退火温度和时间对制备多晶硅薄膜的影响.docx

退火温度和时间对制备多晶硅薄膜的影响摘要：通过PECVD法于不同温度直接沉积非晶硅(a-Si：H)薄膜，选择于850°C分 别退火2h、3h、6h、8h,于700C分别退火5h、7h、10h、13h,于900C分别退火 1h、3h、8h,分别于 720C、790C、840C、900C、940C退火 1h,然后用拉曼光 谱和SEM进行对比分析，发现退火温度与退火时间的影响是相互关联的，并且出 现一系列品化效果好的极值点关键词：PECVD法；非晶硅薄膜；多晶硅薄膜；二次品化；拉曼光谱；扫描 电镜0引言太阳能电池作为一种清洁能源正越来越受到人们的重视太阳能电池分为单 晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池等单晶硅和多晶硅电池技术成熟、效率高，但 成本较高薄膜材料与单晶硅和多晶硅材料相比，在成本降低方面具有诱人的前 景硅薄膜材料分非晶硅和多晶硅2种,非晶硅薄膜材料制造工艺相对简单，但转 换效率低、寿命短、稳定性差，将其进一步晶化成寿命长、转换效率相对高的多 晶硅薄膜材料被认为是薄膜太阳能电池未来发展的方向，将非晶硅薄膜材料二次 品化成为多晶硅薄膜是有意义的研究方向多晶硅薄膜泛指晶粒在几(十)纳米到厘米级的硅薄膜。

制备多晶硅薄膜主要 包括2个过程 沉积硅膜和再晶化2个过程都可米用不同的方法沉积可米 用化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)低温下沉积硅薄膜难以形成较 大的品粒,不利于制备较高效率的电池，需要通过二次晶化技术，提高品粒尺寸 目前,二次晶化的方法主要有固相晶化法(SPC)金属诱导品化(MIC)、区熔晶化 (ZMR)等本实验先用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD法)在玻璃上低温沉 积非晶硅薄膜，再利用常规电阻加热炉退火制备多晶硅薄膜1实验第一步，将清洗过的石英玻璃衬底置于PECVD系统中，射频辉光放电分解 SiH4+H制得非晶硅薄膜真空度为5.6X10-4Pa，氢稀释比为95%,沉积室中电极 间距为2cm,工作气压为133.3Pa,放电功率为60W,沉积时间为2.5h,厚度约为 0.84 “m第二步，氮气保护下，样品于850C分别退火2h、3h、6h、8h,于700C 分别退火 5h、7h、10h、13h,于 900C分别退火 1h、3h、8h,分别于 720C、790C、 840C、900C、940C退火1h,自然冷却后取出第三步，采用REN-ISHAW-2000 拉曼光谱分析样品，计算品化率，并采用JEOLJSM-5610LV扫描电镜观察样品。

2结果与分析图1是非晶硅薄膜于 850C分别退火2h、3h、6h、8h的拉曼光谱图由图1 可知，在退火温度不变的情况下，随着退火时间的延长,非晶硅薄膜的品化越来越 充分,520cmi处的晶硅特征峰非常明显，品化效果很好° 850C退火2h的品化率 为55%,从520cmi处的晶硅特征峰的相对高度看,850C退火3h硅膜结品的情况 相对较好，品化率为67%在退火温度不变的情况下，随着退火时间的延 长,520cmi处的晶硅特征峰相对高度降低,8h时晶化率为58%从图1可以看出，850C退火3h时非晶硅薄膜结品很好,即退火3h左右存在一个结品情况好的 极值点退火后多晶硅薄膜的结品度随退火温度的变化如表1所示表1晶化率与退火时间Ta hl 必 I The? ralin versus Lem p-^raLiir-p退火时间/h 2 3 5 S醋化率 F% S5 67 3S 5*4A0 450 550 卸 QSMARZiiiOM 、.图英融濒瑚薄膜于850T：退火的拉旻光谱图图2是非晶硅薄膜于700°C分别退火5h、7h、10h、13h的拉曼光谱图由图2 可知，当退火温度为700C时,随着退火时间的延长，品化率的计算值都在52%以 上,结品效果比较好。

在拉曼谱线其它相同的情况下，在520cm1处的晶硅特征峰 越来越高，表明非晶硅薄膜品化越来越充分，晶粒越来越大，薄膜品化也越来越好 可见，退火温度在极值点以下一定值时，可以通过延长退火时间达到退火目的实 验表明，退火温度与退火时间是相互关联的IM 200 3-00 400 5M 6DORjlEAm stlLri/iLni 'J , . , , , ,__厂.,—, |I I ' I ! 1— 1 I I —1AD 7 ■ |0M、•楙2山'飞期.泗薄膜于70匚退火的拉曼光漕图图3是非晶硅薄膜于900°C分别退火1h、3h、8h的拉曼光谱图由图3可 知，退火温度在中温极值点(850C)以上的900C时,在退火温度不变的情况下， 随着退火时间的延长，在520cmi处的晶硅特征峰相对高度降低从图3可以看 出，900C退火1h非晶硅薄膜结品较好，品化率为61%;退火时间延长到3孔其品化 率为56%;退火时间延长到8h,其品化率为64%520cmi处的晶硅特征峰没有明显 的变化，可见900C退火1h后,延长退火时间并不能使晶化效果有明显的提升 与850C退火相比,在一个比较高的温度下退火，退火时间相应缩短。

可见，退火 温度与退火时间是相互关联的与850C时退火3h对比，将退火时间缩短，使非晶硅薄膜退火1h,温度分别为 720C、790C、840C、900C、940C由图4可知，当退火时间为1h时，随着退 火温度的升高,非晶硅薄膜的品化越来越充分，在520cmi处的晶硅特征峰也越来 越高，薄膜品化越来越好，达到了较好的退火效果，其中900C和940C时的品化 率分别为61%和75%,可见，缩短退火时间可以通过升高退火温度来达到晶化目的 由此也可以看出，退火温度与退火时间是相互关联的退火后多晶硅薄膜的结品度随退火温度的变化如表2所示蜀2晶化旎与退火温度T al )1^ 2 T h唇 cry m 屈I line rallo vt?rs ns Leni p^THE lire退火温度/起 720790840900940§毗席勰！ 4254506175图5为样品经850°C退火3h后的SEM图片从图5可以看出，多晶硅薄膜材 料表面由表面直径不同的颗粒组成，颗粒的大小分布不均常规炉子退火是一个热力学过程根据固相晶化的热力学理论，不稳定的非 品结构在加热过程中必将发生向稳定状态的转变，这是由于与结品相相比,非晶 相的自由能较高且高于结品相，处于一种亚稳态，存在结品的趋势。

两相的自由能 差为负值，从而产生了促使晶化的相变驱动力非晶硅中原子的运动受到近邻原 子的牵制，而且跃过非品-结品相界面时需要克服一定的势垒，即需要一定的扩散 激活能退火过程中的相变驱动力随着温度的升高而提高当温度升高而产生的 相变驱动力达到跃过势垒的高度时就能跃过非晶-结品相界面势垒，完成由非晶 相向结品相的转变此后，即使温度进一步升高也不能明显促进晶化效果相变驱动力在数值上等于单位体积的相变所引起的系统自由能的降低，可表 示为f=-A G/A V（f为相复驱动力,△ G为系统自由能的变化,△ V为品体体积）从能量的角度来讲，随着温度的升高，提供晶化的能量越来越大，当达到跃迁 一个势垒的能量时，就会发生品相变化，到达一个相对稳定的位置但是，这种稳 定也是相对的，随着温度的进一步升高，一方面会向结品相变化,形成更稳定、更 大的品粒;另一方面当能量不够高时，退回到原来的状态，这样就存在一个结品情 况好的温度极值点另外，此热力学过程是一个统计的平衡过程，加热到某温度其本质上是各种 动能运动的统计平均值无论温度高或是低都包含一系列的能量，只不过温度高 时高能量部分占的比例大，温度低时高能量部分占的比例小。

当提供品化需要的 能量时，可以通过升高退火温度、缩短退火时间，也可以通过降低退火温度、延长 退火时间来达到晶化目标退火温度与退火时间是相互关联的非晶相结构与结品相结构的转化是一个动态过程，在加热过程中必将发生状 态的转变，常规高温炉加热使非晶相中某些原子离开原来的位置而到另一更稳定 结品相原子团中随着更多原子跃过两相之间的势垒加入到结品相原子团中，原 子团逐渐长大常规高温炉加热造成非晶相与结品相原子团的转化过程是一个热 力学过程，也是一个动态平衡过程，具有统计学的意义跃过这一非品-晶相可以 通过升高温度在较短时间内完成，也可以通过延长退火时间在较低温度下完成， 两者是等价的这是热力学统计平衡的一种体现3结论采用PECVD法沉积的非晶硅薄膜选择于850°C分别退火2h、3h、6h、8h,于 700°C分别退火 5h、7h、10h、13h,于 900C分别退火 1h、3h、8h,分别于 720C、 790C、840C、900C、940C退火1h,发现退火温度与退火时间是相互关联的 对于同样的晶化效果，如果退火温度高，可在较短的时间内完成品化;如果退火温 度低，则可在较长的时间内完成晶化在这一过程中会出现一系列品化效果好的 极值点，如940C退火1h、850C退火3h等。