高压条件下纳米晶硅的多激子产生特性研究

Nanocrystalline Si III (nc-Si III) has become a promising material for the third generation solar cell due to the properties of low band gap and high multiple exciton generation (MEG) yield, which possess important scientific significance and potential application prospect. However, the research on the MEG effect of the nc-Si III only concentrated on the theoretical studies as a result of the limited preparation process under normal conditions. In the project, we prepare nc-Si films with controllable crystalline size and density using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and annealing technology. For the purpose of developing a new way for the obtaining of the nc-Si III structure suitable for the MEG study, the high-pressure phase transition behaviors and transition mechanisms of the nc-Si films are investigated using in situ diamond anvil cell high-pressure experimental technology. The ultraviolet visible absorption spectroscopy and photoluminescence spectra are used to study the energy band structure and MEG effect of the nc-Si III structure for the exploration of the feasibility for the properties control of the nc-Si films via high pressure. The results will provide an important experimental basis for the applications of the nc-Si films in efficient photovoltaic devices.

纳米晶硅 III相（nc-Si III）因其低带隙和高多激子产生特性，具有重要的科学意义和潜在应用前景，成为第三代太阳能电池的优选材料。但受限于制备工艺，常规条件下难以获得适用于多激子产生（MEG）效应研究的nc-Si III结构，目前仅集中于理论探讨，尚缺少实验验证。本项目拟采用等离子体增强化学气相沉积技术结合退火技术制备多种晶粒尺寸、密度可控的nc-Si薄膜，利用成熟的原位金刚石压砧高压实验技术，研究该类材料在高压极端条件下的相变行为规律并探索其相变机制，寻找获得适用于MEG效应研究的nc-Si III结构的新方法。同时结合紫外可见吸收光谱和光致发光技术对高压下获得的nc-Si III相的能带结构特性以及MEG特性进行研究，探索利用压力对nc-Si薄膜物理性质进行调控的可行性，为nc-Si薄膜在高效光伏器件中的应用提供重要实验依据。

纳米晶硅（nc-Si）量子点的多重激子产生（MEG）过程研究倍受关注。尽管理论预言高压亚稳相BC8结构的nc-Si III相将成为高效MEG太阳能电池最有希望的Si基候选材料，但国内外关于nc-Si III相中MEG效应的研究仍然处在理论初期阶段，急需实验结论的验证。本项目利用金刚石压砧高压实验技术对多种方法制备的nc-Si薄膜进行原位高压同步辐射研究，揭示其高压下的相变规律，并对高压nc-Si III相的MEG特性进行了探索研究。.在nc-Si薄膜材料的制备方面，本课题分别采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）、甚高频（VHF-）PECVD技术以及双靶磁控溅射技术，在低温条件下（200℃）进行了nc-Si薄膜的制备和特性调控研究工作。通过设计nc-Si/a-SiOx多层复合结构以及合理参量调整，实现了nc-Si薄膜微结构与光学性能调整，制备了具有不同晶粒尺寸、密度的、室温发光的nc-Si薄膜。.在nc-Si薄膜的高压研究方面，本课题分析了不同晶粒尺寸、密度的nc-Si薄膜在高压下的相变行为规律，总结出其在高压下不同于体材料的相变规律。尤其对其卸压过程以及卸压过程中出现的各高压相结构进行详细研究，结合高压Raman光谱，初步确认了高压nc-Si III相结构存在的压力区间。对高压nc-Si III相进行了发光特性的研究，发现其光致发光峰相比于常规nc-Si发生红移的现象，分析了其能带结构特征。利用红、蓝双光束激发实现了nc-Si III相结构中载流子的碰撞激发，并初步探索了与其带隙相关的MEG特性行为。.本项目系统的研究了工艺参量以及引入势垒层设计多层结构对薄膜微结构与性能进行调控的方法。结合高压实验技术手段，揭示了利用压力对nc-Si薄膜物理性质进行调控的可行性。通过本项目的实施，为nc-Si III相薄膜的原位制备提供了新思路，为nc-Si薄膜在高效光伏器件中的应用提供重要实验参考。