[发明专利]一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于新一代高效太阳电池技术领域，特别涉及一种采用微波退火制备硅量子点薄膜的方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和环境污染等问题的出现, 太阳能作为一种可再生能源,已成为人们研究的热点。而通过太阳电池将太阳能直接转换为电能是一种非常有效的途径。为增强与常规能源的竞争力，人们一直希望研发高效低成本的新型太阳电池。从目前的光伏市场来看，硅基太阳电池仍然处于主导地位，这主要得益于其所需的硅材料含量丰富、无毒以及成熟的器件制备工艺。现已实现市场化的“第一代”、“第二代” 硅基太阳电池发展趋于成熟, 但其较低的转换效率导致电力生产成本仍难以具有市场竞争力。以高效率、低成本、长寿命和环境友好为目标的新一代太阳电池已成为当前太阳电池研究的热点之一。硅量子点薄膜材料以其独特的物理特性，有望在未来成为新一代高效太阳电池的核心材料之一。

传统的硅量子点薄膜制备主要通过磁控溅射或化学气相沉积并结合管式炉退火或快速光热退火技术实现。我们经过多年研究，也利用磁控溅射结合快速光热退火或化学气相沉积结合快速光热退火制备出硅量子点。在2009年申请并获得授权发明专利（专利号：ZL200910094696.8）。

在硅量子薄膜制备技术中，磁控溅射技术具有成本较低、工艺成熟、沉积速度快等特点。然而磁控溅射沉积的富硅硅化物薄膜通常需要高温退火（≥1100°C）才能形成硅量子点。由于退火温度较高，制约了器件工艺，难以达到新一代太阳电池的低成本要求。

微波退火作为一种新兴的退火方式，它具有加热快速、均匀和高效等特点，在对富硅硅化物进行微波退火时，可提高原子运动的活性，促进原子的重新排列，有助于硅和硅化物的相分离（形成硅量子点），降低硅量子点的生长温度和能耗。我们通过对磁控溅射沉积制备的富硅硅化物薄膜进行微波退火制备出硅量子点薄膜。此法避免了长时间高温退火，简单易行，成本低，丰富了硅量子点薄膜材料的制备方法。对文献的进一步检索和分析，至今尚未见到磁控溅射技术和微波退火相结合的两步法制备硅量子点的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用微波退火制备硅量子点薄膜的方法，该方法将具有成熟工艺条件的磁控共溅射技术和新兴的微波退火技术相结合，在降低退火温度的情况下实现高质量的硅量子点薄膜的制备。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，该方法包括以下步骤：

1）选用单晶硅片和石英玻璃片作为衬底，并进行镀膜前预处理；

2）以氩气作为溅射气体，采用脉冲电源和射频电源分别对Si靶和Si₃N₄（或SiO₂或SiC）靶进行磁控共溅射，沉积富硅硅化物和Si多层薄膜；

3）然后在氩气氛下进行微波退火处理，即得到硅量子点薄膜；

4）采用XPS分析硅量子点薄膜成分；

5）进行微结构和电学性能测试。

进一步地，所述步骤1）中，单晶硅片衬底的厚度为0.2~1mm，石英片衬底厚度为0.5~1mm。其中单晶硅衬底依次经浓度为5%的氢氟酸腐蚀表明氧化层10~15s，去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15~20min；石英片依次经去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15~20min。

进一步地，所述步骤2）中，本底真空3×10^-5~1×10^-4Pa，工作气体氩气的流量为30~50sccm，工作压强为0.3~0.5Pa，衬底温度200~400°C；接Si靶的脉冲电源功率80~120W，接Si₃N₄（或SiO₂或SiC）靶的射频电源功率40~80W。

进一步地，所述步骤3）中，采用微波退火法，升温速率约为20~50°C/s，退火温度为700~900°C，保持时间2~6min，然后随炉冷却。

本发明与其它退火形成硅量子点薄膜的方法相比，具有如下优点：

本发明方法通过微波的作用可以加快硅和硅化物相分离，降低硅量子点的晶化温度，提高硅量子点的晶化率。本方法在降低成本的同时，也获得一种可与硅量子点太阳电池制备工艺相兼容的硅量子点制备方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的退火前的薄膜结构示意图（对应具体实施例1部分的步骤二）。

图2为本发明各实施例中的微波装置和样品放置方式示意图。

图3为本发明各实施例对应的硅量子点薄膜的检测GIXRD图。