光致变化特性研究：a-Si薄膜材料

（1）a-Si薄膜材料光电性质的光致退化 用辉光放电法制备的a-Si：H薄膜经光照后（光强为200mW／cm²，波长为0.6～0.9μm），其暗电导和光电导随时间而逐渐减小，并趋向于饱和，但经150℃以上温度退火处理1～3h后，光暗电导又可恢复到原来的状态，这种非晶硅光致亚稳变化称为光致变化效应，即Staebler-Wronski效应（SWE），是D.L.Staebler等1977年首先发现的。

SWE是a-Si：H膜的一种本征的体效应，经电子自旋共振和次带吸收谱等技术测定，光照在a-Si：H材料中产生了亚稳悬键缺陷态，其饱和缺陷浓度约为10¹⁷cm^－3，这些缺陷态的能量位置靠近带隙中部，主要起复合中心的作用，导致a-Si：H薄膜材料光电性质和太阳电池性能的退化，限制了a-Si：H电池可达到的最高稳定效率。光照除导致a-Si：H的光电导和暗电导下降，亚稳悬挂键密度增加外，还引起a-Si：H物理性质的一系列变化：费密能级向带隙中心移动，载流子寿命降低，扩散长度减小，带尾态密度增加，光致发光主峰强度下降，缺陷发光峰强度增加，光致发光的疲劳效应等。

（2）a-Si薄膜材料光致退化的产生机制因为没有单一的a-Si：H薄膜材料，本征和光致缺陷对沉积条件和微结构也没有单一的依赖关系，因此对SWE现象的理解进展较慢，一般认为，氢在SWE中起了重要的作用。1998年H.Branz提出一个氢碰撞理论来解释SWE：光生载流子的非辐射复合释放能量打断Si-H弱键，形成一个Si悬键和一个可运动的氢。氢在运动的过程中，不断地打断Si-Si键，形成Si-H键和Si悬键，氢跳走时，每个被打断的Si-Si键又恢复到打断之前的状态，这会产生两种结果：其一是运动的氢又重新陷落在一个不动的Si悬键缺陷中，形成Si-H键；其二是两个运动的H在运动时相遇或发生碰撞，最后形成一个亚稳的复合体，用M（Si-H）2表示。其二过程发生的概率要远小于其一，但却是产生SWE关键的一步。

除了氢碰撞理论，另外还有Si-Si弱键断裂理论：在a-Si：H中存在10¹⁸～10¹⁹cm^－3弱Si-Si键（带尾态的来源），光照时产生了电子-空穴对，但是电子-空穴对直接无辐射复合提供的能量会使Si-Si弱键断裂，断裂的悬键很容易重构而消失，是不稳定的，邻近的Si-H弱键有可能同新生的悬键交换位置，而使两个悬键分离，产生亚稳态键，导致SWE。

SWE的产生，还来源于Si-H键和非晶硅网络结构的光致亚稳变化，经各种仪器的实验和检测，发现其变化有：

1）光照使Si原子的整个2p峰发生了可逆的0.1eV的位移，而不只是产生了一个峰肩。

2）光照使a-Si：H的1／f噪声谱发生了从非高斯型向高斯型的转变，表明光照使整个（至少大部分）材料结构发生了变化。(www.xing528.com)

3）光照使各向同性和各向异性极化电吸收的比例发生了显著变化，表明发生了与非晶硅键角无序相关的长程网络应变。

4）偶极自旋弛豫时间与较大范围的键合氢原子有关。

5）光照后Si-H键拉伸振动膜（2000cm^－1）的强度增加了1.3％，这可能是Si-H键振子强度和数目增加的缘故。

6）光照使a-Si：H低频介电常数发生可逆变化。

7）光照甚至使材料的体积发生可逆膨胀。