米图形衬底对Si QDs/SiO_2多层膜电致发光的影响31-38
• 3.6 本章小结38-39
• 参考文献39-40
• 第四章 纳米图形衬底对非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池的性能影响的初步探索40-48
• 4.1 引言40
• 4.2 衬底的光学性质40-43
• 4.3 非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池的制备与表征43-44
• 4.4 非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池的测试结果44-45
• 4.5 本章小结45-47
• 参考文献47-48
• 第五章 总结与展望48-50
• 5.1 主要结论48-49
• 5.2 展望49-50
• 硕士期间发表论文50-52
• 致谢52-53

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