硅基薄膜太阳电池(七)

南开大学光电子薄膜器件与技术研究所 光电信息技术科学教育部重点实验室 光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室 张晓丹 赵颖 熊绍珍

(3)非晶硅氧(a-SiO:H)合金[34,35]

以H稀释硅烷添加CO2作混合气源，控制衬底温度、沉积气压及CO2浓度比CO2/(CO2+SiH4)(其中硅烷用氢稀释浓度比SiH4/(SiH4+H2)表示)，在等离子体放电作用下，CO2、SiH4、H2之间将产生以下反应:SiH4+CO2+H2→a-SiO:H，生成非(或微)晶硅氧合金薄膜。

硅氧(SiO:H)合金可以是非晶态，也可以是含微晶相的。由Si的无规网络(图34a)与SiO2网络(图34b)之间融合状态的不同，硅氧合金的原子构型也会不同。有四种描述方式:可能是随机硅氧网络的混合；或硅氧原子以Si-Si4-nOn(n=0～4)或Si、O、H原子以HSi-Si3-nOn(n=0～3)等四面体构型随机键合在一起，形成一种均一的合金结构；或是SiOx:H合金以硅基网络和硅氧网络两相分离的模式，此时当氧成分x＜1时，可能由以Si:H构型的富硅相和以Si-Si3O构型的富氧相的两相组成，富硅相镶嵌于富氧相之中；第四种描述硅氧合金微结构的模型为壳层模型，它主要描述高温生长的硅氧薄膜，其中H的成分非常少，在此暂不予考虑。

图34 非晶硅网络(a)与SiO2网络(b)示意图

在硅薄膜中添加氧成分时，Si和O也有多种键合方式。即在Si/SiO2系统中的Si原子可能存在5种与O结合的状态，即Si0、Si+、Si2+、Si3+和Si4+，可通过XPS的分析确定具体键合情况。岳强的实验显示[34]，在微晶硅氧合金中，Si2P电子的XPS谱不一定都会存在并存的5种键合形式，即不是如文献[35]中报道的那样，在非晶硅氧合金(a-SiO:H)Si2P的XPS谱观察到一个包，而是分离的两种组态，称为Si+和Si4+的组态，且随氧含量的增加，Si2P包将从描述Si2P的结合能98eV向Si中含氧的103eV的高能方向位移。文献[34]还认为，微晶硅氧合金中Si以两种分离的组态存在是否与其晶化相关，尚未定论。O的增加将使Si的组态由Si+向Si4+转变，同时使其拉曼谱发生变形。最清晰可见的是，在其他条件相同的情况下沉积µc-Si:H和µc-SiO:H，µc-SiO:H的晶化率明显降低(见图35a)。改变激发功率也会改变晶化状况，从图35b的拉曼谱可以看出，随着功率增高，其拉曼谱分布由接近520cm−1逐渐向480cm−1移动，显示出提高功率将使其退晶化。

图35 µc-Si和µc-SiO薄膜的拉曼谱(a)以及不同沉积功率下µc-SiOx:H薄膜的拉曼谱的比较(b)[34]

对图35b中的三个不同功率的拉曼谱进行谱峰拟合，结果见图36。从图36可以看出，功率由20W递增到50W，晶化率由20W的56.6%逐渐降低，直至50W时基本变成非晶硅氧的结构模式。同时随着功率增加，在630cm−1附近描述SiH的峰也有所增大。原因是掺入SiO:H合金中的O是以OH根为前驱物，随着氧的增加，H量也随之加大。因此在其他沉积条件相同的条件下，功率将和掺氧的作用一样，使硅氧合金的带隙受到功率调制(见图 37)。

① a-SiO:H作顶电池的吸收层材料[34]

作为顶电池的吸收层，要求有高短波响应、带隙宽度较宽。顶电池的带隙应该在2.0eV为宜。如图37所示，提高掺氧气源CO2的流量是增大带隙的最佳手段。图中显示调节掺氧流量及功率，都可调节硅氧合金薄膜的带隙。

图36 沉积功率分别20W、35W和50W获得µc-SiOx:H薄膜Raman谱的多峰拟合结果的比较[34]

图37 CO2与SiH4流量比与功率对硅氧合金带隙调制作用[33]

[34]岳强.氢化微晶硅氧薄膜材料研究[D].天津:南开大学硕士论文, 2010.

[35]Sriprapha K, Inthisang S, Yamada A, et al. Fabrication of high open-circuit voltage a-SiO:H solar cells[A]. Technical Digest of the International PVSEC-17[C], 2007:1324－1325. (待续)