一种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法，主要步骤如下：首先，镀膜前预处理后利用Ar离子对Si靶和C靶进行磁控共溅射，调整Si和C靶的溅射功率，在硅和玻璃基体上交替沉积多层结构的非晶硅/碳薄膜；然后，在氮气气氛中分阶段退火，形成α-SiC/nc-Si多层结构薄膜。此类薄膜形成的硅纳米晶尺寸在2-10nm范围内可控，同时硅纳米晶的密度亦可控，此尺寸范围的硅纳米晶的光学带隙在2.7-1.8eV范围内可控改变。本发明专利技术超晶格结构Si/C多层薄膜形成尺寸和密度可控的硅纳米晶，进而调整其吸收光谱范围，并显著提高所用材料光电转换效率。此类薄膜有望大幅提高硅基光伏器件的光吸收范围和光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，主要步骤如下：首先，镀膜前预处理后利用Ar离子对Si靶和C靶进行磁控共溅射，调整Si和C靶的溅射功率，在硅和玻璃基体上交替沉积多层结构的非晶硅/碳薄膜；然后，在氮气气氛中分阶段退火，形成α-SiC/nc-Si多层结构薄膜。此类薄膜形成的硅纳米晶尺寸在2-10nm范围内可控，同时硅纳米晶的密度亦可控，此尺寸范围的硅纳米晶的光学带隙在2.7-1.8eV范围内可控改变。本专利技术超晶格结构Si/C多层薄膜形成尺寸和密度可控的硅纳米晶，进而调整其吸收光谱范围，并显著提高所用材料光电转换效率。此类薄膜有望大幅提高硅基光伏器件的光吸收范围和光电转换效率。【专利说明】—种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法
本专利技术属于第三代太阳能电池
，尤其涉及一种自组装形成尺寸可控的嵌入在非晶介质中硅纳米晶薄膜的制备方法，属于太阳能电池及纳米材料应用
。
技术介绍
光伏太阳能电池是当今乃至以后非常重要的能源产业。第三代太阳能电池是新型的纳米结构电池，其目标是在第二代薄膜太阳能电池的基础上缩减成本并显著提高光伏器件的光电转换效率。硅纳米晶太阳能电池是第三代太阳能电池的代表，硅纳米晶镶嵌于非晶硅化物中组成两相体系。与非晶硅相比其电子迁移率高且性能稳定。通过尺寸控制可有效调制光学带隙大小，光吸收性能优于多晶硅。目前，硅纳米晶的制备方法可以分为“自上而下”和“自下而上”两种。“自上而下”是指将块体材料分解细化得到纳米材料。硅纳米颗粒可采用物理刻蚀和电化学刻蚀两种方法制备。“自下而上”是指基于原子级重构获得硅纳米颗粒。可通过离子注入、PECVD和磁控溅射等方法制备富硅的硅化物非晶薄膜，并经后续退火处理，引发局部相分离，硅团簇在介质层中结晶形核长大而形成。通常利用PECVD或共溅射方法制备富硅的硅化物非晶薄膜，经过退火处理获得镶嵌于非晶基质中的硅纳米晶，尺寸随硅含量增加而增大，遵循奥斯特瓦尔德生长规律，多为球形，具有一定的尺寸分布。其不足之处是纳米晶随机分布，这就使得纳米晶均匀尺寸分布的可控性受到某种程度的限制。就目前国际和国内对叠层太阳能电池的研究以及我们前期对嵌入式硅量子点薄膜材料的研究，可以发现，SiO2 (Si3N4或者SiC)非晶势垒是影响硅纳米晶尺寸变化的关键因素之一，如果形成SiO2 (Si3N4或者SiC)非晶势垒和硅纳米晶交替的层状结构不仅可以控制晶粒的尺寸和形状，还对其结晶取向有影响作用，得到的PL发光峰非常窄。因此，超晶格多层结构制备特定密度和尺寸的自组装硅纳米晶材料的开发用具有重大的意义，在光伏器件方面的具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服非晶富硅化合物相析出硅纳米晶的随机性，提供一种由自组装方式形成非晶相包覆的硅纳米晶，其结晶取向以及形状、尺寸、密度可控的硅纳米晶薄膜制备方法。该方法制备的薄膜材料为低势垒碳化硅/硅纳米晶多层结构，其光吸收覆盖紫外到可见光范围、载流子迁移率高、结构稳定性良好。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的:，该方法包括下述步骤:I)选用玻璃或者单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；2) Ar气作为溅射气氛，在对基体施加偏压的条件下，采用射频和直流电源分别对硅靶和碳靶进行磁控共溅射，在玻璃或者硅基体上交替沉积非晶硅/碳超晶格结构多层薄膜；3)镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测；4)在氮气下分阶段进行退火处理；5)进行微观结构和性能检测。进一步地，所述步骤I)中，衬底厚度为500?520um，依次经过表面活性剂、去离子水、丙酮、无水乙醇各超声清洗15-20min。进一步地，所述表面活性剂为椰油酸单乙醇酰胺(CMEA)或椰油酸二乙醇酰胺。进一步地，所述硅靶和碳靶尺寸规格为Φ 50.4mmX 3mm,纯度为99.99% ;背底真空为 8.2 X 10 8mbar。进一步地，所述射频电源功率控制在100W，直流电源控制在100W ;溅射速率为0.6 ?L 5nm/min。进一步地，所述步骤2)中，交替沉积是首先在基片上沉积一层碳，厚度为10nm，其次一层硅一层碳交替沉积为多层超晶格薄膜，其中，碳层厚度保持为10nm，改变硅层厚度，使硅层厚度/碳层厚度比在0.5-3之间变化。进一步地，所述步骤2)中，进行磁控共溅射的同时对基体施加80V的负偏压。进一步地，所述步骤4)中，氮气下分阶段进行退火处理，首先从室温以25_30°C /min的升温速率升温至900-1000°C，保温20min ;再以25_30°C /min的升温速率升温至1100-1150°C，保温lh，最后以相同速率降温至室温。进一步地，所述步骤4)中，退火气氛为离化的氮原子气氛，气压为0.25?0.32MPa。进一步地,所述步骤4)中，在玻璃或者娃基体上交替沉积非晶娃/碳超晶格结构多层薄膜经氮气下分阶段退火处理形成α-SiC/nc-Si多层球形、条状或砖块状结构薄膜。本专利技术的有益效果如下:本专利技术以Ar气作为溅射气体，对硅靶和碳靶进行磁控共溅射，通过调整其溅射功率改变Si层和C层调制波长比，在硅片和玻璃基体上制备约150nm厚的非晶硅/碳多层薄膜；随后，在氮气氛中经1000-120(TC高温退火处理1-2小时，形成非晶碳化硅/硅纳米晶交替的多层结构。其特点在于:(I)利用多层超晶格结构之间的约束，即可形成具有特定尺寸和形状的硅纳米晶，此类薄膜形成的硅纳米晶尺寸在2-10nm范围内可控，同时硅纳米晶的密度亦可以通过层数进行控制，此尺寸范围的硅纳米晶的光学带隙在2.7-1.SeV范围内可控改变。(2)实验表明，硅纳米晶的尺寸和结构与硅/碳超晶格结构薄膜的单层厚度和调制波长比紧密相关，可形成球形、条状或砖块状结构；利用扩散反应形成非晶碳化硅/硅纳米晶多层结构薄膜，界面完整清晰，较大程度上减少了因光复器件多结界面缺陷存在造成的散射，进而调整其吸收光谱范围，并显著提高了硅基太阳能电池的光电转换效率。加强了第三代全硅太阳能电池对光谱的吸收利用率和光电转换效率高的要求，此类薄膜有望大幅提高硅基光伏器件的光吸收范围和光电转换效率，具有潜在的应用前景。【专利附图】【附图说明】图1为不同调制比Si/C多层样品高温退火时结构演变模型。其中图1 (a)为沉积态非晶薄膜；图1 (b)为a -SiC/nc-Si多层结构薄膜。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术的自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法，包括下述步骤:I)选用玻璃或者单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；衬底厚度为500~520um，依次经过表面活性剂椰油酸单乙醇酰胺(CMEA)、椰油酸二乙醇酰胺或市售白猫洗涤剂、(流动)去离子水、丙酮、无水乙醇各超声清洗15-20min。2) Ar气作为溅射气氛，在对基体施加偏压的条件下，采用射频和直流电源分别对硅靶和碳靶进行磁控共溅射，在玻璃或者硅基体上交替沉积非晶硅/碳超晶格结构多层薄膜；其中，交替沉积的方式为首先在基片上沉积一层碳，厚度为IOnm,其次一层娃一层碳交替沉积为多层超晶格薄膜，其中，碳层厚度保持为10nm，改变硅层厚度，使调制波长(调制波长=硅层厚度/碳层厚度)比在0.5-3之间变化。沉积态薄膜如图1 (a)。薄 膜沉积和表征采用德国本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：1）选用玻璃或者单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；2）Ar气作为溅射气氛，在对基体施加偏压的条件下，采用射频和直流电源分别对硅靶和碳靶进行磁控共溅射，在玻璃或者硅基体上交替沉积非晶硅/碳超晶格结构多层薄膜；3）镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测；4）在氮气下分阶段进行退火处理；5）进行微观结构和性能检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：畅庚榕，马飞，徐可为，韩婷，
申请(专利权)人：西安文理学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61