光伏技术：微晶硅（μc－Si：H）材料与特性

采用PECVD技术，适当提高沉积温度或加大硅烷的氢稀释率，可获得若干小晶粒均匀镶嵌在非晶无序网络结构中的微晶硅薄膜材料。相对于非晶硅材料，微晶硅结构的有序化程度得到大幅提高，这对提高稳定性和掺杂效率均有良好作用，是硅基薄膜电池中不可或缺的重要材料之一。

1）微晶硅生长的纵向不均匀性

图7．7示出微晶硅薄膜的纵向扫描电子显微（SEM）图像，其衬底为绒面SnO2透明导电薄膜。图中显示微晶晶粒呈柱状生长模式。随沉积微晶硅薄膜厚度的增加，其后沉积薄膜的晶化率将逐渐增大，呈现出纵向微结构的不均匀性。

图7．7　微晶硅薄膜的SEM照片［7］

为降低成本，减少微晶硅沉积时间，需采用甚高频（VHF）与相关技术来提高微晶硅薄膜的沉积速率。纵向不均匀性会随着沉积速率的增大而更为明显，因此，在使用快速沉积技术的同时，应特别关注薄膜的质量问题。

2）微晶硅薄膜表面易于吸附氧

由图7．7所示，微晶硅的柱状结构，使得其内部存在如图7．8（a）所示的空洞状缺陷（在空洞的内部悬键部分可被H钝化）。这种空洞缺陷的存在会造成其结构的松弛和缺陷态增多。如果这些空洞联通构成管道，当薄膜表面无钝化层保护时，就易于空气中氧的侵入，使薄膜内氧含量增加。这些氧可由傅里叶红外谱（FTIR）检测，图7．8（b）给出250℃沉积薄膜内表征氧的信号（波数1 071cm－1）随存放时间增长而升高，说明微晶硅表面容易氧吸附。

图7．8　（a）硅基薄膜中空洞的示意图［12］和（b）沉积微晶硅膜红外峰随存放时间的变化［7］

由于硅薄膜中的氧起着施主作用，使未掺杂的“本征层”向n型转化。空洞结构的松弛也会造成微晶硅材料存放时的不稳定性。另外，沉积微晶硅时一定要在气源进入反应室的入口处加气体纯化器，以减少沉积时氧的导入。

3）微晶硅薄膜的掺杂

鉴于微晶硅是硅的微小晶粒镶嵌在非晶硅的无规网络结构中，微晶硅薄膜的掺杂应是非晶态和晶态掺杂所呈现现象的综合体现。在低浓度掺杂下，材料中的缺陷态密度一般在1016－17 cm－3量级。深能级缺陷态对掺杂的钳制作用明显，即从杂质原子中释放出来的电子（或空穴）需要先去填满这些缺陷态，然后才对材料的电导起作用。这正是非晶硅中显示的缺陷态对掺杂限制效应的体现。

4）微晶硅薄膜光学性质(www.xing528.com)

如上所述，微晶硅较之非晶硅具有明显的结构有序性，因此，吸收系数随晶化率的增大呈现高能区下降而低能区上抬的现象，如图7．9所示［8］。此时光吸收系数与光能量之间的曲线不满足托克（Tauc）关系［9］，故难于像非晶硅那样，依照该谱线直线部分的斜率来计算带隙宽度。但是也可由吸收系数α在104 cm－1处的值对应的光子能量来定义其光学带隙。由图7．9（b）可以看到，晶化率越高，用104表征的带隙会随晶化率增大而降低。

图7．9　光吸收系数与晶化率以及2．1和1．4eV吸收系数与晶化率的依赖关系［8］（a）光吸收系数与晶化率　（b）2．1和1．4eV处吸收系数

5）微晶硅薄膜的电学性质

如前所述，微晶硅材料具有偏向于n型的倾向，所以载流子主要是电子，电导率可以写为

式中：μ°n为导带内自由电子的迁移率；nf为导带中自由电子的浓度。

对p型材料，可将电子的符号换成空穴的符号。如两种载流子都对电导有贡献，则为两者之和，即

相对于非晶硅1．7eV的带隙，微晶硅具有与晶体硅相当的带隙（1．1eV）。在没有沾污的情况下，激活能应在0．5eV以上。

微晶硅光暗电导、光敏性与晶化率的曲线关系如图7．10（a），（b）所示，结果表明：随晶化率的提高，暗电导率和光电导率同时都会增大，但光电导率增加速度较小，所以，光敏性随晶化率增大而减小，甚至到高晶化率时两者相近，光敏性会接近于1［10］。对高晶化率的微晶硅材料测量结果的离散度，说明材料制备重复性的难度。

图7．10　光暗电导率和光敏性与晶化率的关系（a）光暗电导率与晶化率　（b）光敏性与晶化率