太阳能光伏技术：非晶硅材料的结构特点

非晶硅材料常称作无定形硅（amorphous Silicon，a－Si）材料，它是一种原子排列呈现短程有序（short distance order）、长程无序（long distance disorder）状态的硅材料。

晶体硅和非晶硅的结构特征可以用其原子排列的径向分布函数g（r）来说明。图7．1示出由X射线衍射谱（XRD）得到的非晶硅与晶体硅原子排列的径向分布函数。分子动力学模拟计算表明，晶体硅的径向分布函数具有一系列的峰值，相应于一系列的原子配位壳层，显示出晶体硅中所存在的短程序和长程序。而非晶硅的径向分布函数只显示出第一个和第二个峰值，表明非晶硅中只存在最近邻和次近邻的短程序。

图7．1　晶体硅与非晶硅原子排列的径向分布函数g（r）［1］

氢化使非晶硅的结构发生变化。但氢化非晶硅（a－Si：H）的g（r）与不含氢的a－Si相似，只是随着H含量的增加，a－Si：H的密度和表观配位数降低，其网络结构得到弛豫。在a－Si：H网络中，无序结构的应变还导致多种结构缺陷和微空洞的形成。除正常4配位键T4o外，主要结构缺陷包括Si－Si弱键（WB），三配位Si悬键T3o （Do）及其原生共轭对缺陷——五配位Si浮键T5o，以及Si－H－Si三中心键（TCB）等。此外还有多种结构缺陷与杂质形成的络合物［1］。

a－Si：H中的氢含量以及组态可以通过红外透射谱或拉曼谱进行检测，图7．2示出了非晶硅的红外透射谱。

在a－Si：H中既含有SiH，也含有SiH2，SiH3及（SiH2）n。这些组态的振动模式和振动频率如表7．1所示。

图7．2　非晶硅的红外透射谱［2］(www.xing528.com)

表7．1　Si－H组态的振动频率和模式

通过测量不仅可了解非晶硅薄膜中的硅－氢组态，还可以通过一些特殊测量来进一步了解各种硅－氢组态所占的比例。再通过一些硅基薄膜电参数的测量，就可以建立起生长薄膜的各种工艺条件与薄膜电参数之间的关系，进而建立起生长薄膜的各种工艺条件与太阳电池参数的关系，最后达到通过控制各种工艺条件来有效控制太阳电池参数的目的。

由于非晶硅材料结构上的无序性，所以它的能带与晶体硅的能带是不同的。非晶硅中的电子不再像晶体硅那样，在一个周期性的势场中运动，其本征函数可以用布洛赫函数Ψ（x）＝U（x）e2πikx描述。非晶硅中的电子是在一个随机起伏的无规势场中运动，所以，在能带的边缘处出现了带尾，如图7．3所示。

图7．3　非晶硅的能带图［3］

带尾中的能级是分立地称之为定域态（局域态）。在定域态的上边称为扩展态。定域态和扩展态的交界处称为迁移率边。在扩展态中运动的电子，和在晶体导带中运动的电子近似，而处在定域态中的电子，情况就大不相同了。由于定域态中的能级是分立的，所以，电子只有通过声子的协助才能从一个定域态能级跳到另一个定域态能级中去。这个跳跃过程可以是不同能量之间的近程跳跃，也可以是能量极为相近的变程跳跃。