[发明专利]一种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于第三代太阳能电池技术领域，尤其涉及一种自组装形成尺寸可控的嵌入在非晶介质中硅纳米晶薄膜的制备方法，属于太阳能电池及纳米材料应用技术领域。

背景技术

光伏太阳能电池是当今乃至以后非常重要的能源产业。第三代太阳能电池是新型的纳米结构电池，其目标是在第二代薄膜太阳能电池的基础上缩减成本并显著提高光伏器件的光电转换效率。硅纳米晶太阳能电池是第三代太阳能电池的代表，硅纳米晶镶嵌于非晶硅化物中组成两相体系。与非晶硅相比其电子迁移率高且性能稳定。通过尺寸控制可有效调制光学带隙大小，光吸收性能优于多晶硅。

目前，硅纳米晶的制备方法可以分为“自上而下”和“自下而上”两种。“自上而下”是指将块体材料分解细化得到纳米材料。硅纳米颗粒可采用物理刻蚀和电化学刻蚀两种方法制备。“自下而上”是指基于原子级重构获得硅纳米颗粒。可通过离子注入、PECVD和磁控溅射等方法制备富硅的硅化物非晶薄膜，并经后续退火处理，引发局部相分离，硅团簇在介质层中结晶形核长大而形成。通常利用PECVD或共溅射方法制备富硅的硅化物非晶薄膜，经过退火处理获得镶嵌于非晶基质中的硅纳米晶，尺寸随硅含量增加而增大，遵循奥斯特瓦尔德生长规律，多为球形，具有一定的尺寸分布。其不足之处是纳米晶随机分布，这就使得纳米晶均匀尺寸分布的可控性受到某种程度的限制。就目前国际和国内对叠层太阳能电池的研究以及我们前期对嵌入式硅量子点薄膜材料的研究，可以发现，SiO₂（Si₃N₄或者SiC）非晶势垒是影响硅纳米晶尺寸变化的关键因素之一，如果形成SiO₂（Si₃N₄或者SiC）非晶势垒和硅纳米晶交替的层状结构不仅可以控制晶粒的尺寸和形状，还对其结晶取向有影响作用，得到的PL发光峰非常窄。因此，超晶格多层结构制备特定密度和尺寸的自组装硅纳米晶材料的开发用具有重大的意义，在光伏器件方面的具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服非晶富硅化合物相析出硅纳米晶的随机性，提供一种由自组装方式形成非晶相包覆的硅纳米晶，其结晶取向以及形状、尺寸、密度可控的硅纳米晶薄膜制备方法。该方法制备的薄膜材料为低势垒碳化硅/硅纳米晶多层结构，其光吸收覆盖紫外到可见光范围、载流子迁移率高、结构稳定性良好。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法，该方法包括下述步骤：

1）选用玻璃或者单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；

2）Ar气作为溅射气氛，在对基体施加偏压的条件下，采用射频和直流电源分别对硅靶和碳靶进行磁控共溅射，在玻璃或者硅基体上交替沉积非晶硅/碳超晶格结构多层薄膜；

3）镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测；

4）在氮气下分阶段进行退火处理；

5）进行微观结构和性能检测。

进一步地，所述步骤1）中，衬底厚度为500～520um，依次经过表面活性剂、去离子水、丙酮、无水乙醇各超声清洗15-20min。

进一步地，所述表面活性剂为椰油酸单乙醇酰胺（CMEA）或椰油酸二乙醇酰胺。

进一步地，所述硅靶和碳靶尺寸规格为φ50.4mm×3mm，纯度为99.99%；背底真空为8.2×10^-8mbar。

进一步地，所述射频电源功率控制在100W，直流电源控制在100W；溅射速率为0.6～1.5nm/min。

进一步地，所述步骤2）中，交替沉积是首先在基片上沉积一层碳，厚度为10nm，其次一层硅一层碳交替沉积为多层超晶格薄膜，其中，碳层厚度保持为10nm，改变硅层厚度，使硅层厚度/碳层厚度比在0.5-3之间变化。

进一步地，所述步骤2）中，进行磁控共溅射的同时对基体施加80V的负偏压。

进一步地，所述步骤4）中，氮气下分阶段进行退火处理，首先从室温以25-30℃/min的升温速率升温至900-1000℃，保温20min；再以25-30℃/min的升温速率升温至1100-1150℃，保温1h，最后以相同速率降温至室温。

进一步地，所述步骤4）中，退火气氛为离化的氮原子气氛，气压为0.25～0.32MPa。

进一步地，所述步骤4）中，在玻璃或者硅基体上交替沉积非晶硅/碳超晶格结构多层薄膜经氮气下分阶段退火处理形成α-SiC/nc-Si多层球形、条状或砖块状结构薄膜。

本发明的有益效果如下：