一种太阳电池用硅量子点的低温生长方法技术

本发明专利技术涉及一种太阳电池用硅量子点的低温生长方法，属硅量子点材料技术领域。本方法为：用等离子体增强化学气相沉积技术在＜４５０℃温度下，在Ｓ硅晶片或石英片或玻璃片或不锈钢片或耐高温聚合物衬底材料上交替生长几纳米厚的化学计量比的硅化合物介质层和富Ｓｉ的硅化合物层；后利用快速光热退火技术在≤５５０℃的温度下后退火处理，使富Ｓｉ的硅化合物层中富余的Ｓｉ发生扩散迁移，固相晶化，形成Ｓｉ量子点；形成的Ｓｉ量子点为层状排布，其尺寸由原始生长的富Ｓｉ的硅化合物层的厚度控制，量子点的密度由原始富Ｓｉ的ＳｉＮ↓［ｘ］层中的Ｓｉ含量决定。本发明专利技术具有沉积温度低，速度快，工艺可控性和重复性好，所生长的硅量子点材料的均匀性好，有利于器件的集成制造和降低成本的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于硅量子点材料

技术介绍
为了增强与常规能源的竞争力，高效率、低成本和长寿命的太阳电池一直是人们追 求的目标。目前商业应用的太阳电池主姜是基于硅晶片的第一代太阳电池，该技术已趋 于成熟，其光电转换效率也接近物理极限，但其成本日益受制干原材料(即硅晶片)本身。最近20年来，基于半导体薄'p材料的第二代太阳龟池获得了蓬勃发展。由于采用 了薄膜沉积技术，与第一代太阳电池相比，第二代太阳电池的成本大幅降低，其光电转 换效率与第一代太阳电池的光电转换效率的差距日渐縮小。但随着技术的成熟，第二代 太阳电池的光电转换效率提髙空间越来越小。理论研究表明，标准的单结太阳电池的光 电转换效率的理论上限约31% (称为Shochkley-Queisser限制效率)，而由热力学定律 决定的太阳能光电转换效率的极限超过90%,这表明太阳电池的光电转换效率还有很大 的提高空间。基于此，澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales) 和美国可再生能源国家实验室(NREL)分别提出了第三代太阳电池的概念。第三代太阳 电池综合了第一代和第二代太阳电池的优点，同时克服了第，代太阳电池成本较高、第 二代太阳电池光电转换效率较低等不足，在未来的光伏市场中将具有很好的发展前景。第三代太阳电池采用了新颖的纳米结构材料，其中的半导体量子点材料倍受关注。 半导体量子点的特征尺寸在三个维度上均与电子的德布罗意波长相比拟或更小，因此电 子在其中的运动受到三维限制，即电子的能量在三个维度上都是量子化的。通过控制量 子点的几何形状和尺寸可改变其电子态结构，实现量子点器件的电学和光学性质的"剪 裁"。与第三代太阳电池应用有关的量子点的物理特性主要有三个(1)量子尺寸效应 量子点光吸收的特征波长随量子点尺寸的变化而不同，尺寸小的量子点吸收高能量范围 的太阳光，尺寸大的量子点吸收低能量范围的太阳光，这样有利于提高太阳电池光谱响 应和太阳光谱的匹配程度；(2)增大能量过渡时间量子点由于能级的离散，其电子的3能量变化比大块半导体中的慢，因而，在放出声子引起能量损失之前，有可能取出高能 量电子；(3)多能带的形成由矛量子点间的耦合，在导带和价带中形成微能带 (mini-band),利用微能带间的光学转移和光子吸收等复杂的过程，可以提高与太阳光 谱忡匹配程度。为实现低成本、高效率、长寿命和环境友好的目标，第三代木阳电池要求其材料具 有,材料资源丰富、无毒、环境友好、能采用常规薄膜汰积技术进行规模化大面积制备 等特点。在众多的半导体材料中，仅硅(Si)材料能满足这一要求，并且由于其相关的 器件工艺十分成熟，因此可以利用现^的工吉基础，降低太阳龟池的制造成本。基于此， Si量子点有望成为桌三代太阳电池酌核心材料。适合于太阳电池应用的Si量子点材料的制备技术以真空沉积技术为主，目前具体 方法有两种 一是在富Si的介质薄膜中固相结晶形成S,i..纳米晶量子点，二是与基质薄 膜生长的同对气相原位生长Si量子点。通常，若采用第f种方法，则高温后退火(约 110CTC)处理是必不可少的，这将增加工艺的复杂程度和生产成本，还可能导致太阳电 池的热损伤；第二种方法不需要后退-火处理，.但难度很大，而且生长过程的可控性和重 复性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，而提供一种沉积温度低，速度快，工艺可 控性和重复性好，以及所生长的硅量子点材料的均匀性好的太阳电池用硅量子点的低温 生长方法。本专利技术的技术方案是首先采用等离子体增强化争气相沉积(PEGVD)技术，在所选择的衬底材料上在< 45(TC温度条件下交替生长几纳米厚的化学计量比的硅化合」物(Si^、 Si3N4、 SiC)介质 层和富Si的硅化合物(Si0x、 SiNx、 SihCJ层；然后利用,新发展起来的薄膜退火技 术一快速光热退火(RPTA)技术在低温下(《550°C)后il火处理，使富Si的硅化合物 (SiOx、 SiNx、 Si,-xCx)层中富余的Si发生扩散迁移，固相晶化，形成Si量子点。形成 的SJ量子点为层状排布，其尺寸由原始生长的富Si的硅化合物(SiOx、 SiNx、 SihCJ 层的厚度控制，量子点的密度由原始富Si的Sifi层中的Si含量所决定。本专利技术的等离子体化学气相沉积技术为射频等离子体或者微波等离子体或者电子 回旋共振等禽子体或者甚高频等离子体增强化学气相沉积"(统称PECVD)技术。本专利技术的快速光热退火(RPTA)技术是指将材料放在遏火炉中，利用卤钨灯或其它 波长的灯对样品进行快速加热，在不高子55(TC的平衡温度下保温一定时间，保温时间 根据量子点尺寸和形状确定；然后用随炉自然冷却，或风冷或水冷的方式降温。本专利技术的优点在于沉积温度低，提高了衬底选择的灵活性，沉积速度快，工艺可 控性和重复性好，所生长的Si量子点材料的均匀性好，::宥利于器件的集成制造和降低 制造成本。附图说明图1为快速光热退火过程中Si量子点的形成过程的示意图。. 具体实施例方式本专利技术不仅局限下列实施例。本专利技术实施例是采用射频等离 体增强化学气相沉积 技术结合快速光热退火技术生长以Si凡为^j^的Si量子点材料。本专利技术也能采用不同 方式激励的等离子体(包括微波等离子体、电子回旋共振等离子体、甚高频等离子体) 增强化学气相沉积技术结合快速光热退火技术生长不同基质(包括Si02和SiC)的Si量子点材料。实施例1:采用射频等离子增强化学气相沉积技术，衬底选择直径为4英寸厚度1mm的Si片，交 替生长2nm厚的S i3M介质层和2nm的富S i的S i N,层，Si3N4/S iNj勺沉积周期为40。沉积条件 射频频率为13.56MHz，射频功率60W，本底真空度达1 X 10—4Pa，反应气体为N2稀释的SiH4 (气体体积|\|2: SiH4 = 1: 1)禾口NH3，工作气压为10Pa，沉积温度为30CTC，沉积Si凡介质 层时，反应气体流量为N2稀释的SiH4为30sccm (标况毫升每分)，NH3为30sccm，沉积速率 0. 2nm/s，沉积富S i的SiNJ1时，反应气体流量为N2稀释的SiH4为100sccm， NH3为30sccm， 沉积速率0.25nm/s:把薄膜样品放在快速光热处理炉中进行退火处理，利用卤钨灯作为 光热退火的光源，高纯氮气保护下，将薄膜样品放在炉中石英盒的单晶硅片上。退火过 程为升温速率25tVs，退火温度50(TC，保温30min，然后随炉自然冷却(风冷或水冷)。 使富余的Si扩散迁移，固相晶化，形成Si量子点。本实施例获得的硅量子点为层状分布， 形状为球形，粒径为2nm。采用微波等离子体增强化学气相沉积技术，衬底选择^em;X20cm，'厚3國的普通玻 璃拉，交替生长^m厚的Si02介质层和4nm的富Si的SiNx层，;SHV^Nx的沉积周期为50。 沉喊条件射频频率为13.56MHz，射频功率60W，本底真空度达1 X10—4Pa，反应气体为 N2稀释的SiH4 (气体体积N2: SiH4 = 1: 1)禾口02，工作气玩为'tOPa，，沉积温度为;30(TC，沉 积Si02介质层时，反应气体流量为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳电池用硅量子点的低温生长方法，其特征在于本方法为：采用等离子体增强化学气相沉积技术在＜４５０℃温度下，在衬底材料上交替生长几纳米厚的化学计量比的硅化合物介质层和富Ｓｉ的硅化合物层；然后利用快速光热退火技术在≤５５０℃的温度下后退火处理，使富Ｓｉ的硅化合物层中富余的Ｓｉ发生扩散迁移，固相晶化，形成Ｓｉ量子点；形成的Ｓｉ量子点为层状排布，其尺寸由原始生长的富Ｓｉ的硅化合物层的厚度控制，量子点的密度由原始富Ｓｉ的ＳｉＮ↓［ｘ］层中的Ｓｉ含量决定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨培志，刘黎明，郝瑞亭，杨雯，莫镜辉，邓书康，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]