优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展

纳米硅的制备及其应用研究随着科技的不断进步和发展，人类对材料的需求也在不断地增加。

近年来，纳米技术得到了广泛的关注和研究，纳米硅因其特殊的物理化学性质和潜在的应用价值，成为了研究的热点之一。

本文将着重探讨纳米硅的制备方法以及在不同领域的应用研究。

一、纳米硅的制备方法1. 等离子体化学气相沉积法等离子体化学气相沉积法是一种常用的制备纳米硅的方法，它利用高温等离子体反应室中的化学反应，沉积在基板上。

该方法可以制备出单晶纳米硅。

它的优点是产量高，纯度高，但是制备过程需要高温和高真空环境。

2. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种将有机或无机前驱体在溶液中进行水解缩聚，形成胶体体系并进行热处理制备纳米硅的方法。

该方法制备出来的纳米硅具有较高的度规整和纯度，但是制备时间长，部分溶剂可能对环境不利。

3. 水热合成法水热合成法是一种利用热量和压力条件下特定化学反应生成纳米硅的方法。

该方法对操作条件要求不高，制备速度较快，但是制备的纳米硅容易受到杂质的污染，产物不容易控制。

二、纳米硅的应用研究1. 生物医学应用纳米硅因其特殊的物理化学性质和生物相容性，在生物医学领域中得到了广泛的应用。

例如，将纳米硅导入生物体内，可以在细胞膜上显示出强烈的荧光信号，并成为生物荧光探针的发展方向。

纳米硅还可以作为抗菌剂、药物载体用于生物医学材料中。

2. 电子信息领域纳米硅在电子信息领域中也具有潜在的应用价值。

如在显示器材料中加入纳米硅，可以优化显示器的性能，提高显示质量。

还可以将纳米硅作为纳米级的半导体材料用于微电子学器件加工中。

3. 能源材料纳米硅在能源领域应用较广。

在太阳能电池中，纳米硅可以作为光敏剂，通过光电转化将光能转化为电能。

同样在储能领域，纳米硅也可以作为超级电容器和锂离子电池等高性能电池的材料。

三、结论纳米技术是时下研究的热点之一，而纳米硅作为其中的一员，在不同领域拥有着广泛的应用前景。

本文对纳米硅制备和应用方面的研究进行了探讨，并简单介绍了纳米硅在生物医学、电子信息和能源材料等领域中的应用，但是纳米材料的研究需要付出大量的时间和金钱代价，因此我们也需要进行精益求精、保持谨慎的态度，更好地实现其应用价值。

PECVD法低温制备纳米晶硅薄膜晶化特性的Raman分析邱胜桦;陈城钊;刘翠青;吴燕丹;李平;林璇英【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2008(002)004【摘要】以SiH4与H2为气源,采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,在较低的温度(200℃)和较高的压强(230 Pa)下,在普通的玻璃衬底上制备出沉积速率达8×10-10m/s,晶化率大于60%的纳米晶硅薄膜.利用Raman谱分析硅烷浓度和射频功率对纳米晶硅薄膜的晶化特性的影响.结果表明,薄膜的晶化率、沉积速率与硅烷浓度和射频功率存在着密切的关系.随着硅烷浓度的降低,即氢稀释率的提高,晶化率提高,而沉积速率随着射频功率的增大而增大.当硅烷体积浓度为1%、射频功率为70 W时,获得晶化率接近70%的优质纳米晶硅薄膜.【总页数】4页(P428-431)【作者】邱胜桦;陈城钊;刘翠青;吴燕丹;李平;林璇英【作者单位】韩山师范学院物理与电子工程系,广东,潮州,521041;韩山师范学院物理与电子工程系,广东,潮州,521041;韩山师范学院物理与电子工程系,广东,潮州,521041;韩山师范学院物理与电子工程系,广东,潮州,521041;韩山师范学院物理与电子工程系,广东,潮州,521041;韩山师范学院物理与电子工程系,广东,潮州,521041;汕头大学物理系,广东,汕头,515063【正文语种】中文【中图分类】O484.4;O471.4【相关文献】1.射频PECVD法高压快速制备纳米晶硅薄膜 [J], 陈城钊;邱胜桦;刘翠青;吴燕丹;李平;余楚迎;林璇英2.激发频率对纳米晶硅薄膜晶化特性的影响 [J], 何佳;邱海宁3.PECVD低温制备晶化硅薄膜及其机制浅析 [J], 余云鹏;林璇英;林舜辉;黄锐4.利用射频PECVD技术低温制备纳米晶硅薄膜 [J], 周炳卿;潘洪涛;周培勤5.PECVD法低温制备微晶硅薄膜的晶化控制 [J], 李瑞;卢景霄;陈永生;杨仕娥;郜小勇;靳锐敏;王海燕;张宇翔;张丽伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

收稿日期:2008-09-11*基金项目:韩山师范学院青年科研基金资助项目(0503)作者简介:陈城钊(1975)),男,广东潮州人,讲师,硕士.第2卷 第4期材 料 研 究 与 应 用V o1.2,N o.42008年12月M A T ERIA L S RESEA RCH A ND AP PL ICAT IONDec .2008文章编号:1673-9981(2008)04-0450-05优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展*陈城钊1,邱胜桦1,刘翠青1,吴燕丹1,李 平1,余楚迎2,林璇英1,2(1.韩山师范学院物理与电子工程系,广东潮州 521041; 2.汕头大学物理系,广东汕头 515063)摘 要:纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电池、光存储器、发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料.本文综述低温制备优质纳米晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用.关键词:纳米晶硅薄膜;太阳能电池;低温制备;进展中图分类号:T M 914.4 文献标识码:A纳米晶硅(nc -Si z H )薄膜就是硅的纳米晶粒镶嵌在a -Si z H 网络里的一种硅纳米结构.由于它具有较高的电导率(10-3~10-18-1#cm -1)、宽带隙、高光敏性、高光吸收系数等优良的光电特性而引起学术界的重视.纳米晶硅薄膜同时具备宽带隙和高电导这两种太阳能电池窗口材料所需的优良性质,现已成为研究探索的热门纳米薄膜材料[1].除用于制备薄膜太阳能电池外,在发光二极管、光存储器、隧穿二极管、薄膜晶体管以及单电子晶体管等光电器件方面也有潜在应用[2].1 低温制备纳米晶硅薄膜的技术为了制备适用于以玻璃为衬底的太阳能电池的纳米晶硅薄膜,近年来发展了低温(<450e )制膜技术.按成膜过程可分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为纳米晶硅;另一类是直接在玻璃衬底上沉积纳米晶硅薄膜[2].1.1 固相晶化法固相晶化(SPC)法的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度.低造价太阳能电池的纳米晶薄膜,一般以廉价的玻璃作衬底,以硅烷气为原材料,用PECVD 法沉积a -Si B H 薄膜,然后再用热处理的方法使其转化为纳米晶硅薄膜.这种方法的优点是能制备大面积的薄膜,可进行原位掺杂,成本低,工艺简单,易于批量生产.常规的高温炉退火、金属诱导晶化、快速热退火、区域熔化再结晶等都属于固相晶化法.1.1.1 常规高温炉退火该方法是在氮气保护下把非晶硅薄膜放入炉腔内退火,使其由非晶态转变为纳米晶态[3].非晶硅晶化的驱动力是晶相相对于非晶相较低的Gibbs 自由能.固相晶化过程主要由晶核的形成及晶核长大两步完成.形核率和生长速率都受温度的影响,所以纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸受温度的影响很大.晶硅薄膜的晶粒尺寸除受温度的影响外,与初始非晶硅膜的结构状况也有密切的关系.有研究者采用/部分掺杂法0来增大晶粒尺寸,即在基底上沉积两层膜,下层进行磷掺杂,作为成核层,上层不掺杂,作为晶体生长层,退火后可获得较大的晶粒[4].1.1.2 金属诱导晶化金属诱导晶化就是在非晶硅薄膜上镀一层金属膜或在镀有金属膜的基片上再镀一层非晶硅膜,使非晶硅与金属接触,这样可大大降低非晶硅的晶化温度(300e左右就能发生晶化),缩短晶化时间.可作诱导的金属有Al,Au,Ni,Pt,T i,Cr,Pd等,不同的金属诱导晶化效果略有不同.由于Al的含量丰富、价格便宜,因此铝诱导晶化备受青睐[5].对于产生低温晶化的原因,比较一致的解释是:在a-Si B H与Al的界面处,由于Al扩散到非晶硅中,形成了间隙原子,使Si)Si共价键转变为Si) Al金属键,极大地降低了激发能.界面处的这些硅化物加速了Al和Si原子的相互扩散,导致了Al) Si混合层的形成.由A-l Si相图可知,低温下(<300 e),硅在铝中的固溶度几乎可以忽略,因此铝中的超饱和硅以核的形式在a-Si B H和Al的界面析出.这些固体沉淀物逐渐长大,最后形成了晶体硅和铝的混合物.与传统的固相晶化技术相比,该技术能大大降低退火温度,缩短退火时间,制备出较大晶粒的纳米晶硅薄膜[6].然而,有研究发现利用该技术制备的纳米晶硅薄膜会引入大量的金属原子,在很大程度上破坏了硅薄膜的电特性.这是一个不太容易解决的问题.1.1.3快速热退火快速热处理技术(RTP)是近年来发展很快的半导体工艺新技术.快速热退火属于快速热处理的范畴,是一种新的退火方式,它的热源是卤钨灯.与传统的退火炉相比,该方法有很多优点,除了用时短、耗热少、产量大、过程易控外,晶化后的纳米晶硅膜缺陷较少、内应力小.一些研究发现对非晶膜进行快速热退火时,温度的改变、时间的延长对晶粒尺寸的影响不大;但升温速率对晶粒尺寸的影响很大,升温速率较大时,硅晶粒较小,升温速率较小时,硅晶粒较大[7].1.1.4区域熔化再结晶区域熔化再结晶是将一束很窄的能量源在硅薄膜的表面移动使硅薄膜材料的不同区域依次熔化而结晶.比较成熟和用得较普遍的是激光加热,即激光晶化法.该晶化技术的特点是可以采用不同类型的激光在很短的时间内将非晶硅材料加热到很高的温度使其熔化然后结晶,由于熔化结晶的时间很短,因此衬底的温度不太高,从而能够使用廉价的玻璃作为衬底.准分子激光由于其脉冲时间极短(10~30 ns),且波长处于超紫外范围,因而是在玻璃衬底上制备硅薄膜材料理想的能量束.在硅薄膜上所照射的激光束频率、受光次数以及激光能量密度等都会影响非晶硅薄膜的结晶状况.另外,激光束的形状和扫描方向也会影响晶化过程中晶粒的生长方向[8-9].该技术的缺点是设备昂贵、工艺的重复性较差、难以实现大面积制备等.1.2直接沉积纳米晶硅薄膜采用固相晶化法制备纳米晶硅薄膜,由于需先沉积非晶硅薄膜,再转化为纳米晶硅薄膜,所需时间较长.如果沉积非晶硅薄膜和热处理不在同一系统中,则在转移非晶硅薄膜的过程中,容易造成薄膜的氧化,生成SiO2,或引入其它杂质,对薄膜的性能产生不良的影响.近几年来,许多科研工作者都在探索不经退火,直接在同一系统中制备纳米晶硅薄膜的新技术,这些技术包括:热丝化学气相沉积(H WCVD),高压rf-PECVD和采用新气源等.1.2.1热丝化学气相沉积法当硅烷或其它源气体通过装在衬底附近、温度高达2000e的钨丝时,源气体的分子键发生断裂,形成各种中性基团,在衬底上沉积成纳米晶硅薄膜.沉积时衬底的温度约175~400e,可用廉价的玻璃作衬底[10].用H WCV D法制备的纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸约0.3~ 1.0L m,具有柱状结构,择优取向于(110)晶面,可应用于光伏打器件.由于钨丝的温度很高,对部分设备的耐热要求较高.而且晶粒尺寸较小,不适宜大面积均匀薄膜的制备,所以应用范围受到较大限制.1.2.2高压高氢稀释硅烷PECVD法最近,我们用常规的13.56M H z的rf-PECVD 系统,采用较高的反应气压,匹配比较高的激励功率.以0.7nm/s制备出优质的氢化纳米晶硅薄膜[11].薄膜的晶化率约60%,平均晶粒尺寸约6.0 nm,暗电导率为10-3~10-48-1#cm-1,薄膜的SEM图如图1所示.在本实验室的条件下,制备纳米晶硅薄膜时有以下结论:(1)射频功率太小薄膜中没有晶态成分.在其他条件不变的情况下,功率太大晶化率反而下降.在一定的射频功率范围内,薄膜中的晶态成分随功率增大而增加.(2)在一定的温度范围内,薄膜中的晶态成分随温度的升高而增加,晶粒随温度的升高而增大.(3)随着H2稀释度R H= H2/(SiH4+H2)的增加,薄膜晶化率变大,生长速率变小.结合Raman和FT IR谱,认为在高氢条件下,氢的作用在于通过刻蚀反应表面弱的Si-Si#451#第2卷第4期陈城钊,等:优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展键,形成牢固的Si-Si 键,从而调整nc -Si z H 薄膜的微观结构及其键合特征.(4)反应气压在一定程度上能提高薄膜的晶化率和沉积速率,但太高的压强所造成的反应离子对薄膜表面的轰击反而会降低晶化率和沉积速率.图1 纳米晶硅薄膜的表面形貌(a)三维原子力显微镜(AF M )图;(b)表面SEM 图1.2.3 采用新原材料的PECVD 技术有人把研究方向转向寻找适合PECV D 低温生长的新材料组合,试图采用PECVD 直接沉积纳米晶硅薄膜.目前,普遍采用卤硅化合物(如SiF 4或SiCl 4)来代替硅烷气体.还有用混合气体(SiCl 4/H 2)作为源气体,使直接沉积纳米晶硅薄膜的衬底最低温度下降到200e ,所获得的纳米晶硅薄膜具有择优取向[12-14].但SiCl 4气体有强烈的腐蚀性,在沉积过程中形成的H Cl 对仪器有较大的腐蚀性,对系统的防腐性要求高,提高了生产成本.2 纳米晶硅薄膜太阳能电池在太阳能利用方面,太阳光伏电池是近年来发展最快、最具活力的研究领域.目前,虽然晶体硅太阳能电池仍处于主导地位,但它的高温扩散工艺限制了其生产效率的提高和产品成本的进一步降低,难以普及.1976年,非晶硅薄膜太阳能电池问世以来逐渐显示出其强大的生命力,但其稳定性和光电转换效率却比不上单晶硅,由于它具有亚稳态结构,长时间发光后会出现明显的不稳定性(称为S -W 效应).纳米晶硅薄膜太阳能电池基本上克服了S -W 效应,制备纳米晶硅薄膜时无须高温扩散,与现代半导体工业技术相匹配可以降低成本,从而激发了国内外对纳米硅薄膜的研究兴趣.Sukti H azra 等人首次用纳米硅薄膜作为太阳能电池的本征层,做成了本征型纳米硅p --i n 单结太阳电池[15].电池结构为glass/T CO/a -Si z H /nc -Si z H /Back co ntact/Al(图2).实验结果表明,所制作的太阳能电池在长时间光照条件下具有优良的稳定性,而且开路电压也比较高,达到了0.93V.胡志华等人运用美国宾州大学开发的AM PS 程序模拟分析并计算了n 型纳米硅(n +-nc -Si z H )/p 型晶体硅(p -c -Si)异质结太阳能电池的光伏特性[16].此结构电池是用纳米硅薄膜作为太阳电池窗口层的.运用AM PS 程序计算出这种电池在理想情况下的理论极限效率G max =31.17%.这个高效率主要由于宽带隙窗口层的引入,引入宽带隙窗口层提高了光子的吸收效率,从而提高了电池的开路电压和填充因子.中国科学院研究生院物理科学学院张群芳等人采用H WCVD,系统地研究了纳米晶硅层的晶化度以及晶体硅表面氢处理时间对nc -Si z H /c -Si 异质结太阳能电池性能的影响,通过优化工艺参数,在p 型晶体硅衬底上制备出转换效率为17.27%的n -nc -Si B H /-i nc -Si B H /p -c -Si 异质结电池[17].#452#材 料 研 究 与 应 用2008图2纳米晶硅/非晶硅薄膜叠层电池结构及其光谱响应谱线另外,胡志华等人还制备出了纳米非晶硅太阳能电池,此电池是g lass/ITO/p-a-SiC:H/-i na-Si z H/n-nc-Si z H/A l结构的p--i n太阳能电池[18],同样也是利用纳米晶硅薄膜的高电导性和高光敏性,电池的开路电压高达0.94V,同时还能保证72%以上的填充因子,光电转换效率达到8.35%.开路电压和填充因子都高于Sukti H azra等人的报道.中国科学院半导体研究所的郝会颖用这种含有少量纳米晶相的相变域硅薄膜作为本征层制备了太阳能电池[19].其结构为glass/SnO2/p-a-SiC:H/-i a-Si z H/ n-a-Si z H/A l.初始时电池的开路电压V oc=0.912 V,填充因子F F=0.690,短路电流密度J sc=15.894 mA/cm2,光电转换效率为10.008%.在AM 1.5 (100mW/cm2)的光强下曝光820min后,开路电压升高了5.2%,而光电转换效率仅衰减了2.9%,显示出优良的光电性质和稳定性.3结语固相晶化需要高温退火过程,激光晶化和热丝化学气相沉积等方法不适合大面积均匀成膜,这些方法均不适用于大规模工业化生产.射频等离子体化学气相沉积因其在制备大面积、高均匀度的薄膜方面具有工艺简单、成熟及成本低廉的优势,已成为重要的半导体薄膜沉积技术,目前已有完整的沉积非晶硅薄膜的工业化生产线.低温条件下在同一系统中直接在衬底上高速沉积光电性能优良的纳米晶硅薄膜是一种产业化前景较好的方法.目前,纳米硅太阳能电池的转换效率还不到10%,应通过优化设计纳米硅太阳能电池的结构,精确控制工艺参数,使其转换效率接近理论极限.如何提高纳米硅薄膜太阳能电池的光电转换效率、大幅度降低生产成本,使其进入民用,是研究热点之一.参考文献:[1]ECO FF EY S,BO U V ET D,IO N ESCU A,et al.Lo w-pressur e chemical v apo ur depo sitio n of nano g r ain poly-silico n ult ra-thin films[J].Nanotechno lo gy,2002,13: 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纳米技术在太阳能电池领域的应用研究在当今能源不断紧缺的形势下，太阳能作为一种可再生的清洁能源备受瞩目。

然而，传统太阳能电池面临着转换效率低、材料昂贵和使用寿命短等问题。

为了克服这些挑战，科学家们开始将纳米技术应用于太阳能电池的研究中，以期提高其效率和性能。

本文将探讨纳米技术在太阳能电池领域的应用研究。

一、纳米材料的应用纳米技术可为太阳能电池提供具有良好性能的材料。

例如，纳米颗粒可以增加太阳能电池的光吸收能力，使其能够更有效地转换太阳能为可用的电能。

此外，纳米颗粒还可以提高电池的导电性和稳定性，从而延长其使用寿命。

因此，研究人员已开始研发各种纳米材料，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，以应用于太阳能电池中。

二、纳米结构的设计与优化纳米技术可以通过设计和优化纳米结构来提高太阳能电池的性能。

例如，利用纳米结构的能带调控效应，可以提高电子-空穴分离效率，从而提高太阳能电池的效率。

此外，纳米结构的表面积比传统结构更大，能够提供更多的活性表面以捕获光能和电子，这也有助于提高电池的性能。

因此，科学家们已开始针对不同类型的太阳能电池，如硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，设计和优化纳米结构，以获得更高的转换效率和稳定性。

三、纳米涂层技术的应用纳米涂层技术是一种将纳米材料应用于电池表面的方法，以提高太阳能电池的性能。

通过在电池表面涂覆纳米材料，可以增强电池的抗反射能力，减少光的反射损失，提高光的吸收效率。

此外，纳米涂层还可以提高电池的稳定性和抗腐蚀能力，从而延长其使用寿命。

因此，研究人员已开始开发各种纳米涂层技术，并在太阳能电池中进行应用研究。

四、纳米技术在光伏材料合成中的应用纳米技术可用于合成具有优异性能的光伏材料。

通过控制纳米级结构和成分，可以改变材料的电子和光学性质，从而提高光伏材料的效率和稳定性。

例如，利用纳米级材料的量子尺寸效应和表面效应，可以增强材料的吸收能力，使之更适用于太阳能电池。

因此，科学家们已开始研究纳米材料合成技术，以获得更高效的光伏材料。

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第4期·1516·化 工 进展纳米晶硅多层薄膜的低温调控及其发光特性李云1，高东泽1，焦玉骁1，张博惠1，许贺菊1，2，赵蔚1，3，于威1，路万兵1，李晓苇1（1河北大学物理科学与技术学院，河北 保定 071000；2华北理工大学理学院，河北 唐山 063009；3河北工程大学数理学院，河北 邯郸 056038）摘要：采用单-双靶交替溅射法低温沉积了纳米晶硅多层薄膜（nc-SiO x /a-SiO x ），通过改变a-SiO x 势垒层的厚度和化学成分比例，实现了纳米晶硅多层薄膜的低温过程控制。

透射电子显微镜（TEM ）结果显示，a-SiO x 层太薄，不能有效阻断纳米硅生长，导致多层周期结构在后期沉积过程中受到破坏；增加a-SiO x 层厚度，周期性结构生长得以实现，但仍有部分纳米硅穿透a-SiO x 势垒层；傅里叶变换红外光谱（FTIR ）分析表明，薄膜中的氧化反应以及活性氢对物相分离过程的促进作用均对纳米硅生长有影响。

进而增加a-SiO x 层氧含量，纳米硅的纵向生长被成功阻断。

在此基础上，通过调整nc-SiO x 层厚度实现了薄膜光学带隙调整和纳米硅粒度控制。

光吸收谱分析显示，随nc-SiO x 层厚度的增加，薄膜光学带隙逐渐减小；光致发光谱表明，多层周期结构实现了纳米硅尺寸的调控，粒子尺寸为几个纳米的纳米硅表现出了较强的发光，发光机制为量子限制效应-缺陷态复合发光。

关键词：纳米晶硅；多层薄膜；显微结构；低温过程控制；纳米粒子；光致发光中图分类号：O472+.8 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）04–1516–06 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1247Low temperature preparation and luminescence properties ofnanocrystalline silicon multilayer filmsLI Yun 1，GAO Dongze 1，JIAO Yuxiao 1，ZHANG Bohui 1，XU Heju 1，2，ZHAO Wei 1，3，YU Wei 1，LU Wanbing 1，LI Xiaowei 1（1 College of Physics Science and Technology ，Hebei University ，Baoding 071000，Hebei ，China ；2College of Science ，North China University of Science and Technology ，Tangshan 063009，Hebei ，China ；3School of Science ，HebeiUniversity of Engineering ，Handan 056038，Hebei ，China ）Abstract ：The nanocrystalline silicon multilayers （nc-SiO x /a-SiO x ）were deposited at low temperature by single-double target alternating sputtering technology. The thickness and the chemical composition of the a-SiO x barrier layers were regulated to control the multilayers’ microstructure. Transmission electron microscopy （TEM ）analysis showed that the periodic structure was disrupted during the later deposition process because the a-SiO x layer was too thin to effectively block the growth of nc-Si. The multilayer structure was successfully prepared by increasing the thickness of the a-SiO x layer ，however ，there were still a part of nc-Si particles penetrating the barrier layer. Fourier transform infrared （FTIR ）spectra showed that the oxidation reaction in the film and the active hydrogen atom effected on the growth of nc-Si. Therefore ，the oxygen content of the a-SiO x layer was increased which further blocked the growth of the nc-Si. Then ，the film optical bandgap was adjusted and nc-Si particles第一作者：李云（1986—），女，博士研究生。

薄膜太阳能电池的制备及应用研究在日益紧张的能源短缺背景下，太阳能电池作为一种清洁绿色的新型能源，备受关注。

与传统的硅晶太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有更高的光电转换效率和更大的灵活性，逐渐成为研究的热点之一。

本文将介绍薄膜太阳能电池制备及其应用研究的进展和趋势。

一、薄膜太阳能电池制备技术薄膜太阳能电池主要由多层薄膜堆积结构组成，其中光吸收层、电荷分离层和电子传输层等是实现高效能量转换的关键部分。

目前，主要的薄膜太阳能电池有非晶硅、染料敏化型（DSSC）、有机太阳能电池（OSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）等。

（一）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池是最早被研究和应用的一种薄膜太阳能电池。

其基本结构是由玻璃基板、导电层、p-i-n结构薄膜和金属电极组成。

非晶硅薄膜由于具有高的光吸收系数和高的载流子迁移率，因此具有较高的光电转换效率。

但是其低稳定性和性能退化等问题限制了其应用。

（二）染料敏化型太阳能电池染料敏化型太阳能电池常用的是钛酸盐作为阳极材料，以染料分子为光吸收层进行光电转换。

其基本结构是由导电玻璃、导电链、暴露于染料敏化电解液中的TiO2纳米晶、染料分子和反电极组成。

染料敏化型太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的成本，但是其稳定性仍存在问题，需要进一步改进和优化。

（三）有机太阳能电池有机太阳能电池以有机分子或聚合物为光吸收层，光生载流子的传输过程中利用电子与空穴的相互作用进行光电转换。

其优点是重量轻、柔性好、性能可调，但是其效率仍需要提高和稳定性也需要解决。

（四）钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池是近年发展起来的一类新型太阳能电池。

其光吸收层为有机-无机钙钛矿晶体，具有高的光吸收系数和光电转换效率，已经成为应用研究的热点。

此外，钙钛矿太阳能电池具有可调性强、制备工艺简单等优点。

二、薄膜太阳能电池应用研究随着薄膜太阳能电池制备技术的不断发展，其应用领域也逐渐扩大。

目前，薄膜太阳能电池主要应用于移动电源、灵活显示屏、无线传感器等领域，未来还将有更广泛的应用前景。

低温制备二氧化钛纳米薄膜研究进展Develop ment of Low Temperat ure Synt hesizingNano2sized Titania Film颜鲁婷1,司文捷2,刘莲云1,戴春爱1,郑妍鹏1(1北京交通大学理学院,北京100044;2清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084) YAN L u2ting1,SI Wen2jie2,L IU Lian2yun1,DA I Chun2ai1,ZH EN G Yan2peng1 (1School of Science,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China;2The State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing,Tsinghua University,Beijing100084,China)摘要:低温下制备二氧化钛薄膜具有重要的意义。

开发纳米晶TiO2薄膜低温制备技术,可以提高太阳能电池光电转化效率及气体传感器的气敏性能,并且对拓展光催化技术的应用领域、降低生产成本尤为重要。

本文就低温制备二氧化钛薄膜的进展情况进行了详细的介绍。

关键词:二氧化钛;薄膜;低温制备中图分类号:TB43 文献标识码:A 文章编号:100124381(2006)Suppl20495203Abstract:Titanium dioxide t hin film has extensive application in several fields such as p hotocatalysis, dye2sensitized solar cells,or gas sensor.Low temperat ure processing has attracted much attention in recent years because t hat it is usef ul for t he synt hesis of crystalline titanium dioxide film having a high surface area on all kinds of subst rates.This review deals wit h t he met hods for p reparation of crystal titanium dioxide t hin film at low temperat ure.K ey w ords:titanium dioxide;nano2sized film;low temperat ure synt hesizing 纳米二氧化钛薄膜具有良好的光催化活性、气敏性能及光电转换功能,在开发太阳能电池、环保自清洁材料及环境监测方面具有很大的潜力,近年来受到广泛的重视[1,2]。

晶硅薄膜的制备及其在太阳电池中的实际运用太阳能光伏发电是一种可以凭借太阳能转化为电能的过程来满足社会化需求，通过此种策略来科学化的利用能源，从而避免对现有的非可再生资源等物质的过渡消耗。

文章就从晶硅薄膜的制备方式着手来阐释其中所存在的问题，并提出相应的可行性制备措施，同时，针对基于晶硅薄膜物质的太阳能电池的性能进行剖析，从而总结出科技发展对实际的太阳能电池制备项目的重要意义。

标签：晶硅薄膜；制备；太阳电池；实际运用前言现阶段，我国太阳能市场当中，太阳能电池主要为体硅电池，尽管能够在一定程度上满足市场需求，但该类型电池的成本较高，其原因在于硅片价格较高。

这样一来，便导致了太阳能电池的发电成本高居不下，仅就成本这一项，其与普通的电力发电策略便无力竞争。

在这种情形之下，经研究分析可知，采用晶体硅薄膜物质来替代体硅材料，能够将太阳能发电成本拉低，这就为太阳能发电项目的推广应用提供了土壤。

1 晶硅薄膜的制备1.1 晶硅薄膜制备的实施背景研究在全世界光伏市场上近九成的市场份额是由晶体硅电池所占据，其中，包括了单晶硅电池与多晶硅电池等等，硅基薄膜电池在其他市场份额中有主导地位。

晶体硅电池效率很高，因为制备过程需要很高温度的工艺，因此生产成本限制了其发展。

而非晶硅电池虽然成本低廉但是市场上销售的非晶硅电池效率只有8%，并且存在着光致衰退的效应也影响着电池的稳定性。

在太阳能电池成本缩减要求的驱动下，国内光伏产业项目有着实质性的进步，而且，虽然HIT太阳电池本身的成本降低了，但其效率较高、性能稳定，现在已经成为了国内外光伏领域研究的热点。

1.2 分析晶硅薄膜的主要制备方法从总体情况来看，在项目研究中或是实践过程当中，较为常用的制备晶硅薄膜的方法有：常压化学气相沉积（简称：APCVD方法）、低压化学气相沉积（LPCVD方法）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD方法）。

其中，CVD技术的主要特点表现在，其底部附着一层薄膜，整体的化学稳定性较弱，容易得到一种具备明显梯度的沉积状态的化学物质。

低温高压快速生长纳米晶硅薄膜中氢的作用摘要：本文主要探讨了氢在低温高压快速生长纳米晶硅薄膜中的作用。

通过对氢在硅薄膜中的扩散、沉积、表面反应等方面的研究，发现氢可以通过调节晶体结构、改变晶体生长速率、抑制氧化反应等方式影响硅薄膜的生长和性能。

同时，氢还可以作为掺杂剂，改变硅薄膜的电学性能。

因此，深入研究氢在硅薄膜中的作用，对于优化硅薄膜的生长和性能具有重要意义。

关键词：低温高压，纳米晶硅薄膜，氢，掺杂，电学性能1. 引言纳米晶硅薄膜是一种具有广泛应用前景的材料，如在太阳能电池、显示器件、传感器等领域中有着重要的应用。

目前，研究者们主要采用化学气相沉积、磁控溅射等方法制备纳米晶硅薄膜。

其中，低温高压快速生长方法是一种新型的制备纳米晶硅薄膜的方法，其具有生长速率快、制备温度低、晶格缺陷少等优点。

但是，该方法存在一些问题，如晶体生长不稳定、掺杂效果不明显等。

因此，如何优化纳米晶硅薄膜的生长和性能，成为了当前研究的热点问题。

氢是一种重要的掺杂剂，在半导体材料中具有广泛的应用。

在硅薄膜中，氢可以通过扩散、沉积、表面反应等方式影响硅薄膜的生长和性能。

同时，氢还可以作为掺杂剂，改变硅薄膜的电学性能。

因此，深入研究氢在纳米晶硅薄膜中的作用，对于优化硅薄膜的生长和性能具有重要意义。

2. 氢在硅薄膜中的扩散和沉积氢在硅薄膜中的扩散和沉积是影响硅薄膜生长和性能的重要因素。

氢可以通过扩散进入硅薄膜中，也可以通过沉积在硅薄膜表面影响薄膜生长。

2.1 氢在硅薄膜中的扩散氢在硅薄膜中的扩散是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，如温度、气压、氢气浓度等。

研究发现，在低温高压快速生长纳米晶硅薄膜的过程中，氢可以促进硅薄膜的生长和晶体结构的调控。

首先，氢可以促进硅薄膜的生长。

在硅薄膜生长过程中，氢可以与硅原子形成Si-H 键，从而促进硅原子的沉积。

此外，氢还可以通过抑制氧化反应，保护硅原子不被氧化，从而促进硅薄膜的生长。

其次，氢可以调控纳米晶硅薄膜的晶体结构。

纳米晶薄膜材料的制备及其光电性能研究一、引言近年来，纳米材料技术得到了广泛的发展和应用。

其中，纳米晶薄膜材料作为一种新型材料，因其优异的光电性能，在太阳能电池、光电器件、显示器件等领域得到了广泛的应用。

本文将介绍纳米晶薄膜材料的制备方法和光电性能研究进展。

二、纳米晶薄膜材料的制备方法1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种基于溶胶-凝胶化过程的制备方法。

首先通过化学反应得到适当的溶胶，然后通过调节pH值和溶液浓度，使得溶胶凝胶化。

最后通过高温烧结等处理，制备出纳米晶薄膜材料。

2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种基于物理气相沉积原理的制备方法。

通过放置在真空室中的目标电极板，利用高能粒子轰击目标表面，使得原子或离子从目标表面剥离。

这些原子或离子在真空室中形成一束来到另一靶板表面，沉积出薄膜材料。

3. 水热法水热法是一种基于水热反应原理的制备方法。

通过高温高压环境下将适当的化学物质加入水中，形成水热反应。

通过不同的反应条件可以制备出具有不同晶体结构和粒径的纳米晶薄膜材料。

4. 气相沉积法气相沉积法是一种基于化学气相沉积原理的制备方法。

通过将金属有机气体或者金属无机气体在高温环境中分解成金属气体，然后将其沉积在基片表面形成薄膜材料。

三、纳米晶薄膜材料的光电性能研究1. 光学性能随着晶粒大小的减小，纳米晶薄膜材料的光学性能会发生变化。

例如，纳米晶薄膜材料对于波长小于晶体尺寸的光线，会产生反射和吸收现象，同时当纳米晶尺寸减小到一定程度时会出现光学量子限制现象，这时光电转换效率会得到提升。

2. 电学性能纳米晶薄膜材料的电学性能主要包括电导率和介电常数等。

由于晶粒的减小和界面的增加，纳米晶薄膜材料的电导率会增加，同时电容器的介电常数也会增加。

3. 热学性能纳米晶薄膜材料的热学性能与传统材料相比也存在较大的差异。

一方面，由于晶粒的减小，纳米晶薄膜材料的热传递速度会变得更快，另一方面，由于晶界的存在，纳米晶薄膜材料也存在着热阻抗效应，因此热导率会变得更低。

纳米晶薄膜太阳能电池的设计和应用随着能源危机的不断加深和环保意识的逐渐增强，太阳能电池作为一种清洁、可持续、安全的新能源，受到了越来越多的关注和追捧。

在多年的研究和探索中，科学家们不断尝试着改进太阳能电池的材料和结构，以提高其效率和稳定性。

而纳米晶薄膜太阳能电池，就是其中一项重要的创新成果。

一、纳米晶薄膜太阳能电池的设计原理纳米晶薄膜太阳能电池的基本结构与传统的太阳能电池相似，包括光电转换层、电子传输层和载流子收集层。

但是，纳米晶薄膜太阳能电池的材料却是由纳米晶组成的超薄膜，这种材料的特殊结构赋予了它许多优良的性质，如高光吸收率、高电子传输速率、高光生电子的分离效率和长寿命等。

这种薄膜是如何制备的呢？通常有两种方法：一种是通过溶液法，采用原子簇离子沉积或气浮外延等技术制备纳米晶薄膜；另一种是通过化学合成法，在有机相中合成纳米晶，然后利用自组装等方法形成多层薄膜。

制备出来的薄膜通常厚度在几纳米至几百纳米之间。

二、纳米晶薄膜太阳能电池的应用前景纳米晶薄膜太阳能电池的独特结构和性质，使得它在太阳能利用方面有很大的应用潜力。

首先，由于其超薄的结构，可以把太阳能转化效率提高到10%以上，比传统的硅基太阳能电池更高。

其次，由于纳米晶的尺寸与光波长相当，可以实现全光谱吸收，即使在低光强下也能发电。

此外，纳米晶薄膜太阳能电池还具有很好的可塑性和柔韧性，可以应用于不同形状和尺寸的器件中。

比如，可以制作成可穿戴设备或者是可以与建筑物相集成的建筑一体化电池等。

三、纳米晶薄膜太阳能电池面临的挑战尽管纳米晶薄膜太阳能电池具有许多优良的性质和应用前景，但是它也面临着一些挑战和限制。

首先是稳定性问题，由于该种电池使用的是有机物质光敏剂，容易受到环境因素和光照的影响，导致稳定性较差。

其次是成本问题，由于该种电池生产较为复杂，制备工艺繁琐，因此成本较高，难以在大规模应用中普及。

四、未来展望纳米晶薄膜太阳能电池虽然面临着诸多挑战，但是它的应用前景依然广阔。

收稿日期:20082092113基金项目:韩山师范学院青年科研基金资助项目(0503)作者简介:陈城钊(1975—),男,广东潮州人,讲师,硕士.第2卷　第4期材　料　研　究　与　应　用Vo1.2,No.42008年12月MA TERIAL S RESEARCH AND APPL ICA TIONDec .2008文章编号:167329981(2008)0420450205优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展3陈城钊1,邱胜桦1,刘翠青1,吴燕丹1,李　平1,余楚迎2,林璇英1,2(1.韩山师范学院物理与电子工程系,广东潮州　521041;2.汕头大学物理系,广东汕头　515063)摘　要:纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电池、光存储器、发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料.本文综述低温制备优质纳米晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用.关键词:纳米晶硅薄膜;太阳能电池;低温制备;进展中图分类号:TM914.4 文献标识码:A纳米晶硅(nc 2Si ζH )薄膜就是硅的纳米晶粒镶嵌在a 2Si ζH 网络里的一种硅纳米结构.由于它具有较高的电导率(10-3～10-1Ω-1・cm -1)、宽带隙、高光敏性、高光吸收系数等优良的光电特性而引起学术界的重视.纳米晶硅薄膜同时具备宽带隙和高电导这两种太阳能电池窗口材料所需的优良性质,现已成为研究探索的热门纳米薄膜材料[1].除用于制备薄膜太阳能电池外,在发光二极管、光存储器、隧穿二极管、薄膜晶体管以及单电子晶体管等光电器件方面也有潜在应用[2].1　低温制备纳米晶硅薄膜的技术为了制备适用于以玻璃为衬底的太阳能电池的纳米晶硅薄膜,近年来发展了低温(<450℃)制膜技术.按成膜过程可分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为纳米晶硅;另一类是直接在玻璃衬底上沉积纳米晶硅薄膜[2].1.1　固相晶化法固相晶化(SPC )法的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度.低造价太阳能电池的纳米晶薄膜,一般以廉价的玻璃作衬底,以硅烷气为原材料,用PECVD 法沉积a 2Si ∶H 薄膜,然后再用热处理的方法使其转化为纳米晶硅薄膜.这种方法的优点是能制备大面积的薄膜,可进行原位掺杂,成本低,工艺简单,易于批量生产.常规的高温炉退火、金属诱导晶化、快速热退火、区域熔化再结晶等都属于固相晶化法.1.1.1　常规高温炉退火该方法是在氮气保护下把非晶硅薄膜放入炉腔内退火,使其由非晶态转变为纳米晶态[3].非晶硅晶化的驱动力是晶相相对于非晶相较低的G ibbs 自由能.固相晶化过程主要由晶核的形成及晶核长大两步完成.形核率和生长速率都受温度的影响,所以纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸受温度的影响很大.晶硅薄膜的晶粒尺寸除受温度的影响外,与初始非晶硅膜的结构状况也有密切的关系.有研究者采用“部分掺杂法”来增大晶粒尺寸,即在基底上沉积两层膜,下层进行磷掺杂,作为成核层,上层不掺杂,作为晶体生长层,退火后可获得较大的晶粒[4].1.1.2　金属诱导晶化金属诱导晶化就是在非晶硅薄膜上镀一层金属膜或在镀有金属膜的基片上再镀一层非晶硅膜,使非晶硅与金属接触,这样可大大降低非晶硅的晶化温度(300℃左右就能发生晶化),缩短晶化时间.可作诱导的金属有Al,Au,Ni,Pt,Ti,Cr,Pd等,不同的金属诱导晶化效果略有不同.由于Al的含量丰富、价格便宜,因此铝诱导晶化备受青睐[5].对于产生低温晶化的原因,比较一致的解释是:在a2Si∶H与Al的界面处,由于Al扩散到非晶硅中,形成了间隙原子,使Si—Si共价键转变为Si—Al金属键,极大地降低了激发能.界面处的这些硅化物加速了Al和Si原子的相互扩散,导致了Al—Si混合层的形成.由Al2Si相图可知,低温下(<300℃),硅在铝中的固溶度几乎可以忽略,因此铝中的超饱和硅以核的形式在a2Si∶H和Al的界面析出.这些固体沉淀物逐渐长大,最后形成了晶体硅和铝的混合物.与传统的固相晶化技术相比,该技术能大大降低退火温度,缩短退火时间,制备出较大晶粒的纳米晶硅薄膜[6].然而,有研究发现利用该技术制备的纳米晶硅薄膜会引入大量的金属原子,在很大程度上破坏了硅薄膜的电特性.这是一个不太容易解决的问题.1.1.3　快速热退火快速热处理技术(R TP)是近年来发展很快的半导体工艺新技术.快速热退火属于快速热处理的范畴,是一种新的退火方式,它的热源是卤钨灯.与传统的退火炉相比,该方法有很多优点,除了用时短、耗热少、产量大、过程易控外,晶化后的纳米晶硅膜缺陷较少、内应力小.一些研究发现对非晶膜进行快速热退火时,温度的改变、时间的延长对晶粒尺寸的影响不大;但升温速率对晶粒尺寸的影响很大,升温速率较大时,硅晶粒较小,升温速率较小时,硅晶粒较大[7].1.1.4　区域熔化再结晶区域熔化再结晶是将一束很窄的能量源在硅薄膜的表面移动使硅薄膜材料的不同区域依次熔化而结晶.比较成熟和用得较普遍的是激光加热,即激光晶化法.该晶化技术的特点是可以采用不同类型的激光在很短的时间内将非晶硅材料加热到很高的温度使其熔化然后结晶,由于熔化结晶的时间很短,因此衬底的温度不太高,从而能够使用廉价的玻璃作为衬底.准分子激光由于其脉冲时间极短(10～30 ns),且波长处于超紫外范围,因而是在玻璃衬底上制备硅薄膜材料理想的能量束.在硅薄膜上所照射的激光束频率、受光次数以及激光能量密度等都会影响非晶硅薄膜的结晶状况.另外,激光束的形状和扫描方向也会影响晶化过程中晶粒的生长方向[829].该技术的缺点是设备昂贵、工艺的重复性较差、难以实现大面积制备等.1.2　直接沉积纳米晶硅薄膜采用固相晶化法制备纳米晶硅薄膜,由于需先沉积非晶硅薄膜,再转化为纳米晶硅薄膜,所需时间较长.如果沉积非晶硅薄膜和热处理不在同一系统中,则在转移非晶硅薄膜的过程中,容易造成薄膜的氧化,生成SiO2,或引入其它杂质,对薄膜的性能产生不良的影响.近几年来,许多科研工作者都在探索不经退火,直接在同一系统中制备纳米晶硅薄膜的新技术,这些技术包括:热丝化学气相沉积(HWCVD),高压rf2PECVD和采用新气源等.1.2.1　热丝化学气相沉积法当硅烷或其它源气体通过装在衬底附近、温度高达2000℃的钨丝时,源气体的分子键发生断裂,形成各种中性基团,在衬底上沉积成纳米晶硅薄膜.沉积时衬底的温度约175～400℃,可用廉价的玻璃作衬底[10].用HWCVD法制备的纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸约0.3～1.0μm,具有柱状结构,择优取向于(110)晶面,可应用于光伏打器件.由于钨丝的温度很高,对部分设备的耐热要求较高.而且晶粒尺寸较小,不适宜大面积均匀薄膜的制备,所以应用范围受到较大限制.1.2.2　高压高氢稀释硅烷PECVD法最近,我们用常规的13.56M Hz的rf2PECVD 系统,采用较高的反应气压,匹配比较高的激励功率.以0.7nm/s制备出优质的氢化纳米晶硅薄膜[11].薄膜的晶化率约60%,平均晶粒尺寸约6.0 nm,暗电导率为10-3～10-4Ω-1・cm-1,薄膜的SEM图如图1所示.在本实验室的条件下,制备纳米晶硅薄膜时有以下结论:(1)射频功率太小薄膜中没有晶态成分.在其他条件不变的情况下,功率太大晶化率反而下降.在一定的射频功率范围内,薄膜中的晶态成分随功率增大而增加.(2)在一定的温度范围内,薄膜中的晶态成分随温度的升高而增加,晶粒随温度的升高而增大.(3)随着H2稀释度R H= H2/(Si H4+H2)的增加,薄膜晶化率变大,生长速率变小.结合Raman和F TIR谱,认为在高氢条件下,氢的作用在于通过刻蚀反应表面弱的Si-Si・154・第2卷　第4期陈城钊,等:优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展键,形成牢固的Si -Si 键,从而调整nc 2Si ζH 薄膜的微观结构及其键合特征.(4)反应气压在一定程度上能提高薄膜的晶化率和沉积速率,但太高的压强所造成的反应离子对薄膜表面的轰击反而会降低晶化率和沉积速率.图1　纳米晶硅薄膜的表面形貌(a )三维原子力显微镜(AFM )图;(b )表面SEM 图1.2.3　采用新原材料的PECVD 技术有人把研究方向转向寻找适合PECVD 低温生长的新材料组合,试图采用PECVD 直接沉积纳米晶硅薄膜.目前,普遍采用卤硅化合物(如Si F 4或SiCl 4)来代替硅烷气体.还有用混合气体(SiCl 4/H 2)作为源气体,使直接沉积纳米晶硅薄膜的衬底最低温度下降到200℃,所获得的纳米晶硅薄膜具有择优取向[12214].但SiCl 4气体有强烈的腐蚀性,在沉积过程中形成的HCl 对仪器有较大的腐蚀性,对系统的防腐性要求高,提高了生产成本.2　纳米晶硅薄膜太阳能电池在太阳能利用方面,太阳光伏电池是近年来发展最快、最具活力的研究领域.目前,虽然晶体硅太阳能电池仍处于主导地位,但它的高温扩散工艺限制了其生产效率的提高和产品成本的进一步降低,难以普及.1976年,非晶硅薄膜太阳能电池问世以来逐渐显示出其强大的生命力,但其稳定性和光电转换效率却比不上单晶硅,由于它具有亚稳态结构,长时间发光后会出现明显的不稳定性(称为S 2W 效应).纳米晶硅薄膜太阳能电池基本上克服了S 2W 效应,制备纳米晶硅薄膜时无须高温扩散,与现代半导体工业技术相匹配可以降低成本,从而激发了国内外对纳米硅薄膜的研究兴趣.Sukti Hazra 等人首次用纳米硅薄膜作为太阳能电池的本征层,做成了本征型纳米硅p 2i 2n 单结太阳电池[15].电池结构为glass/TCO/a 2Si ζH/nc 2Si ζH/Back contact/Al (图2).实验结果表明,所制作的太阳能电池在长时间光照条件下具有优良的稳定性,而且开路电压也比较高,达到了0.93V.胡志华等人运用美国宾州大学开发的AM PS 程序模拟分析并计算了n 型纳米硅(n +2nc 2Si ζH )/p 型晶体硅(p 2c 2Si )异质结太阳能电池的光伏特性[16].此结构电池是用纳米硅薄膜作为太阳电池窗口层的.运用AM PS 程序计算出这种电池在理想情况下的理论极限效率ηmax =31.17%.这个高效率主要由于宽带隙窗口层的引入,引入宽带隙窗口层提高了光子的吸收效率,从而提高了电池的开路电压和填充因子.中国科学院研究生院物理科学学院张群芳等人采用HWCVD ,系统地研究了纳米晶硅层的晶化度以及晶体硅表面氢处理时间对nc 2Si ζH/c 2Si 异质结太阳能电池性能的影响,通过优化工艺参数,在p 型晶体硅衬底上制备出转换效率为17.27%的n 2nc 2Si ∶H/i 2nc 2Si ∶H/p 2c 2Si 异质结电池[17].・254・材　料　研　究　与　应　用2008图2　纳米晶硅/非晶硅薄膜叠层电池结构及其光谱响应谱线另外,胡志华等人还制备出了纳米非晶硅太阳能电池,此电池是glass/ITO/p 2a 2SiC :H/i 2na 2Si ζH/n 2nc 2Si ζH/Al 结构的p 2i 2n 太阳能电池[18],同样也是利用纳米晶硅薄膜的高电导性和高光敏性,电池的开路电压高达0.94V ,同时还能保证72%以上的填充因子,光电转换效率达到8.35%.开路电压和填充因子都高于Sukti Hazra 等人的报道.中国科学院半导体研究所的郝会颖用这种含有少量纳米晶相的相变域硅薄膜作为本征层制备了太阳能电池[19].其结构为glass/SnO 2/p 2a 2SiC :H/i 2a 2Si ζH/n 2a 2Si ζH/Al.初始时电池的开路电压V oc =0.912V ,填充因子F F =0.690,短路电流密度J sc =15.894mA/cm 2,光电转换效率为10.008%.在AM 1.5(100mW/cm 2)的光强下曝光820min 后,开路电压升高了5.2%,而光电转换效率仅衰减了2.9%,显示出优良的光电性质和稳定性.3　结　语固相晶化需要高温退火过程,激光晶化和热丝化学气相沉积等方法不适合大面积均匀成膜,这些方法均不适用于大规模工业化生产.射频等离子体化学气相沉积因其在制备大面积、高均匀度的薄膜方面具有工艺简单、成熟及成本低廉的优势,已成为重要的半导体薄膜沉积技术,目前已有完整的沉积非晶硅薄膜的工业化生产线.低温条件下在同一系统中直接在衬底上高速沉积光电性能优良的纳米晶硅薄膜是一种产业化前景较好的方法.目前,纳米硅太阳能电池的转换效率还不到10%,应通过优化设计纳米硅太阳能电池的结构,精确控制工艺参数,使其转换效率接近理论极限.如何提高纳米硅薄膜太阳能电池的光电转换效率、大幅度降低生产成本,使其进入民用,是研究热点之一.参考文献:[1]ECOFFEY S ,BOUV ET D ,ION ESCU A ,et al.Low 2pressure chemical vapour deposition of nano grain poly 2silicon ultra 2thin films [J ].Nanotechnology ,2002,13:2902293.[2]黄创君,林璇英,林揆训,等.低温制备高质量多晶硅薄膜技术及其应用[J ].功能材料,2001,32(6):5612563.[3]陈城钊,方健文,林璇英.a 2Si ζH 薄膜固相晶化法制备多晶硅薄膜[J ].浙江师范大学学报:自然科学版,2002,25(3):2462249.[4]陈城钊,林璇英,林揆训,等.氢等离子体加热法晶化a 2SiζH 薄膜[J ]功能材料,2004,35:6622664.[5]KIM H ,KIM D ,L EE G ,et al.Polycrystalline Si filmsformed by Al 2induced crystallization with and without Sloxides at Al/a 2Si interface [J ].Solar Energy Meterial &Solar Cells ,2002,74:3232329.[6]刘传珍,杨柏梁,袁剑峰,等.金属诱导法低温多晶硅薄膜的制备与研究[J 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devices such as t hin film solar cells ,optical memo 2ries ,light emitting diodes and t hin film t ransistors.In t his paper ,t he recent research p rogress of t he prep 2aration techniques of t he high quality nanocrystlline film at low temperat ure and it s application to solar cell is summarized.K ey w ords :nanocrystalline silicon t hin films ;solar cells ;low 2temperat ure preparation ;p rogress・454・材　料　研　究　与　应　用2008。

学术干货∣硅纳米晶的制备及其在太阳能电池中的应用一、引言太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转换为电能的装置。

按材料不同，太阳能电池可以分为三类[1]：(1)晶硅太阳能电池(包括单晶硅和多晶硅太阳能电池)；(2)薄膜太阳能电池(如非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池)；(3)新型高效光化学太阳能电池(如染料敏化电池、量子点电池及钙钛矿太阳能电池等)。

在已实用化的太阳能电池中，晶硅电池以其技术水平、效率水平和市场接受度，一直占据着太阳能电池市场的垄断地位[2]。

新型太阳能电池，则在实验室中不断地取得重大技术突破，发展迅速，具有诱人的应用前景。

第三代新型太阳能电池技术具有高效率、低成本、薄膜结构、无毒、储量丰富等优点[3]，既能保持第一代晶硅太阳电池的高光电转换效率，同时又能保持第二代薄膜太阳电池的低成本优势。

图1 各类固态太阳能电池的结构示意图[4]硅纳米材料由于兼具光学带隙灵活可调、光学吸收强、多激子效应明显等优点，又继承了硅材料地壳储量充足、性质良好无毒、天然保护层易形成、光照无衰减、技术储备丰富等优点，因而具有制备新一代高效率低成本薄膜太阳电池的潜力。

硅量子点材料则有潜力成为理想的第三代太阳电池材料，可以用于制备新型高效太阳电池。

硅纳米材料为太阳能电池的发展注入了新的动力，并成为当前的研究热点之一。

二、分散性硅纳米晶的制备根据硅纳米晶材料形态的不同，大致可以将硅纳米晶分为两类：分立颗粒状的硅纳米晶和薄膜镶嵌状的硅纳米晶。

晶体质量良好、尺寸均匀可控、表面修饰稳定、晶体产量较高是各种制备技术共同追求的目标。

目前，分散性硅纳米晶颗粒的制备方法主要有硅烷法、激光轰击硅靶法、低温等离子体法以及化学法等。

此外，通过对富硅化物(如氧化硅、碳化硅、氮化硅)薄膜进行高温退火促使其发生相分离和结晶，可以制备出镶嵌在硅化物中的硅纳米晶薄膜。

2.1硅烷法硅烷法是以硅烷为提纯的中间产物，经过分解制取多晶硅的方法。

纳米晶薄膜的制备及其应用现今，在科技的飞速发展下，纳米科技被认为是未来的发展趋势，其中纳米晶薄膜的制备与研究成为研究的热点。

那么，什么是纳米晶薄膜呢？纳米晶薄膜是一种由纳米晶颗粒构成、尺寸在2~10 nm范围内的薄膜。

由于其纳米尺度的特性，赋予了其很多独特的性能，使其在生命科学、信息、环境、能源、催化等领域具有广泛应用前景。

首先，让我们看一下纳米晶薄膜的制备方法。

制备纳米晶薄膜的主要方法有物理法、化学法和生物法三种。

物理法是利用溅射、蒸汽沉积、光刻、电子束等物理手段制备纳米晶薄膜。

其中，溅射法是目前最为成熟的制备方法之一。

通过在真空环境下利用电子束、等离子体等对材料靶进行轰击，从中溅射出原子或分子，形成薄膜。

与溅射法相对的是化学制备方法。

化学法制备纳米晶薄膜，是利用溶液反应、凝胶反应、水热合成等方法，在溶液体系中形成纳米晶体或纳米线，再依靠各种方法，如离心、过滤、离子交换等方法获得纳米晶薄膜。

这种方法制备的纳米晶薄膜比物理法制备的纳米晶薄膜性能更加稳定，并且更容易控制其粒径大小，但是其制备方法较为复杂。

除了物理法和化学法之外，也有一些利用光合成等生物方法制备纳米晶薄膜的研究。

例如，一些研究利用一些细菌的能力，在水中形成纳米晶颗粒并组装成薄膜。

接下来，我们不妨看一下纳米晶薄膜的应用。

一方面，在光电子学中，纳米晶薄膜的光电性质被广泛研究。

这些纳米晶薄膜可以在紫外线到近红外线范围内有较高的吸收和发射光谱，并且可以调控其带隙宽度以及荷载量，催生了其广泛应用于光电子器件，如太阳能电池、可见光催化剂、LED等。

另一方面，生物医学领域里的纳米晶薄膜研究表现出了其广泛的应用前景，例如，其可以用于病毒检测、药物递送和细胞成像等应用领域。

研究中的纳米晶薄膜可以在体液内得到更好地稳定，并在细胞内发现，所以具有广泛潜力成为生物医学研究中的工具。

此外，纳米晶薄膜的表面为纳米级别所以其具有较高的比表面积及活性等特性，这使它成为了催化剂领域方向研究着重的问题。