非晶硅太阳电他的诞生.wps

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1、非晶硅太阳电他的诞生非晶硅太阳电他的诞生1 11 1 社会需求催生社会需求催生 a a 一一SiSi 太阳电池太阳电池太阳电池在70 年代中期诞生，这是科学家力图使自己从事的科研工作适应社会需求的一个范例。 他们在报告中提出了发明非晶硅太阳电他的两大目标：与昂贵的晶体硅太阳电池竞争；利用非晶硅太阳电池发电，与常规能源竞争。 70年代曾发生过有名的能源危机，这种背景催促科学家把对a-Si 材料的一般性研究转向廉价太阳电池应用技术创新，这种创新实际上又是非晶半导体向晶体半导体的第三次挑战。 太阳电池本来是晶体硅的应用领域，挑战者称，太阳电池虽然是高品位的光电子器件，但不一定要用昂贵的晶体半导体材料

2、制造，廉价的非晶硅薄膜材料也可以胜任。1 12 2 非晶硅太阳电池的理论与技术基础的确立非晶硅太阳电池的理论与技术基础的确立无定形材料第一次在光电子器件领域崭露头角是在1950 年。当时人们在寻找适用于电视摄像管和复印设备用的光电导材料时找到了无定形硒（a一 Se）和无定形三硫化锑（a一SbS3）。当时还不存在非晶材料的概念及有关的领域，而晶体半导体的理论基础能带理论，早在30 年代就已成熟，晶体管已经发明，晶体半导体光电特性和器件开发正是热点。而a 一Se和 a一 sbS3这类材料居然在没有基础理论的情况下发展成为产值在10 亿美元的大产业，非晶材料的这第一次挑战十分成功，还启动了对非晶材料

3、的科学技术研究 。1957 年斯皮尔成功地测量了 a一Se 材料的漂移迁移率；1958年美国的安德松第一次在论文中提出，无定形体系中存在电子局域化效应：1960年，前苏联人约飞与热格尔在题为“非晶态、无定形态及液态电子半导体”的文章中，提出了对非晶半导体理论有重要意义的论点，即决定固体的基本电子特性是属于金属还是半导体、 绝缘体的主要因素是构成凝聚态的原子短程结构，即最近邻的原子配位情况。从1960年起，人们开始致力于制备 a一Si 和a 一Ge薄膜材料。早先采用的方法主要是溅射法。 同时有人系统地研究了这些薄膜的光学特性。1965年斯特林等人第一次采用辉光放电（GD）或等离子体增强化学气相沉

4、积（简为PECVD）制备了氢化无定形硅（a 一Si：H）薄膜。这种方法采用射频（直流）电磁场激励低压硅烷等气体，辉光放电化学分解，在衬底上形成a 七i薄膜。开始采用的是电感耦合方式，后来演变为电容耦合方式，这就是后来的太阳电池用a 一Si 材料的主要制备方法。1960年发生了非晶半导体在器件应用领域向晶体半导体的第二次挑战。 这就是当年美国人欧夫辛斯基发现硫系无定形半导体材料具有电子开关存储作用。 这个发现在应用上虽然不算成功，但在学术上却具有突破性的价值。 诺贝尔奖获得者莫特称，这比晶体管的发明还重要。 它把科学家的兴趣从传统的晶体半导体材料引向了非晶半导体材料，掀起了研究非晶半导体材料的热

5、潮。我国也正是在60 年代末期开始从事该领域的研究的。从 1966年到 1969年有关科学家深入开展了基础理论研究，解决了非晶半导体的能带理论，提出了电子能态分布的Mott 一 CFO 模型和迁移边的思想。电子能带理论是半导体材料和器件的理论基础。它可以指导半导体器件的设计和工艺，分析材料和器件的性能。 尽管目前非晶硅能带理论还不很完善，也存在争议，但毕竟为非晶半导体器件提供了理论上的依据。1 13 3 半导体能带结构简介半导体能带结构简介固体能带理论是把量子力学原理用于固态多体系统推算出来的。即，在特定的晶格和相应的电势场分布下求解薛定愕方程，获得体系中电子态按能量的分布。 在晶体情况下，晶

6、格结构具有空间的周期性，相应的电势场也呈周期性分布。 在晶格绝热近似和单电子近似条件下，可以求得相当准确的电子能态分布，即电子能带结构。 晶体能带的基本特征是，存在导带与价带以及隔开这两者的禁带，或者称为带隙。 导带底和价带顶有单一的能量值，在导带底以上的导带态为扩展态，这些态上的电子是迁移率很高的自由电子。 价带顶以下的能态为空穴的扩展态，这里的自由空穴迁移率也很高。 理想半导体禁带中是没有电子能态的。 但在半导体中难免有缺陷和杂质，分别具有各自的能态，表面和界面处晶格不连续带来表面态和界面态，这些异常的能态常常落在禁带中，称为隙态。 其上占据的电子是局域化的，起载流子复合产生中心的作用。晶

7、体的隙态密度很小，通常在1015cm3左右，且呈离散分布。另一方面固体中电子按照能量的统计分布遵循费米分布函数规律。被电子占据的几率为12 的能级称为费米能级。费米能级也称为平衡体系的化学势。通常情况下，半导体的费米能级位于禁带。 费米能级距导带底较近，则电子为多数载流子，材料为 n型。费米能级距价带顶近的，空穴为多数载流子，材料为 p型。费米能级位置可以通过适当掺杂加以调节。 就是说，半导体电导的数量和类型都可以用掺杂的方法调节。由于非晶硅材料是亚稳固体，其晶格的近程配位与相应晶体的相当。 但它是长程无序，原子间的键长与键角存在随机的微小变化，它的实际结构为硅原子组成的网络结构；网络内的硅悬

8、挂键密度比较高。这些是非晶硅结构的两个基本特点。这样复杂的体系的电子能带结构与晶体能带既有相似之处，也存在巨大的差别。 其相似之处在于，价电子能态也可分为导带、 价带和禁带，但导带与价带都带有伸向禁带的带尾态。带尾态与键长、键角的随机变化有关，导带底价带顶被模糊的迁移边取代，扩展态与局域态在迁移边是连续变化的，高密度的悬挂键在隙带中引进高密度的局域态。通常隙态密度高于1017cm3，过剩载流子通过隙态复合，所以通常非晶材料的光电导很低，掺杂对费米能级的位置的调节作用也很小，这种a-Si 材料没有有用的电子特性。 氢化非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿，形成硅氢键，可以使隙态密度降至1016cm

9、3以下，这样的材料才表现出良好的器件级电子特长。1 14 4a-Sia-Si 太阳电池的基本结构太阳电池的基本结构对a-Si 薄膜掺杂以控制其导电类型和电导数量的工作，1975年第一次由莱康柏和斯皮尔实现，同时也就实现了a-Si-pn 结的制作。事实上，由于a-Si 多缺陷的特点，a-Si pn结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，a-Si太阳电池基本结构不是pn 结而是pin结。 掺硼形成p区，掺磷形成 n区，i 为非杂质或轻掺日的本征层（因为非掺杂 a。s 是弱n型）。重掺杂的 p、 n 区在电池内部形成内建势，以收集电荷。 同时两者可与导电电极形成欧姆接触，

10、为外部提供电功率。i区是光敏区，光电导暗电导比在105-106，此区中光生电子空穴是光伏电力的源泉。非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅光电子跃迁的选择定则，使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料，对光子的吸收系数很高，对敏感光谱域的吸收系数在1014cm-1以上，通常05m左右厚度俏 a-Si就可以将敏感谱域的光吸收殆尽。 所以，p/i/n结构的 a-Si电他的厚度取0，5m左右，而作为死光吸收区的 p、n层的厚度在10nm 量级。1 15 5 小结小结总之，非晶硅太阳电池既是应用需求的产物，又是非晶半导体技术探索和基础理论研究的结果。 科技创新与社会需求相结合产生巨大的价值。 当今每一项科技创新都包含技术探索和基础理论研究两方面，不可偏废其中之一。 当然，不同课题或一个课题的不同发展阶段，侧重点会有不同。 科学技术发展史上，有些领域先形成的基础理论，等待技术成熟后才结出硕果，也有些领域先产生应用技术，技术发展推动基础理论研究，产生理论成果，理论的确立又指导应用技术走向成熟。