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非晶硅薄膜广泛应用在太阳能电池的生产中,但因为其光电转换效率低,且会出现光致退现象;所以关于非晶硅改性研究得到普遍的重视,本文采用磁控溅射沉积氢化非晶硅薄膜,通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、Langmuir探针、紫外,可见分光光度计等分析方法,研究了氢分压和溅射功率对Ar-Si系等离子体、硅薄膜结构和性能以及其退火晶化结构和性能的影响。
研究结果表明:随着氢分压的增大,气体压强增加,使得气体分子间的碰撞几率增大,导致离子密度和离子流通量均增大;沉积得到氢化非晶硅薄膜,在其非晶结构中弥散分布着少量的纳米晶颗粒,降低了缺陷密度,从而降低了薄膜的光透过率;氢化非晶硅薄膜退火后结构转变为微晶态,平均晶粒尺寸为5~8nm;晶化率为75~83%;可见光透过率大幅度降低。
随着溅射功率的增大,离子密度和离子流通量增加,轰击靶材的离子能量增大,所以溅射出的靶材原子在基体上能够更充分的扩散,使得非晶硅薄膜组织中的纳米晶比例增大,相同退火温度下需要晶化的时间随之减少,晶粒尺寸和晶化率随之增大;当直流溅射功率为1190W时,沉积的非晶硅退火10min后转变为微晶结构,平均晶粒尺寸为8nm,晶化率为77%。
与相同功率的直流溅射对比,射频溅射是离子和电子交替轰击靶材,使得溅射出的部分靶材原子动能较小,不足以输运至基体,导致沉积速率较小;但是低的沉积速率导致到原子能够充分扩散,增加了非晶硅薄膜组织中的纳米晶比例,所以相同退火温度下需要的晶化时间短,得到的微晶硅薄膜晶粒尺寸和晶化率较高,可见光光透过率小。
在靶基距为90mm时,基体表面的离子密度处于峰值,由于基片偏压的作用,使得基体也会承受大量高能离子的轰击,产生反溅射作用,使得硅薄膜的沉积速率降低;但是低的沉积速率有利于硅薄膜的晶化,使得非晶硅薄膜退火20min后转化为非晶态,平均晶粒尺寸为9.21nm,晶化率为79%。