[发明专利]一种低硼掺杂下高电导率氢化非晶硅薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢化非晶硅薄膜的制备方法，具体涉及一种低硼掺杂下高电导率氢化非晶硅薄膜的制备方法。

背景技术

作为硅基薄膜太阳电池的窗口层材料，高电导率低光吸收率的硼掺杂氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜对高性能太阳电池至关重要。在a-Si:H薄膜无序网络结构中，硼不仅可以处于四配位，具有电学活性，而且可以处于三配位并伴随B---H-Si键的形成，此时硼原子被氢原子钝化，硼不具有电学活性。由于三配位状态的能量比四配位状态的能量更低，大部分硼不具有电学活性，因此，硼在a-Si:H薄膜中掺杂效率很低。一般地，制备高电导率硼掺杂a-Si:H薄膜需要引入1at%以上的硼含量，但这样的高浓度的硼原子会恶化Si薄膜网络结构，在带隙中引入缺陷态，增加太阳光在掺杂Si薄膜窗口层中的吸收量，降低电池性能。因此，在低硼掺杂条件下制备高电导率的a-Si:H薄膜是提高硅基薄膜太阳电池性能的重要途径之一。

在低掺杂条件下制备高电导率的掺杂a-Si:H薄膜，就需要提高硼的掺杂效率，使大部分硼处于具有电学活性的四配位状态，为此要通过有效方法降低B---H-Si键的含量。目前，常用的方法是通过后续退火对薄膜施加能量，激活被氢钝化的硼原子，提高薄膜电导率。N.Khelifati等人（Phys.Status Solidi C,7(2010)679–682）认为退火可以打散B---H-Si键，提高硼掺杂效率，他们采用后续200～350℃下20min退火有效提高a-Si:H薄膜电导率1～2个数量级。Y.Sobajima等人（Journal of Non-Crystalline Solids358(2012)1966–1969）采用后续100～200℃下退火30min提高硼掺杂微晶硅薄膜的电导率，他们同样认为退火打散了微晶硅薄膜中部分B---H-Si键。后续退火是打散B---H-Si键的有效方式之一，但是这种方法依赖于薄膜初始结构，而且后续退火会提高氢化非晶硅薄膜的制备成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种低硼掺杂下高电导率氢化非晶硅薄膜的制备方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低硼掺杂下高电导率氢化非晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：采用离子束辅助磁控溅射技术，以硼原子的掺杂量为0.02～0.2at%的硼掺杂单晶硅作为磁控溅射靶材进行溅射，本底真空度为10^-4～10^-5Pa，射频功率为100～300W，溅射气体为氩气和氢气的混合气体，溅射气体总气压为0.1～0.5Pa，衬底温度为100～400℃，以高纯氩气作为辅助离子源形成氩辅助离子束，氩辅助离子束的能量为100～800eV，束流为5～30mA，在衬底的表面溅射沉积形成薄膜的同时氩辅助离子束撞击薄膜表面，得到低硼掺杂下高电导率a-Si:H氢化非晶硅薄膜。

优选地，所述的混合气体中，氩气和氢气的流量比为1～6:2。

优选地，所述的溅射气体总气压为0.1～0.3Pa，所述的衬底温度为150～350℃。

优选地，所述的氩辅助离子束的能量为200～600eV，所述的束流为10～30mA。

优选地，所述的高纯氩气的纯度≥99.999%。

优选地，所述的衬底为普通玻璃、石英玻璃或硅片。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.本发明采用离子束辅助磁控溅射技术制备低硼掺杂的a-Si:H薄膜，一方面，磁控溅射方法具有无有毒气体污染、低沉积温度、薄膜内H含量大范围可调控等优点；另一方面，在薄膜沉积时，通过离子撞击将氩辅助离子束的能量传递给薄膜表面原子，通过调控沉积原子迁移扩散行为，调控薄膜沉积行为，打散B---H-Si键，抑制B---H-Si键的形成，使更多硼原子处于四配位态，提高硼原子的有效掺杂效率，有助于大范围调控硼掺杂Si薄膜的电导率，从而在低硼掺杂量下一步制得高电导率的a-Si:H薄膜。因此，本发明方法制备工艺简单，成本低，适合大规模工业化生产。

2.本发明方法在低硼掺杂下得到高电导率a-Si:H薄膜，由于a-Si:H薄膜中的硼掺杂量由硼掺杂单晶硅靶材中的硼原子掺杂量决定，而硼掺杂单晶硅靶材中的硼原子的掺杂量较低，只有0.02～0.2at%，从而a-Si:H薄膜中的硼掺杂量相应地也较低。低浓度的硼原子不会明显恶化薄膜结构特性，从而保证作为窗口层材料的掺杂a-Si:H薄膜具有高电导率及低光吸收率的特性。