摘要
随着第三代新型纳米薄膜太阳电池的问世，具有优良光电特性的纳米硅薄膜成为当前光伏电池技术研究开发的热点。纳米硅薄膜材料不仅光敏性好，光暗电导比高，而且跟非晶硅相比，其光电导在长时间光照下的衰减要小得多。更为重要的是由于薄膜中纳米晶粒的量子尺寸效应，使得我们能够通过改变工艺参数调节晶粒大小和晶化度来控制其光学带隙，从而实现薄膜渐变带隙的能带工程设计。
本论文主要采用射频磁控溅射的方法研究了纳米硅薄膜的制备工艺，在玻璃和单晶硅衬底上分别制备出高质量的纳米硅薄膜，并且对纳米硅薄膜的量子特性，光电特性以及电导机制进行了一定的理论分析。同时，利用X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微技术（SEM）、傅立叶红外吸收光谱、紫外吸收光谱等现代微观分析手段测试分析了样品的微观结构形貌、纳米晶粒尺寸大小、硅氢键合情况以及薄膜的光学带隙，并从中总结出各种工艺参数（衬底温度，气体压强，H2比例等）对薄膜各项性能的影响，从而摸索出一套比较理想的射频磁控溅射制备纳米硅薄膜的工艺条件，为进一步纳米硅薄膜太阳电池的制备研究打下了坚实的基础。射频磁控溅射工艺同传统的PECVD纳米硅薄膜制作工艺相比，避免了后期的退火或诱导晶化等工序，简化了工艺流程；同时其较低的沉积温度使得纳米硅薄膜能在各种玻璃、塑料、有机柔性衬底上沉积，更适合薄膜电池的发展及利用。
关键词：太阳电池纳米硅薄膜射频磁控溅射光暗电导量子尺寸效应
Abstract
For its good optical-electronic properties,nano-crystalline silicon film has become the rearch hit of today’s P-V solar technology since the third generation of nano-crystalline film solar cell comes out. Nano-crystalline silicon material have not only a good photonsitive properties but also a high ratio of photo/dark conductance. Compared with amorphous silicon, the photoconduction of nc-Si:H has a less attenuation under long-time illumination. Further more, we could control the optical band gap through changing the grain size and crystalline volume fraction for the quanta dimension effect.
This Paper studied the process for nano-crystalline silicon film preparation by RF sputtering method. First, high quality nc-Si:H film was deposited respectively on glass and silicon substrate, and then the quantum characteristic, optical-electronic properties and the conductive mechanism of nc-Si:H were analyzed theoretically. Meanwhile, we ud XRD, SEM, Fourier infrared absorption spectrum and ultraviolet absorption spectrum methods to obrve and analyze the micro-appearance, the Si-H bond, and the optical band-gap of samples; finally, we summarized the influence of the experiment parameters ( such as the substrate temperature, gas pressure, hydrogen proportion) on the properties of the thin film. Through tho above works, we got an optimized Parameters for the RF sputtering process for nano-crystalline silicon film preparation.This will be a good foundation for the f
ollowing fabrication and rearch of nano-crystalline silicon film solar cell.
副部级高校>英语论文发表Compared with other traditional process (such as PECVD), the RF sputtering method successfully avoids the annealing and inducement crystallization process, and also largely simplified the process. Furthermore, its low deposition temperature makes the nano-crystalline silicon thin film adaptable to be deposited on glass, plastic and other flexible substrates, which will certainly promote the development of nano-crystalline silicon thin film cells.
Keywords: Solar cell Nano-crystalline silicon film RF magnetron sputtering Photo/dark conductance Quanta dimension effect
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1 绪论
1.1 太阳能电池的发展概况
作为一个正在飞速发展中的能源消耗大国，我国所面临的环境污染和能源危机的挑战是异常严峻的，这甚至关系到我国社会主义现代化建设的生死攸关。面对如此危机，解决的办法只有一个：大力发展可再生能源。
评选英文太阳能作为一种分布广泛，取之不尽，用之不竭，而且无污染的绿色洁净能源，已经成为了人类社会可持续发展的首选目标能源。太阳赐予地球的能量密度是1367瓦每平方米，地球每天接受的太阳能相当于全世界每年总能源消耗的6000倍[1]。
太阳电池是一种将光能直接转换成电能的半导体器件。光伏发电具有如下优点：安全可靠，无噪声，无污染，不受地域限制，故障率低，维护简单，建设周期短，无需架设长距离输配电线路，方便与建筑物结合等。这些优点都是常规发电和其他发电形式所不及的。
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应。但不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：（1）材料易于获得，且成本低；（2）要有较高的光电转换效率：（3）材料本身对环境不造成污染；（4）材料便于工业化生产
且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。
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从第一块太阳电池问世至今，短短的半个多世纪，太阳电池技术已经得到了日新月异的发展，其发展经历大致分为三个阶段：
第一代太阳电池是晶体硅太阳电池。1954年恰宾和卡尔松等人在贝尔实验室制作出pn结，并制作成了光电转换效率达6％的世界上第一块实用的单晶硅太阳电池[2]，1959年第一个光电转换效率5％的多晶硅太阳电池问世，从此这种体硅太阳电池开始了规模化生产，并得到了广泛得应用和发展。这种太阳电池工艺不断得到发展改进，现在高效单晶硅电池效率已达24.7%[3,4]。
然而受价格的限制，晶体硅电池现在正受到来自上世纪80年代发展起来的第二代薄膜太阳电池的挑战。薄膜太阳电池除了能够大大降低材料成本，而且可以在沉积薄膜过程中在不同层中采用合适的沉积方法来完成不同相结构和成分的薄膜生长。第二代薄膜太阳电池已经取得了令人瞩目的成绩，它主要包括非晶硅薄膜电池，多晶硅薄膜电池。这种电池的优势虽然明显[5]，但是也有他们的缺陷：非晶硅薄膜太阳电池的转换效率低，而且氢化非晶硅还有致命的光致衰退问题；多晶硅薄膜电池虽然转换效率可达到15％以上，但制作大面积电池尚存在价格问题。google 翻译网
目前光伏市场上常规的太阳电池主要是基于晶体硅的第一代太阳电池。第二代薄膜电池虽然发展势头5分钟
强劲，但市场份额不足整个光伏市场的20％。从上面的论述可以看出，对于第一代太阳电池，尽管技术进步和市场扩大使其成本不断下降，但是由于材料工艺限制，晶体硅太阳电池进一步降低成本的空间相当有限，很难达到光伏科学家和能源专家所预测的光伏发电与常规发电竞争的临界点———太阳电池成本1美元每瓦。因此第一代太阳电池很难承担太阳能光伏发电大比例进入人类能源结构并成为基础能源组成部分的历史使命。而对于第二代薄膜太阳电池，由于其转换效率不高，以及电池的衰减问题使其也不具备竞争优势。为了解决人类共同面临的能源危机问题，我们必须要开发高效率，低成本，长寿命的新型光伏电池，迫切需要发展新一代的太阳电池即第三代太阳电池。这就要求我们进行全新的理论研究和结构设计。著名的光伏专家，诺贝尔奖获得者马丁.格林教授在总结了光伏技术发展后指出第三代太阳电池应具有如下特征：低成本，高效率，长寿命，材料来源丰富，无毒。
为了加速研发新一代薄膜电池，美国B.Das等人提出了应用半导体纳米材料制成薄膜太阳电池。澳大利亚格林教授为首的光伏研究中心提出了利用低维纳米维结构材料，超晶格，量子阱，纳米点的特殊性能以及半导体的能带理论制造出高效，低价，实用的光伏材料和器件来发展第三代太阳电池的设想[6]。纳米薄膜电池还会因为其能带，电位的特性，具有高的能量转换效率，这主要是因为：
help sb do sth（1）纳米结构的晶格尺寸和载流子的散射长度同数量级，减小了散射速率，增加了载流子的收集效率；
