[发明专利]一种非晶硅薄膜可控同质外延生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及非晶硅薄膜材料的改性技术，尤其涉及一种应用长波脉冲激光技术进行非晶硅薄膜可控同质外延生长的方法。

背景技术

非晶硅又称为无定形硅，其原子分布不具备周期性和长程序，因此，在非晶硅材料中结构缺陷和悬挂键密度较高，当载流子在其中输运的时候，受到这些缺陷和悬挂键的影响，复合率较高，从而降低了非晶硅传输电流的能力。非晶硅材料所制备的太阳能电池因为存在光致退化、费米能级向带隙中心移动、载流子寿命降低、扩散长度减小、缺陷增加等多种不利的物理变化，所以改进非晶硅薄膜材料的性能显得十分重要。其中，一个重要的手段就是将非晶硅材料变为微晶硅材料。目前单结微晶硅电池的效率已经超过10％，用微晶硅作为底电池的多结电池的效率已经超过了15％。

应用微晶硅作为叠层太阳能电池中的一层，可以起到提高太阳能电池转换效率的作用。一般来说，微晶硅的禁带宽度约为1.5-2.0电子伏特，单晶硅为1.1电子伏特左右，如果将这两种材料制成叠层结构，由于禁带宽度不同，增强了太阳能电池对光的吸收，从而提高太阳能电池的效率，这已经被实验所证实。但是，现有的直接淀积微晶硅薄膜的工艺方法如各种等离子化学气相淀积的方法淀积薄膜所用的时间较长，不能满足大规模生产的需求。对于非晶硅薄膜，如果使用高温退火结晶，其所需要的温度高达1500℃以上。这将导致薄膜衬底中杂质的二次分布，不利于太阳能电池杂质分布的稳定。同时，微晶化硅薄膜中的晶相比也会影响薄膜材料的性能。因此，需要探索一种可以快速使非晶硅薄膜微晶化且能有效控制晶相比的工艺方法。

激光晶化技术是一种利用激光能量密度高，升温快速的原理进行快速热处理可以实现薄膜材料的快速加热和结晶的技术。但是，目前激光对薄膜的加热方式主要有以下两种：1)利用短波脉冲激光被非晶硅薄膜吸收，薄膜自身发热以形成多晶薄膜，由于是薄膜自身发热形成微晶薄膜，晶粒的结晶取向不易控制与衬底的界面上将形成大量的界面态，影响电池效率。2)长波连续激光透过薄膜对衬底加热后将热能传递给非晶硅薄膜，使薄膜进行外延结晶生长，但是，其结晶过程可控性差。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有非晶硅薄膜微晶化技术的缺陷，提出一种具有同质外延生长能力，符合工业化生产及晶粒尺寸和晶相比可控要求的一种非晶硅薄膜可控外延生长的方法。上述目的通过以下技术方案得以实施：

首先将经化学气相沉积制得的具有单晶体或多晶体衬底的非晶硅薄膜置于具有惰性气体的保护性容器中；然后用波长为1.00～1.10微米的脉冲激光，通过调整光斑尺寸，使之产生正离焦量方向的一个1×1cm²的光斑，用以对所述薄膜加热进行结晶退火，通过调整脉冲宽度与脉冲周期的比例即占空比，达到所述薄膜与衬底间同质外延生长且晶粒尺寸可控要求。

所述脉冲激光的频率为4～25Hz、脉宽为0.5～2ms，输出功率400-500w，加热时间30～90s。

所述惰性气体包括氮气或氩气。

本发明用上述来方法实现对非晶硅薄膜的外延生长及结晶度可控是基于激光热传导理论。对于单次脉冲激光作用，最高温度出现在脉冲结束后，设其为Tm，即Tm＝Tm(0，τ)，则脉冲结束后的温度可近似表示为

T′(0,t)=Tm(τt)12,t>τ---(1)]]>

(式中的τ表示脉冲的周期)。在下一个脉冲来时，衬底的温度受到两次脉冲间的间歇γ_max＝t_pp-τ的影响。由此可见脉冲之间的间隔对衬底的温度变化影响很大，对激光晶化结果的影响很大。而由