[发明专利]一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料的制备，特别涉及一种在单晶Si(100)片、石英玻璃片和普通玻璃片基体上制备氢化硅薄膜的方法，该方法制备的氢化硅薄膜，具有微结构可调控，能带间隙可变化的特性，有望在太阳能电池材料上获得广泛应用。

背景技术

近年来，太阳能作为一种清洁能源引起了人们的广泛关注，太阳能电池则是将太阳光能直接转换成电能的一种器件。现今，硅太阳能电池占据了太阳能电池的主导地位。目前，晶体硅太阳能电池已经产业化，但硅原材料的短缺和昂贵的价格成本限制了晶体硅太阳能电池的广泛应用。所以，基于薄膜技术的太阳能电池得到了迅速发展。硅薄膜是太阳能电池器件中的关键材料，其制备工艺以及微观结构直接影响薄膜材料的生产成本、电池转化效率和稳定性。

硅薄膜太阳能电池材料主要分为非晶硅、纳米晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜。不同结构的硅薄膜具有不同的光电性能。非晶硅属于直接带隙材料，具有很好的光吸收特性。目前，非晶硅薄膜太阳能电池的转化率已超过10％，进一步提高非晶硅太阳能电池转化率可以通过提高其电导率，宽化其能带间隙等方式来实现。研究表明，含有晶体结构的硅薄膜具有较好的光电学性能，具有纳米晶/非晶复合结构的硅薄膜电导率可达10^-3～10^-1Ω^-1cm^-1，其导电性远高于非晶硅薄膜材料；而其能带间隙亦可达2.0ev左右，可见纳米复合结构的硅薄膜是优良的太阳能电池材料。

硅薄膜制备方法目前主要有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和热丝化学气相沉积(HFCVD)以及磁控溅射沉积(MS)等，其中，通过PECVD制备硅薄膜的方法最为多见，通过改变PECVD工艺参数：SiH₄/H₂流量比、衬底温度、射频功率、反应室压力以及基板负偏压等都可以对硅薄膜微结构产生重要影响。近年来，利用磁控溅射镀制太阳能硅薄膜的方法也越来越受到研究者的重视，一般来讲，利用磁控溅射技术镀制的硅薄膜中通常含有较多悬挂键，且缺陷较多。所以在磁控溅射镀制硅薄膜过程中，需要通入一定量的氢气，向薄膜中引入H原子，H原子能够中和硅薄膜中的悬挂键，饱和或部分饱和薄膜中的缺陷态，因此，形成的含氢的硅薄膜(Si:H)一般称为氢化硅。但是H原子的引入也带来一些不利影响，如H原子在薄膜中扩散，容易引起弱Si-Si键的断裂和H的聚集，导致缺陷的移动和密度的增加。研究表明具有一定纳米晶或微晶成分的氢化硅薄膜很好地解决了这一问题，其有序结构降低了S-W效应，改善了硅薄膜的稳定性。在磁控溅射制备氢化硅薄膜过程中，氢气比例H₂/(H₂+Ar)，沉积气压，衬底温度，偏压等参数的变化都会对氢化硅薄膜的结构产生影响，通过工艺参数的改进，可以实现对薄膜结构的调控，从而改变薄膜的性能。

发明内容

本发明的任务在于提供一种可调节其微结构的氢化硅薄膜制备方法，该方法制备的新型纳米晶/非晶复合结构的氢化硅薄膜，可以优化传统硅薄膜的光电性能，从而提高薄膜太阳能电池的使用效率。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将基体预处理后放入磁控溅射镀膜设备真空室中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，同时自转，保证镀膜过程的均匀性；

2)以平面Si靶作为相应元素的来源，平面Si靶以对靶的方式安置在炉体内壁上；

3)将真空室的气压抽至10^-4～10^-3Pa，加热基体，使基体温度为200～250℃；

4)真空室通入Ar气并开负偏压对真空室和基体进行轰击清洗；

5)关闭Ar气，将真空室的气压再次抽至10^-4～10^-3Pa，接着同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为10％～80％，当真空室气压上升至0.3～0.5Pa，调整负偏压到-100V，打开Si靶的控制电源，将Si靶的电源功率调至2～4kW，沉积时间为60～120min，得到氢化硅薄膜。

上述方案中，所述基体包括单晶Si片、石英玻璃片或普通玻璃片。

所述在单晶硅片沉积的氢化硅薄膜可以在真空炉内550～950℃退火，退火时间为60～120min。