籽晶阵列法制备可转移晶硅膜及柔性太阳能电池研究

Directly using silane or silicon chloride to grow high quality crystalline silicon films is a crucial and practical solution on the issue of the cost and conversion efficency in the phovoltaic industry. This way would avoid the high energy consumption and great material scrapping from the fabrication of single crystal silicon wafers. Combining the assembly technique of quasi-one-dimensional materials with the low-cost film growth technology, this project brings out a new route to fabricate transferrable crystal silicon films via seed arrays. The seed arrays will be made from silicon periodic rod patterns. In order to reveal the kinetics and mechanism of the film growth, it will be investigated that the effect of the seed pattern fashion, crystallographic orientation, and growth conditions on the formation of continuous thin films，and the naturally texturized surface structures. Furtherly, the seed array method will be optimized to prepare voidless, high crystal quality silicon films. On the other hand, the approach to design soft solar cells，the technique of non-destructively transferring films ， and the recoverability and re-usability of the rod array substrates will be studied. The charateristic of the film defects, surface and interface,and natural surface textures will be investigated in detail, so as to improve the quality of the films, and the energy conversion efficiency of the film solar cells. This project promises a cheap and reliable way to grow detachable silicon films with high crytallinity, and will open a practical opportunity to the high-efficient, light, soft, and low-cost crystal silicon solar cells.

绕开传统的高能耗、高耗损单晶硅片制作过程，直接利用含硅气体制备高晶体质量的硅薄膜材料是解决当前太阳电池成本与效率问题的关键途径之一。本项目把准一维结构材料的组装与廉价薄膜材料技术紧密结合，提出"籽晶阵列法制备可转移晶硅膜"的新思路。采用硅准一维结构的有序阵列构建籽晶点阵，研究籽晶点阵排列方式、籽晶晶体取向以及生长条件对形成连续薄膜以及薄膜表面自发绒面结构的影响，揭示晶硅膜生长的动力学规律，阐明晶硅薄膜生长机理，发展籽晶阵列生长无孔高质量晶硅膜的新方法。在此基础上探索构建柔性晶硅太阳电池结构的方法, 探索薄膜和棒阵列均无破损的层转移技术以及阵列衬底的修复再利用。并对薄膜缺陷、表面与界面、以及表面自发绒面结构等方面的性能进行研究，实现电池器件效率的提高。本项目的实施有望获取一种廉价可靠的制备高晶体质量、可转移的晶硅薄膜方法，为最终实现高效、轻质、柔性、廉价晶硅太阳能电池奠定科学和技术基础。

为了应对当前日益严峻的环境与能源困境，可再生、清洁的光伏能源应用占比逐渐增加是大势所趋，但是目前的光伏技术还面临着成本与效率的产业瓶颈。直接利用气相硅源外延制备具有自发绒面结构的层转移薄晶硅，一方面可以避免传统的多晶硅制备、单晶提拉、晶片切割等工艺过程而直接获得晶片，另一方面可免除传统晶硅太阳能电池的制绒工艺，是实现高效、低成本光伏应用技术的捷径。本项目着重研究了以单晶硅片为母衬底构建制备外突型籽晶阵列的新型衬底技术，并对籽晶阵列衬底的选区外延生长行为以及外延薄膜的表面形态控制进行了研究，以期实现衬底可直接重复利用，层转移外延膜具有生长自发形成的绒面织构目标。经过四年项目实施，开发出了具有一定普适性的熔体填充湿法选择性刻蚀去除微柱顶部氧化物阻隔层形成外突型籽晶阵列衬底的技术，该技术工艺稳定、可靠，无晶片尺寸和半导体类型限制；获得了利用Si3N4的湿法刻蚀掩膜特性和抗热氧化特性制备具有高度力学稳定性楔形条纹和锥形柱状籽晶的方法，该方法与现行半导体微纳工艺高度兼容，具有产业实用价值；成功实现了离散籽晶到连续薄膜的外延生长，证实项目所提出的籽晶阵列衬底这一创新性技术确实可行，该技术应用到成熟的半导体产业设备即可获得柔性层转移晶硅膜并展开相应应用；验证了可以通过籽晶的离散特性在外延膜表面一侧或两面以生长自发形式形成有序绒面结构。项目的研究成果将对推进低成本、柔性、高效晶硅太阳能电池技术的实现具有重要意义。