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提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率的途径


专家论坛
Expert F0rum

提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率的途径
彭英才1一,‘姚国晓3, 马蕾1,王侠1
(1.河北大学电子信息工程学院,河北保定071002; 2.中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京100083; 3.中国天威英利新能源有限公司,河北保定071051)

摘要:

多晶Si薄膜对可见光进行有效地吸收、光照稳定性好、制作成本低,被公认为是高效率
和低成本的光伏器件材料。以提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率为主线,介绍了增大晶粒尺寸 以增加载流子迁移率、进行表面和体内钝化以减少复合中心、设计P—i—n结构以增加光收集效率、

制作绒面结构以提高对入射光的吸收效果、改进电池结构以谋求最大效率等工艺措施;综述了近 5年来多晶Si薄膜电池在材料生长、结构制备和性能参数方面取得的最新进展,并对其发展前
景做了预测。

关键词:多晶Si薄膜;大晶粒;氢钝化;P-i.n结构;太阳电池;转换效率
中图分类号:TM914.42文献标识码:A文章编号:1671—4776(2008)04-0187-06

Approach to Enhance Conversion

Efficiency of

PolycrystalHne

Silicon Thin Film Solar Cells
Peng Yingcail,2 Yao Guoxia03,Ma Leil,Wang Xial

(1.College ofElectronic and Informational Engineering,Hebei Unwemhy,Baoding 071002,China;z Key Laboratory of Semiconductor Material Science,Institute ofSemiconductor,Chinese Academy ofScience,Beiiing 100083,China; 3.Tianwei Yingli New Energy Resources Co.,Ltd.,Baoding 071051,China) Abstract:Polycrystalline silicon thin film solar cells

are

recognized excellent photovohaic devices with

the characteristics of less silicon consumption,low cost,relatively high conversion efficiency and low

degradation with illumination.Some technique methods

were

introduced,such

as

increasing the crys—

talline silicon grain size to enhance minority carrier mobility,using surface passivation to reduce Bum— bers of minority carrier recombination

centers,designing

p-i—n structure to elevate light collection,fabri—

cating textured surfaces to increase absorption possibility of the incident light,improving cell structure
to

boost their conversion efficiencies.The latest progresses of polyerystalline silicon thin film solar cells
the growth of thin films,the improvements of cell structure and cell performance are summarized, their promising future is forecasted.

on

and

Key words:polycrystalline silicon thin films;larger grains;hydrogen passivation;p-i-n structure;SO—
lar cell;conversion efficiency


PACC:8630J;7240

收稿日期:2008-01—16
E-mall:ycpen92002@163.coni

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彭英才等:提高多晶si薄膜太阳电池转换效率的途径

0引





提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率 的主要途径
光电转换效率是标征太阳能电池光伏性能的主

随着世界能源需求的日益增加和传统能源对
环境污染的日趋严重,实现无污染和无公害的新 能源已经成为各国政府可持续发展能源的战略决 策。太阳光是取之不尽、用之不竭的清洁能源。 而太阳光发电则是大规模经济利用新能源的重要 手段。 在各种太阳电池的制作中,Si基太阳电池占 据着重要地位。而在Si系太阳电池中,晶体Si太 阳电池的转换效率较高,技术也最为成熟。但是 晶体Si太阳电池造价也比较昂贵,如果没有政府给 予补贴,在现阶段大规模进入民用系统还有较大难 度。而且,随着近年来晶体Si太阳电池产业的迅速 发展,出现了多晶Si原料日益短缺的局面,即使将 目前使用的晶体硅硅片的厚度减薄到200 I.Lm以下。 也难以在短时间内缓解Si原料供应需求紧张的局 面,严重阻碍了晶体Si太阳电池的发展。目前, 采用n-Si-H或非晶硅薄膜制备的太阳电池的转换

要参数,而转换效率的高低又与其开路电压、短路 电流和填充因子直接相关。下面介绍改善多晶si 薄膜太阳能电池效率的几项重要工艺措施。 1.1增大晶粒尺寸 多晶Si薄膜是由许多大小不等且具有不同结 晶取向的晶粒组成的膜层结构。在晶粒与晶粒之间 存在着大量无序的界面,称为晶粒界面或晶界。由 于在晶界中存在着悬挂键、杂质或缺陷产生的复合

中心,因而会大大降低太阳电池的转换效率。近年
的研究指出,进一步增大晶粒尺寸是一种制备优质 多晶si薄膜的有效工艺措施。因为增大晶粒尺寸, 一方面会增加载流子的扩散长度,从而使迁移率和 电导率进一步增加;另一方面,晶粒尺寸的增大可 以使晶界数量减少,通过钝化晶界和使晶粒具有择 优取向,从而避开因晶界对载流子复合所造成的不 利影响,可以提高少数载流子的寿命[4]。为了实现 大晶粒和高质量多晶si薄膜的生长,人们已发展 了多种工艺方法,归纳起来,大体有如下两种:一 种是先在衬底表面上沉积0【.Si薄膜,然后通过Al 诱导固相晶化的方法使其转化为多晶Si薄膜;另 一种是利用不同的化学气相沉积方法,通过控制薄 膜自身的成核过程,在衬底表面上直接形成多晶 Si薄膜。 1.1.1通过直接控制成核过程实现大晶粒生长 2000年,R.A.Puglisi等人[51采用(It—Si膜的低压 化学气相沉积(LPCVD)选择成核和其后的固相 外延相结合的方法,获得了具有大晶粒尺寸的多 晶Si薄膜。当由硼(B)和磷(P)作为成核中心 时,其晶粒尺寸分别为1 I-Lm和10斗m。在Ni诱导 的情形下,多晶Si晶粒尺寸可达20斗m,这是由于 Ni诱导可以加速选择成核过程和提高固相外延速率。 而T.Fuyuk[6]则利用常压化学气相沉积(APCVD)方 法,以SiH2C12气体作为反应剂,在850~1 050 oC的 衬底温度下,以0.8¨m/min的高生长速率直接沉 积了晶粒尺寸为5斗m的多晶Si薄膜,他们预计, 如果采用具有5~10“m晶粒尺寸的多晶Si薄膜制 作太阳电池,其转换效率可达13%一14.5%,因此, 利用太阳级Si衬底设计并制作多晶Si薄膜太阳电
April 2008

效率相对较低,在长时间光照下还会产生较大的
光致衰减效应,使其应用受到一定限制。与上述 两种Si基太阳电池相比,多晶Si薄膜太阳电池因 具有硅原料使用少、制作成本低廉和转换效率较 高的优势,因而具有广阔的发展前景。 依据上述分析人们认识到,采用多晶si薄膜 结构来制作太阳电池将是一个可行的选择。理论和 实验研究都表明,多晶si薄膜电池集晶体Si和 (It—Si:H薄膜电池的优点为一体,即:具有和晶体Si 电池可比较的电池转换效率、类似的光照稳定性和 每瓦使用较少硅料的特点,因此被公认为是高效率 和低能耗的理想光伏器。如果能采用多晶si薄膜 和非晶Si薄膜组成的双层结构,设计具有高转换 效率的多结薄膜太阳能电池并进行低成本的生产, 将会非常有效地缓解si原料供应紧张的局面,推 进太阳电池的进一步发展和应用。因此,如何制作

高效率、低成本和长寿命的多晶Si薄膜太阳电池,
已成为世界科学家共同感兴趣的课题[1。31。 本文以如何提高多晶Si薄膜太阳电池转换效 率的主要工艺措施为主线,介绍了近5年来多晶 Si薄膜太阳电池在材料生长、结构制备和性能参 数方面取得的某些新进展,并对其发展前景进行初 步预测。
1 88肘记rD,加7Ioe如c打口n如Technology V01.45 No.4

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彭英才等:提高多晶si薄膜太阳电池转换效率的途径

池是一条可行途径。其后,G Beaucame等人们进一 步研究了成核密度吼与晶粒尺寸d之间的依赖性, 指出二者近似呈下述关系,即rtx~--d。2,这意味着, 如果获得10斗m的晶粒尺寸,表面成核密度约为
106

实验研究了籽晶层形貌对多晶Si薄膜外延生长的 影响。结果证实,为了增加籽晶层的晶粒尺寸,可 以预先在仅一Si薄膜沉积之前,采用含氮的液体处 理氧化Al层,由这种方法得到的多晶Si晶粒尺寸 可达50斗m,开路电压约为0.5 1.2进行表面钝化 众所周知,表面钝化在改善半导体器件的电学 特性方面起着重要作用。换言之,采取有效的表面 钝化方法,可以显著提高各种半导体器件的电学性 能。对于多晶Si薄膜太阳能电池而言,表面钝化 也是一种不可缺少的工艺步骤。前已说明,存在于 多晶Si薄膜晶粒间界中的悬挂键和缺陷态,会在 晶粒间界处引入缺陷能级。由于它们可以与晶粒之 间发生电荷交换,起着一种有效的复合中心作用, 因而会使多晶Si薄膜的载流子寿命和迁移率大大 降低,从而严重影响薄膜太阳电池的转换效率。为 了有效地对多晶Si薄膜的晶粒间界和薄膜表面进 行钝化,人们做了诸多富有尝试性的探索。目前, 主要有两种方法可用于多晶si薄膜太阳电池的钝 化,一种是在表面生长高质量的介质膜层,使其同 时达到表面钝化和减少表面反射的效果,其中SiM 膜就是一种典型的表面钝化层,另一种是采用原子 H的引入,使其饱和多晶Si薄膜中晶粒间界的悬 挂键等缺陷,通过减少界面复合以达到提高载流子 寿命的目的。 1.2.1利用H等离子体钝化 H等离子体处理可以有效地钝化多晶Si薄膜的 表面和抑制膜层中缺陷的产生,从而进一步改善多 晶Si薄膜太阳电池的光伏性能。H在P型Si中具 有正电荷性质(H+),而在n型Si中具有负电荷性 质(H一),例如,在掺B的P型si样品中,由于等 离子体H+的扩散,可以提供一个带负电荷的电子, 即H---,H*+e一,这使得晶粒边界的钝化对电导率的 增加产生贡献[131。H.Mofikawa等人[141采用区熔再 结晶技术制备了高效率多晶si薄膜太阳电池,并 利用H+注入实现了对薄膜中缺陷进行钝化。结果 证实,与不采用H+钝化相比,太阳电池的转换效率 提高了2%,其值可达13.1%,该太阳电池的开路电 压为5.26 V,短路电流为3.43 A,填充因子为0.695。 最近,K Nishioka等人∞1利用H等离子体对多晶Si 薄膜的晶粒和晶界同时进行钝化,有效地提高了晶 粒中载流子的扩散长度和降低了晶界处载流子的复
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V。
?

cm--2。他们采用HCl气体对SiO:衬底表面进行腐

蚀,获得了(1卅×1ar6 cm.-2的活性成核密度,而后
通过化学气相沉积方法获得了5-10斗m的大晶粒 多晶Si薄膜。更进一步,T.Yamazaki等人[8J利用间 歇式的Sill。源气体供给方式控制成核过程,获得 了3.1~31斗m大尺寸晶粒的多晶Si薄膜,其霍尔 迁移率高达69.9 cm2/V?s,开路电压为O.41 V和短 路电流为14.7
mA/cm2。

1.1.2通过础诱导固相晶化实现大晶粒生长 近年来,采用Al诱导晶化(aluminum
induced

crystallization,ALC)方法,获得了大晶粒多晶Si 薄膜的生长,有效地改善了多晶Si薄膜太阳电池 的光电转换性能。所谓Al诱导晶化,是指首先在 单晶Si表面上形成一个Al诱导晶化生长的籽晶 层,然后采用电子束蒸发或等离子体化学气相沉积 (PECVD)等方法在此籽晶层上沉积Ot—Si层,接着 通过其后的晶化过程,使Al原子从籽晶层中连续 扩散到a—Si层中去,并将该a—Si层由非掺杂层变 为P型基区,最后,再利用P扩散形成n型发射 区,这样就制成了一个单P—n结多晶si薄膜太阳 电池结构,这种方法的一个突出特点是不采用SiH4 气体的化学气相或表面分解。T.Ito等人嘲采用这 种无SiH4气体的工艺方法制备了多晶Si薄膜,其 Si晶粒尺寸可达20 trm,短路电流为6.3 mA,开路 电压为0.64 V,填充因子为0.80和转换效率可达 13%。与此同时,W.Fuhs和&Gall等人[1041]采用Al诱 导晶化工艺,在玻璃衬底上制备了多晶Si薄膜太 阳电池。该太阳电池用两步工艺过程形成:第一步 是利用Al诱导晶化使Ot-Si层形成大尺寸晶粒的多 晶si薄膜,第二步是在低于600 oC温度下,以该 层为基础低温外延生长一个2-3 Ixm厚的光吸收层。 实验发现,其晶粒尺寸随退火温度的增加而减小, 例如,当退火温度从460℃增加到500 oC时,晶粒 尺寸将从8 I.Lm减小到6斗m。为了增加横向电导和 减小反射损耗,可采用ZnO(A1)或ITO作为电极。 在这种工艺条件下,获得了31.58 mA]cm2的短路 电流、0.636 V的开路电压、81%的填充因子和 16.2%的转换效率。前不久,D.V.Gestel等人【121
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彭英才等:提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率的途径

合速度,扩散长度从钝化前的30-35斗m增加到钝 化后的40-45 Ixm。与此同时,复合速度从钝化前 的15
000-20 000

加,从而使太阳电池的开路电压和短路电流等特性 参数大幅度提高啪]。 K.Yamamoto等人[21边1利用PECVD方法在玻 璃衬底上制备了p-i-n多晶Si薄膜太阳电池,其中 的i层是2斗m厚的多晶Si薄膜,它充当着一个 “陷光”作用的有源区,有效地改善了电池的光生载 流子收集特性,获得了开路电压为0.539 V、短路电 流密度为25.8 mA]cm2和本征效率为10.7%的光伏性 能。T.Matsui等人剀利用表面织构的ZnO/Ag/SnOJ 玻璃作为衬底,以SiH。作为反应气体,采用超高 频等离子体化学气相沉积(VHF—PECVD)方法分 别制作了单结和具有P.i.n结构的多晶si薄膜太阳 电池。结果发现,当在n区和p区之间加入一个层 厚为2.5—3 pm的本征多晶si薄膜后,其转换效率 为8.22%,这意味着该太阳电池具有0.517 V的开 路电压、22.4 inA]cm2的短路电流密度和0.71的填充 因子,而单结太阳电池的转换效率仅为7.37%。澳 大利亚新南威尔士大学的A G.Aberlet24l采用Al诱导 晶化离子辅助沉积(ALICIA)方法,在玻璃衬底上 制备了p—i—n结构多晶si薄膜太阳电池,其本征吸 收层厚度为1.5-2斗m。他们预测,如果采用绒面 结构衬底,利用H钝化措施和最佳组合工艺条件, 这种电池的转换效率可超过10%。最近,M.N. Donker等人㈣采用p—i-n结构,实现了开路电压超 过0.6 V的微晶Si(斗c—Si)薄膜太阳电池。该太阳 电池是结合热丝CVD(HW.CVD)和VHF—PECVD 制作的,其i层厚度为1—1.5 I.Lm,由于i层的引 入,提高了电荷载流子的收集效率,致使光伏性能 得以改善,其转换效率可达9.8%。 1.4采用纳米结构 采用多量子阱和量子点等纳米结构作为本征 层,以改善其光生载流子收集效率和光激发特性是 一个可行的选择[26-嚣3。据报道,某些半导体材料的 量子点,在被来自于光谱末端的蓝光和紫外光线等 高能光子轰击时,能释放出两个以上的光子。虽然 目前人们所研制的纳米结构太阳电池的转换效率比 较低,但理论估计,如果进一步调整量子点的界面 特性和改进点与点之间的电子传输过程,那么基于 量子点技术的光伏器件,最高效率可达42%,此 值远高于晶体硅太阳能电池理论上31%的效率。 G.Z.Yue等人陋1以纳米Si薄膜 no.Si:H)为本征 层,制备了仪一Si:Hi/nc—Si:H/nc.Si:H三结太阳电池,
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cm/s减少到钝化后的5

000—

10 000 cm/s。

1.2.2利用Si卜L:H膜层钝化 由SiM:H薄膜的高温快速退火实现的H退火 已由H F.W.Dekkers等人[1司完成。实验发现,当多 晶Si薄膜太阳电池由SiN;:H膜覆盖后,由于H的 钝化作用,其陷阱态密度由钝化前的(0.4—2)×
1015

cm。3减少到钝化后的1013 cm。3,即减少了大约

两个数量级,从而使得电池性能得到明显改善。而 S.Martinuzzi等人[173采用富H的SiM:H薄膜的等离 子体化学气相沉积并经后退火处理,发现少数载流 子扩散长度从H+钝化前的140斗m增加到H+钝化 后的260 Itm,这是由于晶粒边界处的缺陷和位错, 在经H+钝化和退火处理后急剧减少的缘故。 九Slaoui等人[181采用电子自旋共振(ECR)方法将H 引入SiM膜中,形成了富H的SiN,:H高质量钝化 层。由于H原子对SiM层中缺陷的有效钝化,不 仅使其载流子寿命得以提高,而且也进一步减小了 表面反射,因此使开路电压由H等离子体处理前 的0.19 V增加到0.42
V。

高质量的热生长SiO:膜,化学气相沉积的 SiM膜和SiOJSiN;复合介质层,在多晶Si太阳电 池的钝化中获得了成功应用。J.Y.Lee等人[191的研 究证实,当单独采用SiO:膜和SiM膜进行钝化时, 其载流子寿命分别为306斗s和898 Its,而当采用 SiOJSiN,复合层进行钝化时,其载流子寿命可达
1 361

ItS,因此大幅度提高了多晶si薄膜太阳电池

的性能,其开路电压为0.675 V,短路电流密度为
35.1 mA]cm2。

1.3设计p-I-n结构 如前所述,薄膜多晶Si太阳电池可以直接利 用化学气相沉积方法在各种衬底上进行制备,具有 工艺灵活和成本低廉的优点。然而,由于单p-n结 的膜层较薄,所以对阳光中的红外光吸收特性较 差,尤其是对于间接带隙的Si材料而言更是如此。 为了克服这一不足,人们发展了各种方法增加光吸 收,借以改善多晶Si薄膜的光伏特性,其中,采 用p-i-n结构就是一种行之有效的方法。在这种结 构中,由于i层的加入,可以显著提高p-n界面电 荷载流子的收集效率,并使其有效迁移率进一步增
1 90 Micronanoelectronic Technology V01.45 No.4

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彭英才等:提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率的途径

由于这样的电池结构把不同禁带宽度的材料有效地 组合在一起,提高了电池的光谱响应范围,同时又 减少了电池的光致衰退效应,从而使其具有较高的 转换效率(13.2%)和较低的输出功率衰减特性。 L.Raniero等人m1以rle—Si:H为本征层制作了纳米 结构太阳能电池,获得了0.95 V的开路电压、
14.96







多晶Si薄膜太阳电池的优异光伏特性,有可 能使其在未来的新能源产业竞争中占据重要的一席 之地。不过,若使其真正进入商业化应用,仍有诸 多问题需要解决。为了增加多晶Si薄膜材料对太 阳光的吸收效率,除了采用常规的腐蚀工艺制作各 种绒面结构以外,尝试采用不同结构形式或不同材 料类型的减反射膜层技术应当受到足够的重视,如 采用双层减反射膜、多层减反射膜或具有渐变折射 率的减反射膜等,通常采用的减反射膜包括TiO:、 SiN。:H、SiO:以及它们的复合层。另外,电池结构 的改善对高转换效率多晶si薄膜太阳电池的制作 也是一个不容忽视的问题,因为太阳电池的输出取 决于它所能够吸收的光子数量、有源区产生的光生 载流子数量以及可到达电极处的光生载流子数量, 因此电池结构的设计需要统筹考虑上述各种因素。 通常所采用的透明导电膜层为ZnO、Sn02以及ITO 等,其中,由于ZnO的成本低,制备时不需较高 工艺温度,因而在太阳电池的应用中比SnO:和 ITO更具有吸引力。 我国的太阳能资源十分丰富,1971--2000年, 太阳年总辐照量平均在l
l 050 050—2 450

mA/cm2的短路电流密度、0.67的填充因子

和9.52%的转换效率。而B.Z.Tian等人p”采用同轴 p-i.n硅纳米线结构作为有源区制作了太阳能电池, 实现了0.26 V的开路电压,0.503 nA的短路电流和 0.55的填充因子,其最大输出功率为72 pW。 1.5选择不同衬底 除了上述几种工艺措施之外,衬底材料的选择 对于改善多晶Si薄膜太阳电池性能也是十分重要 的,合适的衬底材料可以使电池获得低制造成本和 良好的化学与机械稳定性、降低表面沾污和热膨胀 系数匹配等优势。除了太阳级Si衬底之外,蓝宝 石、陶瓷、高温玻璃、A1203、SiM、SiAlON以及 3A1203-2SIO:等,原则上都可以用于制作多晶Si薄 膜太阳电池的衬底材料。 A.Slaoui等人[32-33]采用3AhOr2Si02作为衬底, 采用快速热化学气相沉积(RTCVD)工艺,以 5斗m/min的生长速率制备了晶粒尺寸为5仙m和层 厚为20斗m的多晶si薄膜。以该多晶Si膜为有源

kW?h/m2,大于

kW?h/m2的地区占国土面积的96%以上。中

国陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于1.7万亿 吨标准煤f371,从全国来看,绝大多数地区年平均日 辐射量超过4 kW?h/m2,西藏最高达7 kW?h/m2, 与同纬度的其他国家相比,和美国类似,比欧洲、 日本优越得多。 我国的光伏发电应用始于20世纪70年代,开 始时主要用于空间技术,而后逐渐扩大到地面并形 成了中国的光伏产业。在“六五”(198l—1985) 和“七五”

区制作的太阳电池,其短路电流密度为26.1

mA/cm2,

最好的转换效率为8.2%。L Gamel等人[343在陶瓷衬 底上,利用PECVD工艺制备了多晶Si薄膜太阳电 池,其开路电压高达0.52 V,这表明高转换效率的 多晶Si薄膜太阳电池可以由陶瓷一类衬底实现。 D.Arai等人[351以低成本TCO(Sn02:F)为衬底,制 备了玻璃/Sn02:F/ct—SiC:H(P)/(仅一Si:H(i)/nc—Si:H (i))Dlet—Si:H(n)/XnO/Ag结构太阳电池,获得了 7.39%的稳定转换效率。在这种结构中,本征的 nc—Si:H薄膜起着主要载流子吸收层的重要作用。 除了采用不同衬底材料之外,通过化学气相刻蚀 (CVE)对si表面进行处理,形成通常人们所说的 “绒面结构”,可以增强对太阳光的吸收,这是一条 提高太阳电池转换效率的有效途径。M.B.Rabha 等人[矧利用这种方法制备了多晶Si薄膜太阳电池,

(1986--1990)期间,国家开始对光伏

工业和光伏市场的发展给以支持,中央和地方政府 在光伏领域投入了一定资金,使得我国十分弱小的 太阳电池工业得到了巩固,并在许多应用领域建立 了示范,如微波中继站、部队通信系统、水闸和石 油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型 户用系统和村庄供电系统等。党的十六大确立了 “利用可再生资源,走可持续发展道路”的方针, 将可再生能源的发展列为国策之一。2006年初, 国家又出台了《可再生能源法》,极大地促进了光
微纳电子技术第45卷第4期191

其转换效率为9.2%,而不采用绒面表面结构制作
的太阳电池,其转换效率仅为7.7%。
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彭英才等:提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率的途径
seed layer morphdogy
silicon solar

伏发电在我国的开发和利用。 截至目前,中国可再生能源计划和国家送电到 乡工程,已利用光伏发电为我国内蒙古、甘肃、新 疆、西藏、青海和四川等地共16万无电户解决了 用电问题,累计总投资达到40多亿元人民币之多。 在全球能源形势紧张、全球气候变暖严重威胁经济 发展和人们生活健康的今天,再加上良好的政策环 境、行业本身的特性,我们有理由相信,光伏发电 产业在我国必将会有广阔的市场前景。 参考文献:
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(下转第197页)
April 2008

万   方数据

?

赵守磊等:小尺寸超高频双极晶体管工艺及特性模拟
【3】CAMPBELL S九The

关系,由该曲线可知当电流增益为1时,其工作频 率(即特征频率)约为15 GHz。比较图6和图7,

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and engineering 0f

micreeleetronie

fabrication【M】.2nd ed.北京:电子工业出版社,2003:439—
470,488-513.

矗和厶的仿真结果也体现出当器件特征尺寸极小
时,因基区电阻、发射极引线电感及集电结电容的 增大会使振荡频率有所降低。综合图5—8所得到 的模拟结果可见,该双极性器件管芯参数达到了设 计指标,具有良好的频率特性及电流增益特性。

【4】于英霞,李惠军,侯志刚,等.新一代纳米级集成工艺仿真工 具-ScnTaurus Process[J].微纳电子技术,2007,44(5):231—
234.245.

【5】张宪敏。李惠军,侯志刚。等.新一代纳米级器件物理特性仿 真工具.SenTaurus Device Lt].微纳电子技术,2007,44(6):
299—304.






作者简介: 赵守磊(1985一),男,山东潍坊人, 研究生,研究方向为ASIC(专用集成电路) 及U【SI(超大规模集成电路)SOC(片上 系统)芯片的一体化设计、仿真与优化;

本文的核心部分是使用超大规模集成电路 SOC一体化底层仿真工具,基于BiCMOS工艺构架 实现了小尺寸高频双极性晶体管管芯的工艺制程及 器件物理特性的模拟。一体化模拟结果显示,该款 小尺寸高频双极性器件的结构设计是合理的。工艺 制程级及器件物理特性级TCAD优化、验证及仿真 结果表明,设计方案达到了基区宽度、特征频率及 电流增益等综合参数的设计指标要求,在满足频率

李惠军(1952一),男,山东潍坊人, 教授,主要研究方向为超大规模集成电路制 造工艺技术的研究.超大规模集成电路 SOC芯片的一体化设计、仿真与优化,曾获 山东省教委、山东省科委科技进步一等奖、 二等奖各一项。山东省省级教学成果一等 奖、二等奖各一项,主编或编著著作五部。

参数的要求前提下获得了较高的电流增益届值。
参考文献:
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2003:15-111.

【2】施敏.半导体器件物理与工艺【M】.第二版.苏州:苏州大学出 版社,2002:127—146,480-502.

-■—?+—_.——+呻—?●一-+—..—+—■一-+-+-—卜啼—卜—+-+—..——..—?+—..—-■—-■—-—卜_—卜_—●——+——+——_.—?叫—-—卜——+——+——+—?_.—?-.——-.—?_.——_.—-—卜咐—卜_—卜——卜_—卜_—卜——?●一
(上接第192页)

【28】PRE钮NG H.Enhanced
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and

so.

crystalline above 500

silicon solar cells

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ceramic鄙lbsh丑I%with



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defects by TCO
nanostructure

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silicon solar cell using low-co武

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0f the chemical vapor-etchin8 in polycrystalline

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silicon solar cells
on

作者简介: 彭英才(1948一),男,河北曲阳人, 教授,博士生导师,主要研究方向为半导 体与微电子技术,目前主要从事半导体薄 膜材料物理与技术领域的研究工作,已发 表学术论文150余篇。

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a1.Thin-film

poly.

2008生4 11

微纳电子技术第45卷第4期197

万   方数据

提高多晶Si薄膜太阳电池转换效率的途径
作者: 作者单位: 彭英才, 姚国晓, 马蕾, 王侠, Peng Yingcai, Yao Guoxiao, Ma Lei, Wang Xia 彭英才,Peng Yingcai(河北大学电子信息工程学院,河北,保定,071002;中国科学院半导体研 究所半导体材料科学重点实验室,北京,100083), 姚国晓,Yao Guoxiao(中国天威英利新能 源有限公司,河北,保定,071051), 马蕾,王侠,Ma Lei,Wang Xia(河北大学电子信息工程学 院,河北,保定,071002) 微纳电子技术 MICRONANOELECTRONIC TECHNOLOGY 2008,45(4) 5次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(37条) 1.GORDON I.NIEUWENHUYSEN K V.CARNEL L Development of interdigitated solar cell and module processes for polycrystalline-silicon thin films 2006 2.KURBOE K.ISHIKAWA Y.YANAMOTO Y Effects of grain boundaries in pelycrystalline silicon thin-film solar cell based on the two-dimensional model 2001(01) 3.CHRISTOFFEL E.RUSU M.ZERGA A A two-dimensional modeling of the fine-pained polycrystalline silicon thin-film solar cells 2002 4.GROZDANIC D.MILAT O.RAKVIN B Grain boundary defects in RTCVD polycrystalline silicon for solar cell 2001(2-4) 5.PUGLISHI R A.TANABE H.CHEN C M Large-grained polycrystalline Si films obtained by selective nucleation and solid phase epitaxy 2000(01) 6.FUYUKI T Research status in thin-film crystalline Si solar cell 2001(06) 7.BEAUCARNE G.BOURDAIS S.SLAOUI A Thin-film polysilicon soar cell on foreign substrates using direct thermal CVD:material and solar cell design 2002 8.YAMAZAKI T.URAOKA Y.FUYUKI T Large grain polycrystalline Si thin films by nucleation-controlled chemical vapor deposition using intermittent source gas supply 2005(1-2) 9.ITO T.FUKDSHIMA H.YAMAGUCHI M Efficiency potential of thin film polycrystalline silicon solar cells by silane-gas-free process using aluminum-induced-crystallization 2004(01) 10.FUHS W.GALL S.RAN B A novel route to a polycrys-.talline silicon thin-film solar cell 2004(06) 11.GALL S.SCHNEIDER J.KLENI J Large-grained polycrystalline silicon on glass for thin-film solar cells 2006 12.GESTEL D V.GORDON J.GARNEL L Influence of 192 Micronanoelectronic Technology Vol.45 No.4seed layer morphology on the epitaxial growth of polycrystallinesilicon solar cell 2006 13.DARWICHE S.NIKRAVECI'I M.MORVAN D Effects of hydrogen plasma on passivation and generation of defects in multicrystalline silicon 2007(2-3) 14.MORIKAWA H.KAWAMA Y.MATSUNO Y Development of high-efficiency thin-film Si solar cells using zonemelting recrystallization 2001(01) 15.NISHIORA K.YAGI T.URAOKA Y Effect of hydrogen plasma treatment on grain boundaries in polycrystalline silicon solar cell evaluated by laser-beam-induced current 2007(01) 16.DEKKERS H F W.CARNEL L.BEAUCARNE G Cartier trap passivation in muhicrystalline Si solar cells by

hydrogen from SiNx:H layer 2006(01) 17.MARTINUZZI S.PERICHAND I.WARCHOL F Hydrogen passivation of defects in muhicrystalline silicon solar cells 2003(03) 18.SLAOUI A.PIHAN E.KA I Passivation and etching of fine-grained polycrystalline silicon films by hydrogen treatment 2006(14) 19.LEE J Y.GLUNZ S W Investigation of various surface passivation schemes for silicon solar cell 2006(01) 20.BUDIANU E.PURICA M.MANEA E Optical improved structure of pelycrystalline silicon-based thin-film solar cell 2002(01) 21.YAMAMOTO K.YOSHIMI M.TAWADA Y Thin film Si solar cell fabricated at low temperature 2000 22.YAMAMOTO K.NAKAJIMA A.YOSHIMI M A high efficiency thin film silicon solar cell and module 2004(06) 23.MATSUI T.TSUKIJI M.SAIKA H Influence of substrate texture on microstructuro and photovoltaic performances of thin film polycrystalline silicon solar cells 2002 24.ABERLE A G Progress with Polycrystalline silicon thin-film solar cell on glass at UNSW 2006(02) 25.DONKER M N.KLEIN S.RECH B Microcrystalline silicon solar cells with an opon-cireuit voltage above 600 mV 2007(18) 26.TORRE J D.BREMOND G.LEMIFI M Using silicon nanostructures for the improvement of silicon solar cells efficiency 2006 27.MAZZER M.BARNHAM K W J.BALLARD I M Progress in quantum well solar cells 2006 28.PRESTING H Enhanced performance of infrared detectomand solar cells nanostructares 2004 29.YUE G Z.YAN B J.GANGULY G Material structure and metastability of hydrogenated nanocrystalline silicon solar coils 2006(26) 30.RANIERO L.FERREIRA I.PEREIRA L Study of nanos tructred silicon by hydrogen evolution and its apphcafion in p-i-n solar cells 2006(9-20) 31.TIANBZ.ZHENGXL.KEMPATJ Coaxialsiliconnanowires as solar cells and nanoelectronic power sources 2007 32.SIAOUI A.BOURDAIS S.BEAUCARNE G Polycrystalline silicon solar ceHs on mullite substrate 2002(02) 33.SLAOUI A.PIHAN E.FOCSA A Thin-film silicon solar ceils on muUite substmtes 2006(10) 34.CARNEL L.GORDON I.GESTEL D V Thin-film polycrystalline silicon solar cells on ceramic Substrates with a Voc above 500 mV 2006 35.ARM D.KONDO M.MATSUDA A Reduction of light-induced defects by nanostructure tailored silicon solar cell using low-cost TCO substratea 2006(18-19) 36.RABHA M B.SAADOUN M.BOUJMIL M F Application of the chemical vapor-etching in pelycrystslline silicon solar cells 2005(02) 37.李俊峰 中国光伏发电市场评价 1999

相似文献(9条)

1.期刊论文 马蕾.张雷.王侠.彭英才.MA Lei.ZHANG Lei.WANG Xia.PENG Ying-cai 不同衬底表面上大晶粒多晶 Si薄膜的制备 -人工晶体学报2008,37(6)
利用高频感应加热化学气相沉积(HFCVD)工艺,以H2稀释的SiH4作为反应气体源,分别在n-(111)Si衬底上常规热生长的SiO2层、织构的SiO2层和纳米 晶粒多晶Si薄膜表面上,制备了具有均匀分布的大晶粒多晶Si膜.采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等检测手段,测量和分析了沉积膜层的表面 形貌、晶粒尺寸、密度分布与择优取向等结构特征.结果表明,多晶Si膜中Si晶粒的尺寸大小和密度分布不仅与衬底温度、SiH4浓度与反应气压等工艺参 数有关,而且强烈依赖于衬底的表面状态.本实验获得的最好的薄膜中,Si晶粒平均尺寸约为2.3 μm,密度分布约为3.8×107/cm2.对薄膜的沉积机理分析 表明,衬底表面上Si原子基团的吸附、迁移、成核与融合等热力学过程支配着大晶粒多晶Si膜的生长.

2.期刊论文 彭英才.马蕾.康建波.范志东.简红彬.PENG Ying-cai.MA Lei.KANG Jian-bo.FAN Zhi-dong.JIAN Hong-bin 纳米晶粒多晶Si薄膜的低压化学气相沉积 -人工晶体学报2006,35(3)
利用低压化学气相沉积(LPCVD)方法,以充Ar的SiH4作为反应气体源,在覆盖有热生长SiO2层的p-(100)Si衬底上制备了具有均匀分布的纳米晶粒多晶 Si膜(nc-poly-Si).采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼谱等检测手段,测量和分析了沉积膜层的表面形貌、晶粒尺寸与密度分布等结 构特征.结果表明,nc-poly-v膜中Si晶粒的尺寸大小和密度分布强烈依赖于衬底温度、SiH4浓度与反应气压等工艺参数.典型实验条件下生长的Si纳米晶 粒形状为半球状,晶粒尺寸约为40nm,密度分布约为4.0×1010cm-2和膜层厚度约为200nm.膜层的沉积机理分析指出,衬底表面上Si原子基团的吸附、迁移 、成核与融合等热力学过程支配着nc-poly-Si膜的生长.

3.期刊论文 王侠.张雷.马蕾.彭英才.Wang Xia.Zhang Lei.Ma Lei.Peng Yingcai 钝化处理在消除多晶Si薄膜缺陷 中的应用 -微纳电子技术2008,45(7)
介绍了消除多晶Si太阳电池薄膜中缺陷的各种钝化方法,主要包括利用氢等离子体、SiNx:H薄膜、Se单原子层、二元(Al2O3)x(TiO2)1-x合金、 SiO2/Si/SiO2量子阱以及湿法化学反应所实现的对缺陷进行有效钝化处理等方法;基于本研究领域的最新进展,对各种方法的优缺点进行了分析归纳.指出 H钝化可获得较好的钝化效果,但在后续热处理过程中,Si-H键会由于温度过高而断裂,致使氢离子离开表面而使钝化效果变差;SiNx:H氮化物薄膜可以有效 阻挡氢的外扩散,保持钝化效果的稳定性,还可以起到对光的减反射作用.研制具有较低的光反射率、非平衡载流子的高收集效率以及低界面态密度的薄膜 和提高薄膜的机械强度是当前科学工作者应该关注的课题.

4.学位论文 张雷 大晶粒多晶Si薄膜的制备与结构表征 2008
多晶Si薄膜太阳电池研究引起了人们的广泛关注,而采用大晶粒多晶Si薄膜是提高其能量转换效率的一条可行途径。本工作采用低压化学气相沉积 (LPCVD)和高频感应加热化学气相沉积(HFCVD)工艺,在SiO2表面上成功地制备了大晶粒多晶Si薄膜。利用a台阶仪和扫描电子显微镜(SEM)研究了衬底温 度、反应气体压强和硅烷(SiH4)浓度等工艺参数对大晶粒多晶Si薄膜的生长速率和晶粒尺寸的影响,获得了制备最大晶粒薄膜的典型实验条件,其晶粒 平均尺寸为1.2~2μm。对薄膜进行了后扩散掺杂,并实验研究了掺杂时间、掺杂温度和退火温度对薄膜方块电阻的影响。实验证实,退火温度对于提高 薄膜的电学特性至关重要。当退火温度为900℃时,薄膜的方块电阻值为121Ω/□;而当退火温度升高到1100℃时,薄膜的方块电阻下降到38Ω/□,这 是因为在较高的温度下有更多的杂质原子被激活的缘故。

5.会议论文 贺德衍.罗靖.程文娟 多晶Si薄膜的低温生长及其表面反应的控制 2000
本文报道有反应气体SiF<,4>和H<,2>的微波等离子体化学气相沉积法低温(360℃)生长多晶Si(poly-Si)薄膜及其生长表面反应控制.实验发现,生长 压力对晶粒的结晶取向有很大影响.改变SiF<,4>与H<,2>的流量比以选择等离子体中的活性集团,并结合外加偏压抑制带电粒子对薄膜生长表面的轰击是 控制生长表面反应、制备高质量poly-Si薄膜的有效方法.用这种方法制备了H含量低达~1.0at.﹪、拉曼特征峰半高宽仅为~4.4cm<'-1>的poly-Si薄膜.

6.期刊论文 贺德衍.罗靖.程文娟 多晶Si薄膜的低温生长及其表面反应的控制 -材料科学与工程2000,18(z2)
本文报道用反应气体SiF4和H2的微波等离子体化学气相沉积法低温(360℃)生长多晶Si(poly-Si)薄膜及其生长表面反应控制.实验发现,生长压力对 晶粒的结晶取向有很大影响.改变SiF4与H2的流量比以选择等离子体中的活性集团,并结合外加偏压抑制带电粒子对薄膜生长表面的轰击是控制生长表面 反应、制备高质量poly-Si薄膜的有效方法.用这种方法制备了H含量低达~1.0at.%、拉曼特征峰半高宽仅为~4.4 cm-1的poly-Si薄膜.

7.期刊论文 彭英才.康建波.马蕾.张雷.王侠.范志东.PENG Ying-cai.KANG Jian-bo.MA Lei.ZHANG Lei.WANG Xia. FAN Zhi-dong 掺硼纳米晶粒多晶Si薄膜的结构特征与电学特性 -人工晶体学报2008,37(2)
采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺,以SiH4作为反应气体源和B2H6作为硼(B)掺杂剂,在单晶Si或石英表面上,通过原位掺杂制备了掺B的纳米晶粒多 晶Si(nc-poly-Si(B))薄膜.利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等手段,检测和分析了沉积膜层的表面形貌、晶粒尺寸和密度分布 等结构特征.结果表明,在典型工艺条件下,获得了晶粒尺寸为大约15 nm和密度分布为大约9 × 1010cm-2的nc-poly-Si(B)薄膜.样品经退火处理后,Si晶 粒尺寸变大,排列更加有序,而且电导特性明显改善.利用常规四探针法测量了样品的薄层电阻.并讨论了B掺杂浓度和退火温度对薄膜电学性质的影响.

8.期刊论文 崔洪涛.吴爱民.秦福文.谭毅.闻立时.姜辛.Cui Hongtao.Wu Aimin.Qin Fuwen.Tan Yi.Wen Lishi. Jiang Xin 升级冶金级Si衬底上ECR-PECVD沉积多晶Si薄膜 -半导体技术2008,33(2)
成功地应用电子回旋共振微波等离子体增强化学气相沉积(ECR-PECVD)法在升级冶国家重点实验室,辽宁大连 116024;2.锡根大学材料工程研究所,德 国锡根 57076)金级Si衬底上175℃低温条件下沉积了一层优质多晶Si薄膜.研究了压强、流量比对多晶Si薄膜质量的影响,并用Raman、RHEED、SEM、 XRD对薄膜结晶性、晶粒大小及显微组织结构进行了表征.发现在恒定气压下,结晶质量随流量比增大先变好后变差,即存在最佳流量比,0.16Pa对应 10:5,而0.4 Pa对应10:6.8.

9.学位论文 段鹏 金属Ni诱导非晶Si、SiGe薄膜结晶研究 2004
低温制备的多晶Si、SiGe薄膜在大面积电子器件中具有广阔的应用前景,由于其与非晶Si、SiGe薄膜材料相比具有更高的载流子迁移率,尤其适用于 平面显示的薄膜晶体管(Thin film transistor)以及三维集成电路(Three Dimension Device)领域中.目前常用的几种获得多晶薄膜的方法包括:低压化 学气相沉积、固相结晶、准分子激光晶化等.其中,由于固相结晶具有方法简单、大面积性能好以及与半导体工艺相兼容的特点而获得广泛的研究.但固相 结晶所要求较高的处理温度和较长的退火时间,限制了该技术在集成电路中的应用.该文以一种低温的结晶方法:金属诱导结晶为研究对象,对金属Ni诱导 非晶Si、SiGe薄膜的规律和机理进行了深入的研究.该文首先对金属Ni与非晶SiGe薄膜的固相反应规律进行了研究.在对金属诱导非晶SiGe薄膜结晶规律 的研究中,我们首先比较了几种不同的金属的诱导结晶能力,从中选择出金属Ni做为研究的对象.研究表明发现降低退火氛围中的氧含量、增加退火时间、 在高纯N<,2>保护下进行RTA处理等方法可以提高非晶SiGe薄膜的结晶程度;结合AES测试结果,我们通过热力学理论对金属Ni诱导非晶SiGe薄膜结晶过程进 行了描述,并对结晶机理做了探讨.实验中我们发现在金属Ni诱导非晶SiGe薄膜结晶对退火氛围中的氧很敏感,在样品上增加对氧有明显吸附作用的Ti覆盖 层可以减小氧对金属Ni诱导非晶SiGe薄膜结晶的影响.此外,在样品表面增加结构致密的TiN覆盖层也可以在一定程度上减小氧的这种负面作用.在金属 Ni诱导非晶Si薄膜结晶中,Ti覆盖层表现出增强多晶Si薄膜(220)晶格取向的作用.对比有Ti覆盖层样品和无Ti覆盖层样品的TEM表明有Ti覆盖层样品的结 晶速率更快,而且样品中有针状大晶粒出现.在对金属Ni诱导非晶Si薄膜横向结晶研究中,通过对比不同光刻工艺制备样品的结晶性能,对制备工艺进行了 优化.并通过SEM、RAMAN的测试方法对横向结晶区域与纵向结晶区域进行了比较.

引证文献(5条)

1.彭英才.Seiichi Miyazaki.徐骏 TiO2纳米结构在染料敏化太阳电池中的应用[期刊论文]-真空科学与技术学报 2009(4) 2.吴正军.顾晓峰 陷阱分布模型对非晶Si太阳电池性能的影响[期刊论文]-微纳电子技术 2009(7) 3.马蕾.张雷.王侠.彭英才 不同衬底表面上大晶粒多晶Si薄膜的制备[期刊论文]-人工晶体学报 2008(6) 4.何宇亮.丁建宁.彭英才.高晓妮 对硅薄膜型太阳电池的一些思考[期刊论文]-物理 2008(12) 5.吴正军.梁海莲.顾晓峰 选择性发射极参数对太阳电池光电特性的影响[期刊论文]-微纳电子技术 2010(4)

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转换为电能,被认 为是最有效的利用太阳能的方式。...多晶 Si) 、薄膜电池、化学太阳能电池、多元化合物...增加了 光的吸收, 提高了电池的短路电流和转换效率...
多晶硅太阳能电池
多晶硅薄膜太阳能电池 (西安建筑科技大学材料 0802) ...and various processes of poly-Si thin-film solar...在 AM1.5、100mW/cm2条件下,电池转换效率 为η=...
薄膜太阳能电池可行性研究报告
Al-Si 溶体低温制备太阳能级硅;熔盐电解 法等....晶电池转化效率高.薄膜 太阳能电池的转化效率之提升...是提高多晶硅光电池稳定性和转换效率的重要途径,可更...
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