衬底材料对空心阴极沉积氢化微晶硅薄膜的影响

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　　本文中，我们采用空心阴极等离子体增强化学气相沉积(MHC-PECVD)在玻璃、表面溅射氧化铟锡(ITO)的玻璃(玻璃+ITO)以及表面溅射ITO的聚酰亚胺(PI+ITO) 柔性衬底上沉积氢化微晶硅(μc-Si:H)，研究不同衬底材料对微晶硅薄膜性质的影响。我们发现在PI+ITO 衬底上沉积薄膜的结晶率(Xc)最小，且结晶率最大值时的温度依赖沉底材料：对于PI+ITO 衬底来说，结晶率最大值时的温度为200℃，而对于玻璃和玻璃+ITO 衬底来说，这个温度会在250℃~300℃之间浮动。我们认为PI+ITO 衬底上薄膜较低的结晶率与其较高的热膨胀系数(CTE)以及小分子和气体的释放有关。
　　
　　微晶硅(μc-Si:H) 通常也被记作纳米晶硅(nc-Si)，由非晶硅、较大的柱状晶硅以及小晶粒和晶界组成。由于其对光诱导降解较高的稳定性、高吸光系数和较高的电池转换效率，最近一段时间以来，微晶硅已经成为最引人关注的光伏应用选择材料之一。因此，人们正致力于微晶硅太阳能电池转换效率的提高和成本的降低。值得注意的是，随着人们对于光伏产品的需求日益增长，基于塑料柔性基材的器件，如聚乙烯(PE)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其他柔性材料，正越来越多的应用在人们的日常生活中，这就使得人们迫切寻求一种新的等离子体源或来实现微晶硅的低温沉积，实现柔性衬底的大规模应用。
　　
　　众所周知，柔性太阳能电池因其可折叠、穿戴、便携等优点显现出了良好的应用前景并广泛应用在众多特种领域中，如航天、军事和户外作业等。与传统太阳能电池不同，柔性太阳能电池，特别是基于塑料衬底如PET、PEN 和PI 制备的电池，由于衬底材料有较低的玻璃化转变温度和较低的熔点，需要低温沉积薄膜。否则，在较高的温度下沉积，如在玻璃板材上300 ℃沉积微晶硅薄膜，塑料衬底将会熔化。
　　
　　本文中，我们研究了衬底材料对微晶硅薄膜生长的影响，并在低温下制备出微晶硅薄膜，这个对于柔性基材尤为重要。具有高等离子体密度和低电子温度的空心阴极等离子体增强化学气相沉积(MHC-PECVD)被用来生长微晶硅薄膜。同时，我们比较了在三种不同衬底上制备的微晶硅薄膜的结晶率和表面形貌。
　　
　　1、实验
　　
　　自制的空心阴极等离子体设备示意图在图1中给出。阴极由108 个直径为3 mm 的小孔组成。阴极结构的详细信息见文献。在微晶硅薄膜的沉积中，二氯硅烷(SiH2Cl2)和氢气(H2)分别作为前驱反应气体和还原气体，混合后通入真空腔室。沉积过程中，阴极到基片台距离为20 mm，本底气压为5×10-3 Pa。为了研究衬底材料对微晶硅薄膜结构的影响，输入功率Pw、工作气压Pr 和气体比例R (二氯硅烷：氢气) 分别保持在100 W、200Pa、0.015(3 sccm：200 sccm)，仅仅改变衬底温度从120℃ 到300℃。在实验过程中薄膜厚度保持在700 nm~800 nm。




　　
　　图1 自制空心阴极等离子体设备示意图
　　
　　我们用示波器(Tektronix DPO 4104，美国)测量I-V 曲线表征空心阴极的放电特性。表面轮廓仪(Veeco dektak150, 美国)用来测量薄膜厚度。薄膜的表面形貌由原子力显微镜(AFM, Veeco DIINNOVA, 美国)测量。薄膜的结晶性通过X 射线衍射(XRD, Rigaku D/max-220PC, 日本)和激光显微共聚焦拉曼光谱仪(Raman，Horiba Jobin Yvon XploRA, 日本)研究。薄膜结晶率(Xc) 由532nm氩激光源拉曼光谱估算，样品亚表面的结晶率由不同相的横向光学模确定：Xc=(Ic+Ib)/(Ic+Ib+Ia)，这里的Ia、Ib 和Ic 分别代表480 cm-1 处非晶成分、510 cm-1 晶界处小于3 nm 小晶粒成分和520 cm-1柱状晶成分的积分强度。
　　
　　2、结论
　　
　　我们发现薄膜结晶率与衬底材料有关。在玻璃和玻璃+ITO 衬底上制备微晶硅薄膜的结晶率比PI+ITO 衬底的高，分析AFM 图之后我们认为PI+ITO 衬底上薄膜较低的结晶率与衬底的热膨胀系数和小分子与气体的释放有关。由于薄膜的膨胀，团簇在PI+ITO 表面不均匀生长孤立成岛，而在玻璃+ITO 表面均匀地聚集成核。