1、太阳电池用硅锗基多层异质结构薄膜的制备及光学性能研究 目录 1.研究背景 2.研究内容 3.实验与结果 4.研究计划 5.应用前景1.研究背景硅系太阳电硅系太阳电池池染料敏化电染料敏化电池池化合物太阳化合物太阳电池电池添加文本内容缺点是转化率低，电解液会缺点是转化率低，电解液会引起一系列问题，诸如稳定引起一系列问题，诸如稳定性，运行温度受限等，商业性，运行温度受限等，商业化应用还有很大局限。化应用还有很大局限。属直接带隙材料，对阳光的吸属直接带隙材料，对阳光的吸收系数大。但是化合物半导体收系数大。但是化合物半导体有毒性，容易造成污染，因此有毒性，容易造成污染，因此产量少，常用在一些特殊场合。产
2、量少，常用在一些特殊场合。硅系太阳电池资源丰富、无毒，硅系太阳电池资源丰富、无毒，全世界太阳电池总产量的全世界太阳电池总产量的94%94%以上都是硅系材料。以上都是硅系材料。晶体晶体SiSi电池转换效率最高电池转换效率最高 ，性能最稳定。但晶体，性能最稳定。但晶体SiSi价格昂贵、制作成本高。为了降低成本、节省价格昂贵、制作成本高。为了降低成本、节省材料，晶体硅太阳能电池都在朝薄膜化发展。材料，晶体硅太阳能电池都在朝薄膜化发展。硅系太阳电池材料的研发趋势是发展薄膜太阳能电池硅系太阳电池材料的研发趋势是发展薄膜太阳能电池 因此，研究硅锗基多层异质结构薄膜具有重大意义。因此，研究硅锗基多层异质结构
3、薄膜具有重大意义。用于制造量子级联激光器、测辐射热等的热敏元件、用于制造量子级联激光器、测辐射热等的热敏元件、肖特基二极管、光电集成接收机芯片、肖特基二极管、光电集成接收机芯片、MOSFT、CMOS器件等器件等Si1-xGex异质结构材料异质结构材料高载流子高载流子迁移率迁移率较好的高频较好的高频特性特性较优的光电较优的光电性能性能,低噪声低噪声高量子效率高量子效率,较低的能耗较低的能耗2.研究内容 研究气氛热退火处理和快速升温热处理对溅射态薄膜组织结构的影响；分析ZnO层对Si1-xGex薄膜的生长和微结构的影响及作用机制；了解对薄膜的光吸收和发光性能进行表征，并探讨不同热处理工艺对光学性能
4、的影响；1Si1-xGex薄膜的磁控溅射制备、结晶化处理及光薄膜的磁控溅射制备、结晶化处理及光学性能研究学性能研究 依据能带理论设计并制备出不同晶态、不同厚度和周期数的(Si/Ge)n 多层异质薄膜结构，分析溅射态和退火态Si/Ge界面结构和应变驰豫特征，同时表征薄膜的光学性能，并探讨Si/Ge异质结构的光吸收与发光的机理。2(Si/Ge)n多层异质结构薄膜的设计制备与结构性能多层异质结构薄膜的设计制备与结构性能研究研究 在 石 英 衬 底 上 应 用 射 频 磁 控 反 应 溅 射 制 备(Si/Ge)n/Ge薄膜，探讨工艺参数对薄膜相结构、表面形貌、厚度和界面结构的影响，并对其光吸收及光透
5、过性能进行表征，确定光学带隙。3(Si/Ge)n/Ge薄膜的射频磁控反应溅射制备薄膜的射频磁控反应溅射制备与性能研究与性能研究 选定合适的Si/Ge薄膜结构，结合Si1-xGex薄膜的磁控溅射沉积特性和薄膜热处理过程中的结晶特点，实现(Si/Ge)n/Si1-xGex/SiO2多层异质结构薄膜，并对其光吸收和发光性能进行表征。4.(Si/Ge)n/Si1-xGex/SiO2多层结构的实现与光学性能多层结构的实现与光学性能研究研究 3.探讨探讨Si1-xGex薄膜的磁控溅射工艺与性能薄膜的磁控溅射工艺与性能样品系列1 Ts=400，Pin=100W，t=60min溅射气压(Pa)0.5 1.0
6、2.0 4.0 6.0 8.0薄膜厚度(nm)1101.9 1526.7 766.4 495.8 771.8 552.2最大粗糙度(nm)32.6 25.2 18.4 28.6 33.7 38.9沉积速率(nm/min)18.4 25.4 12.8 8.3 12.9 9.2样品系列2 Ts=400，Pg=1.0 Pa，t=60min溅射功率(W)50 100 150 200 250 薄膜厚度(nm)678.6 1526.7 1861.6 2144.4 2992.1 最大粗糙度(nm)36.1 25.2 35.6 52.8 59.7 沉积速率(nm/min)11.3 25.4 31.0 35.7
7、 49.9 样品系列3 Pg=1.0 Pa，Pin=100W，t=60min衬底温度()常温 150 300 400 500 600薄膜厚度(nm)1108.2 1130.8 1225.7 1526.7 1090.1 1093.2最大粗糙度(nm)58.9 47.4 38.2 25.2 42.7 52.8沉积速率(nm/min)18.5 18.8 20.4 25.4 18.2 18.2Si1-xGex单层膜的实验工艺参数组合以及薄膜的沉积特性单层膜的实验工艺参数组合以及薄膜的沉积特性 1.Si1-xGex薄膜沉积参数的选取薄膜沉积参数的选取2.Si1-xGex薄膜薄膜的沉积特性及表面粗糙度的沉
8、积特性及表面粗糙度024684006008001000120014001600 Pressure(Pa)Thickness(nm)16202428323640Roughness(nm)5010015020025050010001500200025003000 Input Power(W)Thickness(nm)202530354045505560Roughness(nm)0100200300400500600110012001300140015001600 Temperature(oC)Thickness(nm)24283236404448525660Roughness(nm)薄膜厚度与表面
9、粗糙度随薄膜厚度与表面粗糙度随工艺参数变化的趋势图工艺参数变化的趋势图3.Si1-xGex薄膜薄膜的结晶性能分析的结晶性能分析 203040506070Intensity/a.u.2(o)1.0Pa4.0Pa8.0Pa 203040506070Intensity/a.u.2(o)50W100W150W200W250W 203040506070Intensity/a.u.2(o)RT400oC600oC 不同沉积条件下获得的不同沉积条件下获得的Si1-xGex薄薄膜的膜的XRD图谱图谱4.Si1-xGex薄膜的光吸收性能分析薄膜的光吸收性能分析400500600700800012348Pa6Pa
10、4Pa2Pa1Pa0.5PaAbsorptance(%)Wavelength(nm)(a)40050060070080001234250W200W150W100W50WAbsorptance(%)Wavelength(nm)(b)400500600700800012345(c)600oC500oC400oC300oC150oC25oCAbsorptance(%)Wavelength(nm)不同沉积条件下获得的不同沉积条件下获得的Si1-xGex薄膜的紫薄膜的紫外外-可见光吸收谱可见光吸收谱5.Si1-xGex薄膜的力学性能分析薄膜的力学性能分析 010203040506070800102030
11、405060706.0Pa1.0Pa载荷载荷/N 0102030405001020304050607080250W50W载荷载荷/N 010203040506070809001020304050607080600oC400oC载荷载荷/N D不同沉积条件下获得的不同沉积条件下获得的Si1-xGex薄薄膜的声发射信号膜的声发射信号-载荷测量曲线载荷测量曲线 6.对对Si1-xGex薄膜最佳工艺的薄膜最佳工艺的参数确定参数确定 根据在沉积过程中根据在沉积过程中Si1-xGex薄膜的表面状况，组织薄膜的表面状况，组织结构，光和力学性能的变化规律以及最终的实验结构，光和力学性能的变化规律以及最终的实验
12、目的，可确定出目的，可确定出Si1-xGex薄膜的最佳沉积工艺，具薄膜的最佳沉积工艺，具体工艺参数如下：溅射气压为体工艺参数如下：溅射气压为1.0Pa，溅射功率为，溅射功率为100W，衬底温度为，衬底温度为400。4.研究方向(1)采用采用Si1-xGex薄膜优化的工艺参数完成薄膜优化的工艺参数完成Si1-xGex薄膜的磁控溅射制备，进行结晶化处理及光学性薄膜的磁控溅射制备，进行结晶化处理及光学性能研究。能研究。(2)(Si/Ge)n多层异质结构薄膜的设计制备与结构多层异质结构薄膜的设计制备与结构性能研究性能研究(3)Ge/(Si/Ge)n 薄膜的射频磁控反应溅射制备与性薄膜的射频磁控反应溅射
13、制备与性能研究能研究(4)SiO2/Si1-xGex/(Si/Ge)n多层结构的实现与光学多层结构的实现与光学性能研究性能研究 最终成果 硅锗基多层异质结构薄膜SiO2/ZnO/Ge/(Si/Ge)n和SiO2/ZnO/Si1-xGex/(Si/Ge)n的设计、制备及光学性能研究。应用前景应用前景 硅锗薄膜材料硅锗薄膜材料 具有光吸收率高，工艺温度低，禁带宽度可调，光谱响应范围可拓宽等优点。采用磁控溅射方法磁控溅射方法具有易于保证薄膜的化学成分与靶材基本一致，沉积原子能量较高，薄膜组织更致密，附着力更强等优点，可使得硅锗薄膜的质量迅速提高。硅锗薄膜材料对未来市场硅锗薄膜材料对未来市场发展具有重要意义！发展具有重要意义！
