太阳能光伏技术：硅基合金薄膜特性及应用

在硅薄膜中添加不同的元素可以获得不同带隙的硅基合金材料。使其可响应多个不同波段的太阳光谱，以提高太阳电池的光电转换效率。

图7．11　a－SiGe：H，a－Si：H和a－SiC：H吸收系数比较［12，13］

例如，在硅中添加小尺寸的原子，如碳（C）、氧（O）等原子构成SiC，SiO合金，以增大其带隙；添加半径大的原子，如锗（Ge）构成SiGe合金，以变窄其带隙。图7．11给出添加C、Ge后非晶硅碳、非晶硅锗和非晶硅三种薄膜带隙的比较［12，13］，表明C和Ge对带隙相反的调制作用。调节Ge，C与Si的成分比，a－SiGe：H合金带隙可调节到1．2eV以下，而a－SiC：H的带隙可达2．0eV以上。除了带隙的变化外，还会引起折射率、电导率变化以及是否可掺杂等问题，需要进一步深入探讨。

7．2．4．1 非晶硅碳合金

硅烷（SiH4）或乙硅烷（Si2H6）和甲烷（CH4）或乙烯（C2H4）等含碳气源在等离子放电环境中，将发生分解和化学反应生成非晶硅碳合金（a－SiC：H）。然后通过掺杂获得p型的a－SiC：H用作顶衬硅基薄膜太阳电池的窗口层。

窗口层p－a－SiC：H的带隙和导电特性非常重要。掺杂浓度对电导和带隙的影响如图7．12所示［14］。鉴于掺B将窄化带隙，采用低甲烷流量比引入的缺陷态较少。控制合适沉积条件，可使掺B窄化带隙的作用减弱。B掺杂比DC＝1%时，暗电导可达1×10－7S·cm－1，满足作为窗口层材料的性能要求。

图7．12　掺杂浓度对硅碳薄膜电导和带隙结构调制作用示意图［14］

7．2．4．2 非晶／微晶硅锗合金［11，15］

图7．13　硅锗合金和硅薄膜吸收系数［15］(www.xing528.com)

在Si中掺入适量Ge形成SiGe：H合金，可获得窄带隙材料。Ge的光吸收系数较高，其与硅构成的合金材料的光吸收系数也远高于硅薄膜，如图7．13所示。所以选用微晶硅锗合金与非晶硅作成叠层电池的底电池时，与μc－Si作底电池相比，可将底电池的厚度从2μm减至0．9μm［15］。

非晶或微晶SiGe合金（a－SiGe：H／μc－SiGe：H）可采用PECVD方法，通过在H稀释SiH4中掺入锗的烷类气体，如GeH4、Ge2H6，或GeH3CH3（MMS）等以生成a－SiGe：H。加大H稀释率，可由a－SiGe：H向μc－SiGe：H的转变。

7．2．4．3 非晶硅氧（a－SiO：H）合金［8，16，17］

以H稀释硅烷添加CO2做混合气源，在等离子体放电作用下，CO2，SiH4，H2之间将产生如下反应：SiH4＋CO2＋H2　─→a－SiO：H生成非晶或微晶硅氧合金 （SiO：H）薄膜。由Si的无规网络与SiO2网络之间融合状态的不同，硅氧合金的原子构型也会不同。有四种描述融合状态的方式：

（1）可能是非晶硅和SiO2网络的随机混合。

（2）硅氧原子以Si－Si4－nOn（n＝0～4）方式。

（3）Si，O，H原子以HSi－Si3－nOn（n＝0～3）等四面体构型随机键合在一起，形成一种均一的合金结构。

（4）亦或是SiOx：H合金以硅基网络和硅氧网络两相分离的模式，此时当氧成分x＜1时，可能由以Si：H构型的富硅相和以Si－Si3O构型的富氧相的两相组成，富硅相镶嵌于富氧相之中。

第（4）种的描述硅氧合金微结构的模型称壳层模型，它主要描述高温生长的硅氧薄膜，其中H的成分非常小，在此限于篇幅，不予讨论。

SiO：H材料可以用来制作电池的窗口层、吸收层以及叠层电池中两个子电池之间的中间层，以合理分配两个子电池对太阳光谱的利用比例。