光伏材料氢化纳米硅中成键氢对材料结构及缺陷的影响

【摘要】：步入二十一世纪,传统能源枯竭和环境污染日益成为威胁人类生存与发展的全球性问题。寻找,开发和利用清洁的可再生能源迫在眉睫。而太阳能以其取之不尽、用之不竭且无污染的特点,成为最具开发潜力的可再生能源之一。太阳电池是将太阳光能直接转换为方便使用的电能的一种器件。虽然目前传统的晶体硅太阳电池在全球光伏产业中占据了绝大多数的市场份额,新型薄膜太阳电池,尤其是以硅为原料的薄膜太阳电池,由于其易于大面积生长、生产成本低、温度系数低、能量偿还时间短等优势而受到广泛的关注。 长期以来,作为技术较为成熟的硅基薄膜电池,非晶硅太阳电池一直存在某些难以克服的缺点,如:能量转换效率低、电导率低,易发生光致衰退现象(即所谓的Staebler-Wronski效应)。然而,氢化纳米硅薄膜的出现为硅基薄膜电池注入了新的活力。氢化纳米硅薄膜是单晶硅和非晶硅的混相物质,由纳米尺度的单晶硅颗粒镶嵌在氢化非晶硅的网络中构成。大量的表明,氢化纳米硅的混相体系可以有效降低在非晶硅材料中不可避免出现的光至衰退现象。同时,氢化纳米硅薄膜中大量存在的单晶硅量子点使得体系拥有明显的量子限制效应,这使得人们可以通过控制纳米硅薄膜结构来调控材料的光学带隙以实现对太阳光谱的响应,从而获得更高的光吸收效率。另外,由于材料的高光吸收截面以及优良的电导率,纳米硅薄膜具有很好的光吸收系数以及光电流响应。目前许多科研机构正在积极尝试将纳米硅薄膜应用到多结薄膜太阳电池中,以实现高效稳定的新型叠层薄膜太阳电池。氢化纳米硅薄膜中位于晶界结构中的成键氢在早期的大量研究中已被发现,然而其对薄膜性能的影响鲜有报道。另一方面,微晶硅薄膜中的后氧化问题已经受到人们的大量关注,但是在氢化纳米硅中,后氧化的研究工作才刚刚起步。 我们研究了一系列本征纳米硅薄膜中成键氢对薄膜的结构以及缺陷密度的影响。通过红外光谱手段,我们对一组运用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在不同功率密度条件下生长的本征氢化纳米硅薄膜中的成键氢、氧含量以及氢的不同成键模式进行了详细的分析研究。通过结合薄膜微结构的分析我们发现在较低功率密度的生长条件下,薄膜生长时表面的氢覆盖率较高,从而反应前驱物(硅氢基团)在反应表面的迁移率较高,其有更大的机会到达自由能最低的地方,形成晶态比较高、致密性较好的膜层。而在较高功率密度的生长条件下,高能量氢原/离子的表面吸氢作用降低了反应前驱物的迁移率,从而增加了薄膜的空洞结构。与此同时,高能量氢原/离子具有更强的渗透能力,从而更多的沿晶界进入薄膜亚表面,大量钝化在纳米硅生长过程中由氢诱导晶化过程形成的在晶界表面的悬挂键,形成位于晶界中的硅氢化合物。 进一步通过对薄膜中氧含量与晶界中硅氢键的吸收积分强度的比较我们发现两者存在显著的负相关关系。考虑到纳米硅中晶粒小从而晶界比例高,我们认为上述现象由如下原因造成:在晶界中,高含量的硅氢化合物形成了更加致密,氢覆盖率更高的钝化良好的晶界结构。这样的结构有效防止了沉积结束后薄膜在大气环境保存过程中氧元素的侵入——薄膜的后氧化。 硅薄膜的后氧化通常会在硅/二氧化硅界面引入悬挂键,从而增加薄膜的缺陷密度。通过电子自旋共振实验,我们在纳米硅薄膜样品中同样发现了两者间的相关关系:随着薄膜中氧含量的增加,其缺陷(悬挂键)密度显著增加。 综合上述结果,我们认为纳米硅薄膜中较高含量的位于晶界结构中的硅氢化合物对于防止薄膜的后氧化,从而降低薄膜缺陷(悬挂键)密度具有至关重要的作用。 以上的研究得到了国家自然科学基金(11074169)和国家基础研究重大项目(2010CB933702)的资助。 【关键词】：氢化纳米硅 等离子体增强化学气相沉积 生长机理 成键氢 晶界 后氧化 缺陷密度 准分子激光晶化
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-15
• 1.1 研究背景与现状13-14
• 1.2 本文的主要工作14-15
• 第二章 氢化纳米硅薄膜的制备与表征手段15-34
• 2.1 硅基材料的分类15-17
• 2.2 硅基纳米材料的制备方法17-20
• 2.3 纳米硅的物性表征分析手段20-31
• 2.3.1 微观结构表征20-26
• 2.3.2 光学性质表征26-29
• 2.3.3 电学性质表征29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 参考文献32-34
• 第三章 氢化纳米硅的生长机理与制备工艺34-45
• 3.1 氢化纳米硅薄膜的生长机制34-37
• 3.2 氢化纳米硅的微观生长机制37-43
• 3.2.1 等离子体增强化学气相沉积38-41
• 3.2.2 氢化纳米硅薄膜制备的工艺条件41-43
• 3.3 本章小结43-44
• 参考文献44-45
• 第四章 氢化纳米硅中成键氢对结构及缺陷的影响45-62
• 4.1 引言45
• 4.2 氢化纳米硅样品的制备45-46
• 4.3 氢化纳米硅样品的微结构表征46-49
• 4.4 氢化纳米硅薄膜的微结构分析49-51
• 4.5 氢化纳米硅薄膜中成键氢对薄膜结构及后氧化的影响51-56
• 4.6 氢化纳米硅薄膜后氧化对缺陷密度的影响56-58
• 4.7 本章小结58-60
• 参考文献60-62
• 第五章 氢化纳米硅的准分子激光晶化62-71
• 5.1 非晶硅的准分子激光晶化62-66
• 5.2 氢化纳米硅的准分子激光晶化66-68
• 5.3 本章小结68-70
• 参考文献70-71
• 第六章 结论71-73
• 6.1 本文的主要结论和创新点71-72
• 6.2 下一步的工作及展望72-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间发表论文和所获荣誉74

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

太阳电池组件基本力学性能试验及数值模拟研究    封忠江

准分子激光晶化制备TFT多晶硅薄膜的研究进展    言益军;戴永兵;王俊;孙宝德;

磁控溅射技术进展及应用(上)    徐万劲

纳米硅薄膜研究的最新进展    彭英才,何宇亮

Cd_(1-x)Zn_xS三元系颜料红外性能研究    顾冰芳;徐国跃;任菁;罗艳;蔡刚;

涡轮LP-MOCVD研制高亮度红光发光二极管    邓云龙,范广涵,廖常俊,刘颂豪,文尚胜,刘鹏,王浩,曹明德,刘鲁

内调制光电探测器特性的模拟与实验分析    邱家威,黄启俊,吴凡,熊力嘉,常胜,戴峰,何民才

InGaN/GaN多量子阱蓝光LED电学特性研究    刘诗文;郭霞;艾伟伟;宋颖娉;顾晓玲;张蕾;沈光地;

p-CZT的钝化处理和C-V特性研究    李强;介万奇;付莉;汪晓芹;查刚强;杨戈;

多孔阳极氧化铝薄膜的结构和特性    闫金良;

Si薄膜介电函数的椭偏光谱分析    杨定宇;蒋孟衡;

SiC热氧化SiO_2的红外光谱研究    田晓丽;龚敏;曹群;石瑞英;

p-n结的隧道击穿模型研究    尚春宇;杜艳秋;吴研;

ITO/Si/Al结构太阳电池pn结光电特性仿真研究    施敏;王强;孙玲;

掺钕硼酸锂玻璃光学性质的研究    吴仕梁;连洁;马跃进;宋平;高尚;王晓;马峥;官文栎;

PbSe量子点掺杂玻璃:制备及表征    江慧绿;程成;马德伟;

薄膜电阻器件的低频噪声测试方法研究    吴勇;庄奕琪;杜磊;魏文彦;

微晶玻璃的ELID超精磨削技术及表面变质层的研究    王东生;顾金泉;刘世民;

CdGeAs_2晶体的光学性质研究    朱世富;杜文娟;赵北君;何知宇;李佳伟;张顺如;张熠;

半导体材料的红外吸收及低发射率方法研究    顾冰芳;徐国跃;任菁;蔡刚;罗艳;

Cu_2O薄膜磁控溅射制备及特性分析    陈德明;徐刚;

Li、Mg双组分掺杂ZnO薄膜的结构与性能    李珍;艾常涛;陈文;李飞;杨密纯;

Mg_2Si电子结构及光学性质的研究    陈茜;谢泉;闫万珺;杨创华;赵凤娟;

纳米硅薄膜太阳电池工艺参数的优化与制备    赵而敬;张维佳;沈燕龙;张静;林军;杨东杰;Havugimana Jean Jacques;

改性纳米二氧化钛薄膜制备及其在模拟海水中光生阴极保护性能研究    王爱萍

ZnO和AlN薄膜的MOCVD生长及其性质研究    钟泽

面向微波应用的铊系高温超导薄膜研究    游峰

几种微电子材料的制备、表征与性能研究    章闻奇

钙钛矿型氧化物薄膜的激光感生热电电压效应及光探测器应用    熊飞

铁电氧化物薄膜的制备及其激光感生电压效应    尚杰

Bi_2Te_3体系的材料制备、晶体结构及热电性能    王晓琳

直拉式单晶硅生长炉的关键技术研究    曹建伟

半导体量子限制结构的光学瞬态相干效应研究    龚少华

碳纳米纤维的高温转变及其同质异构结的特性研究    祁祥

二氧化铀光学性质的实验和理论研究    陈秋云

SiC MOS界面特性的电导法研究    李林茂

染料敏化太阳能电池电极改性研究    石德晖

SnO_2基陶瓷半导体热电材料的研究及制备    曹恒淇

BDT铁电薄膜和ZnO纳米带压电性能的测试与表征    荣英凤

闪存低温失效分析及不良筛选    范娅玲

宽禁带半导体材料—ZnO、TiO_2和金刚石的制备及发光性能研究    王兰芳

Mn、Co、Al掺杂SiC薄膜制备及其光敏性质研究    赵兴亮

PET的电致发光与光致发光联合测量及其模拟仿真    倪海芳

低温纳米热电材料的制备和性能研究    疏敏

硅片的抗弯强度及其测量    谢书银，石志仪

太阳能玻璃开发应用与市场    徐美君;

碳(石墨)/环氧复合材料及其在航天器上应用研究进展    姜利祥,何世禹,杨士勤,陈平,盛磊

硅太阳能电池的应用研究与进展    黄庆举;林继平;魏长河;姚若河;

太阳能电池胶接结构在真空热循环下粘接性能研究    张丽新,杨士勤,何世禹

利用扫描电子显微镜进行小尺寸测量    梁鸿松;

钢板与铝合金板胶接接头力学性能的有限元分析    李刚;林建平;王立影;王玲;SUN Peter;

论析太阳能电池背板水蒸汽阻隔性能测试仪器的应用    朱必林;

太阳能光伏板风载的载荷分析    张庆祝;刘志璋;齐晓慧;贾立庄;

中国太阳能光伏发电产业的现状与前景    张耀明;

温度交变环境对薄膜太阳电池相关层材料性能的影响    郝延明;蔡宏琨;周严;林波;张德贤;林列;

弹性性能对太阳电池板应力的影响    王晓燕;耿洪滨;何世禹;王海燕;

太阳能玻璃的加工及应用技术研究    苗向阳

太阳电池组件制造和服役过程残余应力研究    孙国辉

光伏钢结构集成体系研究及嵌入模块式光伏组件研发与应用    吴成万

太阳能电池组件失效原因分析与工艺优化改进研究    黄浩

溅射法制备纳米薄膜材料及进展    贾嘉

磁控溅射法制备防水透湿织物    孙银洁,马林,齐宏进

高速钢镀氮化碳超硬涂层及其应用研究    吴大维,曾昭元,刘传胜,张友珍,彭友贵,范湘军

真空镀膜技术的现状及发展    王银川

低温多晶硅TFT技术的发展    尹盛,刘陈,钟志有,王长安,徐重阳

圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶磁场的设计计算    黄英,张以忱

磁控溅射矩形靶磁场的优化设计    石中兵,童洪辉,赵喜学

直流磁控溅射镀膜在玻璃涂层技术中的应用    侯鹤岚

电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究    陈荣发

磁控溅射镀膜设备中靶的优化设计    刘翔宇,赵来,许生,范垂祯,查良镇

制造纳米硅的新方法    

美研制出制造纳米硅的新方法    

纳米胶体硅简介及应用    曾光远,韩建龙,蒋劼

纳米硅基粉产业化成果汇报会在京举    

激光诱导化学气相沉积纳米硅的红外光谱    王卫乡，刘颂豪，李道火，刘宗才

纳米硅表面与界面的扫描隧道显微镜研究    高聚宁,杨海强,刘宁,时东霞,江月山,薛增泉,庞世谨,何宇亮

激光熔蒸制备纳米硅微粒的Raman分析    谢可,陈松岩,林华传,张芹,黄传敬

纳米晶硅的光电特性    王洪，林璇英，林揆训

纳米硅光学特性的研究    马智训,廖显伯,孔光临

用硅离子注入方法制备的纳米硅的拉曼散射研究    汪兆平，丁琨，韩和相，李国华

纳米硅丝和纳米硅管的制备和性能    牛俊杰;沙建;马向阳;杨德仁;

纳米硅对苹果采后青霉病的控制作用研究    王倩;吴之琳;张钰;邱德文;田世平;李淼;檀根甲;

纳米硅/有机半导体复合体系中的能量转移和电子转移    陈红征;刘楠;汪茫;

纳米硅镶嵌复合薄膜退火前后的微结构及发光特性研究    肖瑛;刘涌;韩高荣;

纳米硅镶嵌复合薄膜退火前后的微结构及其发光特性比较研究    肖瑛;韩高荣;

纳米硅酸盐添加剂(CDAA)吸附饲料镉的研究    许梓荣;韩新燕;

纳米硅/PVK复合薄膜中的Frster能量转移    刘楠;汪茫;陈红征;

纳米硅薄膜的掺杂及其应用研究进展    邓加军;陈强;

低镜面反射纳米硅镀膜玻璃制备及拉曼光谱表征    刘涌;宋晨路;韩高荣;

硅基发光材料铒掺杂最佳含量的一种计算方法    范志新;陈玖琳;

多孔纳米硅碳提升电池效率    仲科

俄研制出新型纳米硅片    记者董映璧

纳米硅酸盐抗氧化涂料通过鉴定    仲科

纳米硅片有望“捕捉”到SARS病毒    印高乐

松下使用4纳米硅颗粒开发出量子光电元件    黄绍平

一批“博士项目”相继落户京口    许俊超　王芳 姜木金

计算机芯片能有多小？    特约记者 孙凤蓬

科技无极限奔驰天地间    陈葳

我国已拥有新型镀膜玻璃技术    王进

大连新能源领域技术再获创新    记者 童芬芬

纳米硅薄膜太阳电池优化研究    郭立强

富硅氮化硅和纳米硅多层量子阱硅基发光薄膜与器件    王明华

纳米硅水泥土工程特性及本构模型研究    王立峰

纳米硅酸盐添加剂（CDAA）吸附饲料镉的研究    韩新燕

含纳米硅钛表面促进骨整合及其机理的实验研究    陈练

纳米硅材料的制备工艺研究及微观结构表征    刘英才

掺铒硅基薄膜的纳米结构与发光动力学研究    肖志松

氧化物半导体纳米结构制备及其电子场发射特性研究    张永胜

叶面喷施纳米硅增强水稻抗重金属毒害机理研究    王世华

掺铒富硅二氧化硅的结构、电学及光学性质与钼（100）表面外延生长氧化镁（100）薄膜上淀积钯与水反应的研究    徐飞

纳米硅/氮化硅薄膜微结构特性研究    齐文皓

光伏材料氢化纳米硅中成键氢对材料结构及缺陷的影响    徐亮

单结氢化纳米硅薄膜太阳电池的研究    高晓妮

纳米硅薄制备与纳米硅/单晶硅异质结特性    周哲

中空介孔纳米硅球的表面修饰及其药物控释性能研究    梅啸

纳米硅镶嵌结构与磁控溅射SiC膜的制备与荧光特性研究    王强

硅基材料的制备及其性质研究    卢晓敏

掺Er：Al_2O_3和掺Er：nc-Si/SiO_2材料的制备与表征    肖海波

硅量子点/二氧化硅多层结构的直流与交流电致发光及掺杂研究    沐维维

纳米硅和氧化锌纳米结构的制备及应用研究    王伟明