文摘
生产大粒度的多晶硅玻璃基板上(文章)薄膜涂有导电层必不可少的制造硅薄膜太阳能电池效率高和低成本。我们研究了导电底层的选择如何影响文章层上形成了低温(500°C) Al-induced结晶(AIC)。结果文章层的晶体取向强烈依赖于下层材料:(100)是首选Al-doped-ZnO(偶氮)和碳管分散(ITO);(111)对锡是首选。这个结果表明如果不同类地在底层有核。文章层的平均晶粒尺寸达到近20µm偶氮和ITO样品和不少于60µ米的锡样品。因此,正确选AIC的衬层材料是至关重要的,并允许大粒度的Si电影与一组在低温下形成的晶体取向。这些高度面向Si层与大颗粒出现承诺用作种子层硅光吸收层以及先进功能材料。
1。介绍
高质量的水晶玻璃如果被广泛用于研究低成本薄膜太阳能电池和高转换效率(1,2]。在多晶硅薄膜(文章),如果其晶粒尺寸比细胞厚度足够大(~ 10μ米),文章的细胞可以方法单晶硅晶片的效率(2,3]。此外,控制文章薄膜的晶体取向对形成一个有效的防反射结构[至关重要4)以及生产外延种子,用作高级功能材料(起始原料5)或纳米线对齐6]。
形成多晶半导体玻璃,aluminum-induced结晶(AIC)是一种可能的技术(已获得了高度的关注7,8]。在这种技术中,一个非晶硅(硅)层的铝层转化为结晶相Al和Si层之间通过交换在低温退火(425 - 500°C) (9- - - - - -11]。此外,对外可以增长》(100)——或(111)的文章(电影大谷物(直径为10 - 100μ通过控制初始铝厚度(米)11),Al和Si(之间的界面12,生长温度(13,14]。AIC-Si正在研究作为homoepitaxial种子层生长的硅光吸收层获得高效薄膜太阳能电池(2,15,16]。
测量其光电性能,AIC-Si玻璃衬底上涂有导电层应该开发(17]。有两种方法:倒AIC (14,18)和AIC导电层(19]。这两种技术生产的文章与大颗粒(10 - 50μ米)在导电层。然而,它仍然是不确定如何导电层AIC-Si晶体质量的影响。最近我们发现AIC-Ge取决于材料的晶体质量联系通用电气(20.,21]。在目前的研究中,我们准备了各种导电层玻璃,AIC-Si层他们长大,这AIC-Si层的晶体质量调查。我们发现下层的晶体取向和晶粒尺寸显著影响文章的电影,展示的重要性,选择一个合适的导电层。
2。实验
薄膜是准备使用射频(RF)磁控溅射(常玉原籍电子svc - 700 - RF)的基于“增大化现实”技术的溅射压力0.2 Pa和射频功率100 W。Al-doped-zinc-oxide(偶氮2O3:2%),碳管分散(ITO SnO2:10%),氮化钛层(锡),每一个300纳米厚,准备在SiO 1×1厘米20.6毫米厚玻璃基板(谷内化学公司)。沉积速率是24海里min−1偶氮,28 nm min−1伊藤,3.8 nm min−1锡。在沉积之前,基板与丙酮清洗,甲醇和蒸馏水按顺序。相比之下,我们也在光秃秃的SiO沉积2衬底。在沉积过程中,衬底温度保持在300°C的偶氮和伊藤和锡在室温(RT)。沉淀衬层后,100 nm厚的半岛和100 nm厚的硅层在RT,准备15海里的沉积速率最小−1Si和23海里min−1艾尔。Al和Si沉积之间的周期,48 h的铝层被暴露在空气中形成本地膜,限制硅和铝的扩散。最后,样品退火在N2在500°C 5 h诱导层Al和Si层之间的交换。
3所示。结果
数据1(一)- - - - - -1 (c)显示预期的结晶阶段图表示例偶氮下层,与相应的显微图。显微图显示,硅原子扩散到铝层,横向生长,覆盖整个地区在退火。这一层交换的详细机制已经在先前的研究调查了AIC (9- - - - - -11]。我们发现类似的增长形态和样品ITO,锡、SiO2下层。
(一)
(b)
(c)
样品的横截面结构与偶氮下层是评估使用透射电子显微镜(TEM)和能量色散x射线能谱(EDX)。数据2(一个)和2 (c)显示低放大率TEM图像退火前后,分别揭示统一层压板结构。数据2 (b)和2 (d)显示EDX地图获得在同一位置数据2(一个)和2 (c),分别。这些EDX地图显示,Al和Si层之间的一层交换发生在退火过程中,偶氮导致Si堆栈。的硅和铝层之间的膜不明确检测,因为它是薄(~ 1海里)[7,12]。TEM图像放大图2 (e)没有混乱或Si堆积层错层,所以AIC技术可以用来形成一个高质量的硅层上的导电层以及裸玻璃衬底(11,13]。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
去除铝层和氧化层后,文章的晶体取向层特征使用电子背散射衍射(EBSD)。在此之前,铝和氧化层在文章层蚀刻使用一个高频的解决方案(高频:1.5%)1分钟。数据3(一)-3(d)显示正常方向EBSD图像(ND) SiO文章层次2偶氮,伊藤和锡下层。钕中晶体取向的强烈依赖于下层材料:数字3(一)和3(d)指示SiO优惠(111)取向2和锡样品,而数字3(b)和3(c)显示优惠(100)取向的偶氮和ITO样本。数据3(e) -3(h)显示EBSD图像横向(TD)获得在同一位置数据3(一)-3分别(d)。黑色实线表示随机晶界,基于EBSD分析。所有的样品有大颗粒直径超过10μm。
数据4(一)-4(d)的面积分数显示在文章层晶体取向的角的函数和的方向。总分数优先定位,定义为综合面积分数的值从0°20°,计算如下:99%为SiO (111)2示例中,94%(100)偶氮样品,ITO样本(100)为88%,和93%的锡样例(111)。数据4(e) -4(h)显示area-fraction分布的颗粒直径AIC-Si层。平均晶粒直径计算如下:105μ米的SiO2样本,19μ偶氮样品m, 18岁μ米的ITO样本,68μ米的锡样品。AIC-Si比较小的晶粒尺寸比SiO导电层2;然而,所有这些颗粒大小是一个数量级比传统固相结晶形成的文章层(17,22]。特别是,我们生产的文章在锡中最大粒径AIC-Si导电层(18,19]。这些结果表明,选择适当的导电层AIC获取高质量的硅层至关重要。
4所示。讨论
在这里,我们将讨论晶体取向如何依赖于下层。进行衬层的表面粗糙度测量使用原子力显微镜(AFM)。均方根(RMS) SiO粗糙度为0.5海里2偶氮、11.6 nm, 4.9纳米ITO和5.5纳米锡。EBSD结果显示没有明显相关性的衬层粗糙度和晶体取向AIC-Si层。由于基质影响solid-phase-crystallized半导体薄膜的晶体质量当它成核发生在衬底(23),我们属性的依赖底层的晶体取向的Si和衬层材料之间的界面能。
图5显示了一个示例的横截面示意图与Si的垂直分布的浓度。在工商局,Si原子扩散到铝层从晶硅层膜(11,12,24]。因为铝的Si扩散率(1.7×10−7厘米2年代−1)比高几个数量级(3.5×10−15厘米2年代−1在500°C),退火,如果浓度,整个铝层是常数(11]。在这种情况下,如果可以在底层表面成核不均匀。实验结果在我们之前报道了thickness-dependent AIC Si (14)和通用电气(20.)还表明,这种成核不同类地发生在衬底的表面(SiO2)铝层薄时(≤100海里),优惠(111)取向是由之间的界面自由能最小化Si (Ge)和SiO2。因此,我们得出结论,如果成核可能发生在下层。虽然很难获得真正的界面能量Si和底层之间组成的复合材料,界面能的差异是一个可能的原因在不同晶体取向的AIC-Si后面。
5。结论
我们研究了底层如何影响晶体质量AIC-Si为了获得高质量的文章conducting-layer-coated玻璃衬底。AIC允许低温(500°C)的形成大粒度的文章电影导电层(偶氮、ITO和锡)。的晶体质量的文章不同的显著不同的底层:由此产生的晶粒尺寸和晶体取向分数文章层共105名μm和SiO 99% (111)2样本,19μm和94%(100)的偶氮样品,18岁μm和88% ITO样本(100),和68年μm和93%的锡样例(111)。这些结果表明,如果在底层有核不均匀。我们生产的文章在锡中最大粒度的报道文章导电层。因此,我们得出结论,选择一个合适的底层是绝对有必要的工商局,工商局是有效获取大粒度的Si电影与一组水晶取向。这一发现将有助于制造文章薄膜太阳能电池,允许以低成本高性能。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是财务支持的日本科学技术振兴机构,波峰,科技、Yazaki纪念基金会和朝日玻璃的基础。