硅量子点纳米结构薄膜材料及其太阳电池的制备研究

Silicon quantum dot(QD) nanostructure thin films in amorphous silicon nitride matrix are deposited onto glass substrates and silicon substrates by plasma enhanced chemical vapour deposition(PECVD) and hot wire CVD at a low temperature (300℃). The characteristics of the silicon QD nanostructure films are investigated by XRD,Raman spectroscopy,TEM,photoluminescence(PL),infrared spectra and so on. By optimizing the deposition parameters and film thickness, we control the size, density and shape of silicon QDs.Through comparing and analyzing the merits and demerits between PECVD and hot wire CVD, the best deposition technical parameters are obtained.The N-type and P-type silicon QD nanostructure thin films are deposited by doping phosphorus and doping boron.We will prepare the nanocrystalline silicon quantum dot themultilayer films(from 3 to 8 layer), and we can control the QD's size, QD's density and QD's shape in different layer. Meanwhile,we will prepare some different size silicon QDs, smaller size Si QDs(～2nm) on top of the thin film, bigger size Si QDs (～8nm) on bottom of the thin film,and increasing QD's size step by step from top layer to bottom layer. we will carry out the theoretical calculations and computer's numerical simulations for silicon QD nanostructure thin films and solar cells.The optimizing silicon QD nanostructure films in amorphous silicon nitride matrix will be fabricated into multijunction photovoltaic solar cell with photoelectric conversion efficiency of 3～5%. Therefore, this research scheme will lay a solid foundation for the preparations of high efficiency, cheap silicon third generation solar cells.

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术和热丝CVD技术，在玻璃和单晶硅衬底上低温（300℃）生长镶嵌在非晶氮化硅母质中的硅量子点纳米结构薄膜材料。使用XRD、Raman谱、TEM、光致发光谱、红外谱等对硅量子点纳米结构材料进行表征。通过优化沉积参数和薄膜厚度，来控制硅量子点的大小、密度和形状。比较两种CVD技术制备硅量子点材料的优缺点，获得制备量子点材料的最佳工艺参数和技术。对硅量子点纳米材料进行P掺杂和N掺杂。制备出纳米晶硅量子点多层膜（3-8层），并控制每层膜中量子点的大小、密度和形状，使上层膜具有小的量子点（～2nm）,下层膜具有大的量子点（～8nm）。对量子点纳米结构材料和量子点太阳电池进行理论模拟计算。使用优化的硅量子点纳米结构材料组装多结硅量子点纳结构太阳电池,并初步获得光电转换效率达到3-5%的硅量子点薄膜太阳电池。为制备高效、廉价的硅第三代太阳电池打下坚实的基础。

利用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，以SiH４、NH3、N2为反应气源，以p型单晶硅和玻璃为衬底，低温（200℃）制备出非晶氮化硅（SiNx）和富硅-氮化硅薄膜材料。在氮气氛中，与500-1100℃范围内对单晶硅片上沉积的富硅-氮化硅进行退火处理。通过改变退火温度、退火时间，在富硅-氮化硅薄膜材料中结晶出了尺度大小不同的硅量子点，得到了镶嵌在氮化硅母质中的硅量子点薄膜材料。控制薄膜厚度以及退火温度和时间，在p型单晶硅片上制备出了6层硅量子点薄膜材料，并实现了从大尺度到较小尺度分布的6层复合结构硅量子点薄膜材料。利用热丝化学气相沉积（HWCVD）技术，以SiH４、NH3、N2为反应气源，以p型单晶硅为衬底，在热丝温度为1680℃左右，在p型单晶硅衬底上制备出了富硅-氮化硅薄膜材料以及包埋在非晶氮化硅中的硅量子点薄膜材料。利用X射线衍射谱、傅里叶红外变换谱、紫外-可见光谱、光致发光谱、透射电镜等手段对薄膜样品进行了表征，并研究了硅量子点薄膜材料的结构以及发光特性，通过讨论发光特性与发光来源，研究了硅量子点的分布和尺寸对发光带移动的影响，并给出了合理的理论解释。利用溶胶-凝胶法，研究了高透光率，低电阻的透明导电薄膜ITO的制备工艺，以及掺铝氧化锌AZO薄膜的制备工艺。在p型单晶硅衬底上，利用PECVD技术，沉积了6层镶嵌在氮化硅母质中的硅量子点薄膜材料，并在薄膜顶部沉积n型硅量子点薄膜材料或n型多晶硅薄膜材料，最后覆盖一层ITO薄膜，初步制备出了硅量子点结构薄膜太阳能电池，为进一步探索研究制备高效、廉价的第三代硅量子点薄膜太阳电池打下基础。