非晶硅单晶硅异质结太阳电池的研究

分类号 ____________ 密 级 ______________ ＵＤＣ ____________ 编 号 ______________ 中国科学院研究生院博士学位论文论文题目 非晶硅 /单晶硅异质结太阳电池的研究学 号 _________________________ 作 者 _________________________ 专 业 名 称 _________________________ 2006 年 10 月许颖公开材料物理与化学200318013602649 中国科学院研究生院博士学位论文论文题目作者 _________________________ 指 导 教 师 单位指导小组成员 单位单位论文提交日期 2006 年 10 月学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席赵玉文廖显伯 研究员 中国科学院半导体研究所孔光临 研究员北京市太阳能研究所非晶硅 /单晶硅异质结太阳电池的研究许颖陈维德 研究员中国科学院半导体研究所中国科学院半导体研究所非晶硅 /单晶硅异质结太阳电池的研究Study on a-SiH/c-Si hetero-junction Solar Cells研究生姓名许颖指导教师姓名廖显伯中国科学院半导体研究所北京 100083，中国Doctor Degree Candidate Xu Ying Supervisor Liao Xian-Bo Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences Graduate School of the Chinese Academy of Sciences Beijing 100083， P.R.CHINA 独 创 性 说 明本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得中国科学研究院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名 ___________ 日期 ____________ 关于论文使用授权的说明本人完全了解中科院半导体所有关保留、 使用学位论文的规定， 即所内有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；所内可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名 ___________ 导师签名 ___________ 日期 ____________ 1摘 要 本论文对于非晶硅 /晶体硅异质结（ HIT ）太阳电池的机理、沉积工艺参数的优化、界面处理方法、界面缓冲层等方面进行了大量的研究工作，获得了以下研究结果1. 我们采用 AFORS-HET 模拟软件研究了非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池结构参数对电池性能的影响。根据指导实验的需要，我们选取了 n-型非晶硅和 p-型晶体硅异质结电池结构。研究了 n-型非晶硅发射区、本征非晶硅缓冲层、界面态、能带补偿以及背面加入微晶硅结对电池性能的影响。 计算结果表明， n-型非晶硅膜最佳厚度约为 5nm。本征非晶硅层的插入主要作用是钝化界面缺陷态，其光学带隙在 1.85eV、导带边能带补偿为 0.35eV 时电池的性能最佳。引入微晶硅背面结以后， n-a-Si/p-c-Si HIT 电池计算效率可达 23.96。2. 系统研究了沉积功率、 衬底温度、 氢稀释、 气压和掺杂条件对 n 型硅基薄膜的微结构和光电性能的影响。研制出了优质的 n 型纳米硅薄膜（ n-nc-SiH） , 其晶粒尺寸为 7～ 10nm，晶相比为 60。在高掺杂浓度（ n＝ 2*1018cm-3）下，获得了较宽的光学带隙（ Eg＝ 1.9eV）和较高的迁移率（ μ n＝ 5cm2/V.S） ，适合在 p 型单晶硅衬底 HIT 电池中用作发射区。采用该种发射区材料制备了非晶硅 /晶体硅异质结，比较了不同厚度 N 型发射区对电池性能参数的影响，发现随着 N 型发射区厚度的增加， 电池的开路电压增加， 考虑到对电池电流的影响和透明导电电极的制备工艺，我们确定了最佳厚度 15nm。3. 经过优化本征层对硅表面的钝化作用，改善了非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池的效率，成功研制出 p 型单晶硅衬底 HIT 太阳电池。在 1cm2 面积上，达到效率15.5， 其中 Voc＝ 526.9mV， FF＝ 0.848， Jsc＝ 34.7 mA/cm2； 在 2.34 cm2 面积上，达到效率 14.1，其中 Voc＝ 558.8 mV, FF＝ 0.792， Jsc＝ 31.88 mA/cm2（ AM1.5 ，100 mW/cm2， 25 oC） 。4. 系统地研究了沉积温度、 射频功率和真空退火条件对 ITO透明导电薄膜的微结构及电学和光学性能的影响， 研制出了高透过率 （ 90） 、 低电阻率 （ 2.18 10-4 cm2）的优质 ITO 透明导电薄膜，并应用于 HIT 电池。5. 采用 RF-PECVD 技术，在高氢稀释、高功率密度和高气压条件下，成功研制出p 型氢化纳米硅碳层 （ p-nc-SiCH） 。 该 p-nc-SiCH 层具有宽的光学带隙 （ 1.92eV） ，低的暗电导激活能（ 0.06eV） ，从而可望在太阳电池结构中获得较大的内建电势和较高的开路电压，适合用作玻璃衬底 p-i-n 型非晶硅电池太阳电池的 p 型窗口层，或者作为 n 型晶体硅衬底 HIT 电池的 p 型窗口层。在 p-i-n 型非晶硅电池太阳电池结构中， 应用优化的 p 型纳米非晶硅碳薄膜， 使得太阳电池的开路电压达到 0.94V，电池转换效率达到 8.39（ AM1.5 ， 0.07cm2） 。在上述工作基础上给出了未来的工作设想， 包括 采用带有织构的衬底以提高电池的短路电流；探索采用 N 型衬底的双面电池技术；采用新结构制备高效的异质结太阳电池。关键词异质结，太阳电池，等离子增强化学气相沉积。3Abstract In 1998, Sanyo Co. announced， they had achieved a novel HIT TM Heterojunction with Intrinsic Thin Layer ） solar cell with a high efficiency over 19 in module efficiency in 2005, produced in a lower temperature process. It is considered having potential of becoming a cost effective alternative for conventional c-Si technology and had got much attention for researchers all over the world. However, a similar approach applied to commercial p-type c-Si wafers demonstrated much lower efficiencies, although significant progresses have also been made in this approach. My thesis study focused on investigation of the novel HIT solar cell. The working principal and fabrication technology were investigated and some meaningful results were achieved 1. AFORS-HET software was used in the simulation of the a-SiH/c-Si heterojunction.The modeling results show that 1 The efficiency exceeding 18 of HIT solar cell with less than 5nm thin emitter layer can be obtained; 2 The main role of the intrinsic layer is to passivate the surface states of c-Si wafer, which has an optimized optical band gap of 1.85eV and a conduction band off-set △ Ec of 0.35eV with that of c-Si; 3 The highest efficiency of 23.93 AM1.5, 100mW/cm 2 can be reached by n-a-Si/p-c-Si heterojunction solar cells with bifacial passivation of a-Si/nc-Si. 2. The influence of RF power, substrate temperature, hydrogen dilution, gas pressure and doping concentration have been systematically investigated on the optoelectronic properties of n-type Si based films. High quality n-nc-SiH has been prepared with a grain size of 7-10 nm and a crystalline volume fraction of 60. This nc-Si has a high electronic mobility of μn＝ 5cm2/V.s and a large optical bandgap of 1.9eV, suitable for uses as the emitter in an HIT structure. The optimized thickness of nc-Si is determined in combination of the modeling results with ITO process requirements. 3. The passivation roles of the intrinsic layer prepared in different deposition conditions are investigated. The intrinsic layer only containing 2000cm -1 waggling mode in IR absorption curve has the best passivation role for the surface of c-Si substrates. The efficiencies of HIT solar cells are improved by using an optimized intrinsic layer. An 4efficicncy of 15.5 V oc＝ 526.9mV， FF＝ 0.8485， Jsc＝ 34.7 mA/cm2 on an area of 1cm2and 14.1 Voc＝ 558.8 mV, FF ＝ 0.792， Jsc＝ 31.88 mA/cm2 on an area of 2.34 cm2 are obtained. 4. The influence of RF power, substrate temperature, gas pressure and annealing conditions have been systematically investigated on the optoelectronic properties of ITO films. A high quality ITO film with highly transmittance above 90, lower resistivity of 2.18 10-4 cm is obtained as the front contact and antireflect caoting of HIT solar cell. 5. p-nc-SiCH layer with a desirable wide optical band gap 1.92eV and a low dark-conductivity activation energy 0.06eV is developed by implementing RF-PECVD technique under a high hydrogen dilution of 1001 H2SiH4, a high power density of 1W/cm 2 and a gas pressure of 70 Pa. High efficient p-i-n a-SiH solar cells deposited on glass substrate have been achieved with an open circuit voltage of 0.94 and an efficiency of 8.39（ AM1.5， 0.07cm2） by using this p-nc-SiCH window layer. Keywords HIT, PECVD, Solar Cells. 5非晶硅 /单晶硅异质结太阳电池的研究摘 要 . 1Abstract3第一章 引 言 7参考文献 10第二章 异质结太阳电池原理和相关测试技术 .112.1 异质结太阳电池的原理 112.2 太阳电池的基本参数 152.3 硅基薄膜的测试原理 182.3.1 喇曼散射（ Raman） 182.3.2 X 射线衍射 XRD . 192.3.3 傅立叶变换红外吸收谱（ FTIR） . 202.3.4 原子力显微镜（ AFM） 222.3.5 少子寿命测试 PCD. 222.3.6 薄膜方阻的测试 24参考文献 25第三章 非晶硅 / 单晶硅异质结的模拟计算 263.1 AFORS-HET 2.2 模型软件介绍 . 263.2 发射区对异质结电池性能的影响 283.3 本征层的参数对异质结电池性能的影响 303.4 界面态和能带补偿对异质结电池性能的影响 323.5 背面加重掺微晶结 36本章小结 37参考文献 37第四章 HIT 电池的制备和特性分析 394.1 N 型发射区材料的研究 . 394.1.1 不同沉积功率和不同温度下的 Raman测试 394.1.2 不同沉积功率和不同温度下的 Eg测试 . 434.1.3 掺杂的影响 . 454.1.4 对电池性能的影响 464.2 本征层的研究 . 494.2.1 生长条件对薄膜的影响 . 494.2.3 非晶硅薄膜的钝化作用 . 554.3 暗特性研究 5564.4 电池结果 . 584.5 同质结薄膜硅 / 单晶硅太阳电池 594.6 衬底 H处理对异质结电池的影响 . 664.7 后续工作设想 68本章小结 70参考文献 71第五章 ITO 薄膜的研究 735.1 衬底温度对 ITO性能的影响 . 745.2 射频功率对 ITO性能的影响 . 775.3 溅射气压对 ITO性能的影响 . 795.4 ITO 薄膜对电池性能的影响 . 82本章小结 83参考文献 84第六章 微量掺碳 nc-SiCH窗口层薄膜材料的研究 866.1 引言 866.2 P 型 nc-SiC 层样品制备 876.3 P 型 nc-SiC 层随 Rc的变化 876.4 P 型 nc-SiC 层随的 Ts变化 916.5 电池的研究 936.5.1 p/i 界面的改善 . 946.5.2 本征层厚度的影响 . 956.5.3 TCO/P 与 n/Al 界面的改善 97本章小结 . 98参考文献 . 99结 语 101发表的论文 103致 谢 1077第一章 引 言 目前，世界面临能源紧缺和环境恶化问题，可再生能源发展速度大大加快，据报道到 2005年光伏电池的产量已达到 1818 MW[1] 。从电池应用发展的趋势来看， 主要是提高效率和降低成本 [2] 。 随着规模化生产的扩大，电池成本会下降，这从晶硅电池发展的历程可以看出，晶硅电池从 1980年22/W 降到 2000年 4/W。预测硅电池的售价到 2014年应该降到 1/W– 1.50/W[2] 。降低电池成本的重要途径是研究和开发薄膜电池。在过去的十年，人们致力于CdS/CdTe、 CuIn,GaSe2 CIGS和多结 a-Si/a-SiGe薄膜电池的研究以降低成本。其中， 非晶硅电池经历 20 年的产业历程， 并在电子领域有一定的应用， 但终因电池效率偏低和有 S-W 效应，只占世界光伏生产的 5-6，而 CdTe 电池只占 1，其他薄膜电池实现产业化还需要一定的时间。降低电池成本的另一途径是研究和开发晶体硅 /非晶硅异质结电池。 1998 年 9月日本三洋公司宣布成功开发出非晶 /单晶异质结太阳电池。 2000 年，三洋公司研制的 100 cm2 异质结太阳电池实验室效率达到 20.7[4] ，并且迅速量产达 12 兆瓦，占当年世界光伏市场的 4.2。 这种电池由于在异质结界面上插入了一层本征层， 所以称为 HIT 电池 [5] （ HIT TM Heterojunction with Intrinsic Thin Layer ） 。 2004 年三洋公司的 HIT 太阳电池的大面积（ 100cm2）实验室效率达到 21.6，其生产能力已经达到近 50MW， 2005年商用组件效率达到 19， 其电池结构如图 1 所示。8图 1 HIT 电池结构示意图 [5]HIT 太阳电池具有以下的特点（ 1） 效 率高。大面积电池的效率比常规太阳电池高近 20，是效率最高的一种新型商业电池；（ 2） 成 本低。报道其全部工艺在 200℃以下完成，热能投入少，同时对环境洁净程度要求较低；（ 3） 电 池工艺简便快速。 上、 下非晶硅层厚度共 40nm 左右， 可用一般射频 PECVD方法制备，沉积速率一般可一达到 0.1nm/s。上、下 ITO 层，加上金属电极的制备时间，有望在 60 分钟内完成。（ 4） 使 用 n 型衬底。既具有较高的少子寿命，又避免了与主流晶硅太阳电池争夺硅片源的问题。（ 5） 对 于衬底硅材料的要求较低。 由于常规电池工艺中有两次 800℃左右的高温工艺，在硅中的氧施主发生重聚，形成少数载流子的复合中心，对电池的效率产生影响，因此，常规太阳能级硅片对于氧含量的要求较高。而 HIT 电池工艺均在 200 度以下，因此用于该种电池的硅片中的氧不会发生重聚，形成有害的复合中心，故三洋公司采用太阳级硅片制备了高效的 HIT 电池。9在日本之外对于 HIT 太阳电池的研究也在进行。意大利、德国和美国等的科学家也从 1997年起研究异质结电池， 相关研究包括软件模拟计算； 多层结构、 传输机制和界面缺陷密度影响分析；探索不同的沉积技术；研究界面处晶格失配、能带失配及界面缺陷态密度的影响；衬底表面处理方法、表面钝化的影响；不同类型（区熔单晶、直拉单晶和多晶硅）衬底的影响等方面。本论文的目的和研究内容本论文是依托北京市自然科学基金项目 “ 高效非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池的研究 ” 进行的，目的在于进行有关非晶 /单晶异质结电池机理的研究， 同时在实验室条件下将电池效率提高到一个较高的水平。具体包括借助现有的模拟软件对于各个研究环节进行模拟计算，以寻找提高电池效率的途径；在实验方面通过喇曼光谱测试、光谱响应测试、带隙测量、 SRP 测试、 XPS 测试、 SIMS 测试、 SEM 测试、IR 测试等方法对材料样品进行分析；研究硅表面和界面处理方法，及其对电池特性的影响等。本论文的组织 本论文共分为六章， 具体内容安排如下第一章引言部分主要介绍论文工作的研究意义和工作计划；第二章主要介绍异质结太阳电池工作原理和相关测试技术；第三章采用 AFORS 和 PC1D 软件对异质结太阳电池进行模拟计算和分析；第四章采用 PECVD 方法制备 HIT 电池的研究。包括发射区材料的制备和特性表征； 本征层材料的制备， 本征层材料对单晶硅基片的钝化作用； 同质结多晶硅薄膜 /单晶硅太阳电池的制备；非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池的制备和工艺优化，并提出了未来工作的设想。第五章系统地研究了磁控溅射制备 ITO 薄膜随温度、功率和退火条件的变化，10并用于异质结电池。第六章研究了掺碳纳米硅薄膜的制备工艺和性质，并将其作为制备 PIN 电池的窗口层制备了单结 PIN 电池。参考文献[1] 赵玉文 , 2005中国光伏产业发展报告[2] Sean E. Shaheen, David S. Ginley, and Ghassan E. Jabbour,Organic-Based Photovoltaics Toward Low-Cost Power Generation, MRS Bulletin, 30, 102005 [3] Adolf Goetzberger, Christopher hebling.Photovoltaic material, past , present, futher. Solar Energy materials 用丝网印刷的方法在电池的两面制作 Ag 电极。上述的所有过程都是在低于 200℃的低温下进行的。图 2.4 HIT 电池结构的能带图图 2.4 HIT 太阳电池能带图152.2 太阳电池的基本参数 [4]图 2.5 是太阳电池的理想等效电路。伏安特性曲线和暗特性曲线见图 2.6。在没有光照时， 太阳电池的电流 -电压关系和普通二极管完全相同。 所以太阳电池在无光照时的特性即暗特性，只是图中电流轴向是反向画的。图 2.5 太阳电池的理想等效电路图 2.6 电池伏安特性 图 2.7 电池工作点在存在电阻负载时， 负载为一直线，如图 2.7，其斜率由电阻的大小决定。负载线与伏 -安特性曲线的交点 W 为工作点。负载电阻 RL 从电池获得的功率为VIPR （ 2.9）即图中矩形面积，能使矩形面积为最大的负载电阻称为最佳负载。最佳负载能够从太阳电池获得最大输出功率。表征太阳电池特性有以下几个重要参数1 开路电压 VOC16当电池处于开路状态时， RL 趋于无穷， I0，所以1ln SLoc IIqKTV （ 2.10）由于 IL 与入射光强成正比，因此 VOC 它也随入射光强增加而增大，与入射光强的对数成正比，开路电压还与 I0 的对数成反比，而 I0 与电池基体材料的禁带宽度和复合机制有关，禁度愈宽， I0 越小，则 Voc 愈大。 Voc 随温度的升高而降低。2 短路电流 ISC当电池处于短路状态时， RL 0， V0，所以LSC III （ 2.11）即短路电流 Isc 等于光生电流 IL ，与入射光强成正比。光电流密度 JL 即光电流 IL 除以光电池面积，可以表示为0 gL ENqJ η （ 2.12）式中 0η 为收集效率； N（ Eg）为能量超过 Eg 的光子流密度， Eg 为禁带宽度。3 输出功率、转换效率和填充因子 [4]由图 1.7 看出，曲线上任意一点都是太阳电池的工作点。工作点和原点的连线是负载线，负载线的斜率的倒数即等于 RL。可以调节负载电阻 RL 到某一个数值 Rm时，在曲线上得到一点 W， W 点对应的工作电流 Im 和工作电压 Vm 之乘积为最大。即mmm VIP （ 2.13）称 W 点为太阳电池的最佳工作点， Im 为最佳工作电流， Vm 为最佳工作电压， Rm 为最佳负载电阻， Pm 为最大输出功率。太阳电池的转换效率为100inmPPη （ 2.14）式中 Pin 太阳能电池的输入功率。所以太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载时的最大能量转换效率。17最大输出功率与（ VOCI SC）之比称填充因子，用 F.F表示。对于一定的开路电压 VOC 和短路电流 Isc 值的特性曲线来说，填充因子越接近于 1，电池效率越高，伏-安特性线弯曲越大，因此也称曲线因子，表示式为SCOCmmSC IVIVIVFF OCmP. （ 2.15）F.F 是用以衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一。在一定光强下， F.F 愈大，曲线愈方，输出功率越高。电池的转换效率也可表示为100. inSCOCPIVFFη （ 2.16）影响填充因子的参数有开路电压和太阳电池的串联电阻、并联电阻等。在理想情况下， Voc 越大则 F.F 越大。4 串联电阻在实际的太阳电池中要考虑太阳电池的等效电阻。 通常把太阳电池里的等效电阻分为两类并联电阻 Rsh（或者 Rp）和串联电阻 Rs。并联电阻主要来源于电池边缘漏电， 杂质和缺陷引起的 p-n 结漏电等。 串联电阻包括金属电极和半导体之间的接触电阻、金属电极电阻和半导体材料的体电阻等。图 2.8 考虑串并联电阻后的等效电路图 2.8 是考虑了太阳电池的等效电阻后， 光照下的太阳能电池的实际等效电路。RS 和 RSh 相比， RS 为低阻值；而 Rsh 是高阻值。串并联电阻对电池性能的影响见图 2.9。从图 2.9（ a）中可以看出，填充因子FF 随着并联电阻的减小而减小，而开路电压 Voc 只有在并联电阻低于 100 cm2 时18才也随着 F.F 减小，短路电流不受并联电阻的影响。由于通常晶硅太阳电池的的并联电阻都超过 1000 cm2，所以一般并联电阻的影响可以忽略。从图 2.9（ b）可以看出串联电阻对电池的填充因子影响很大，只有在串联电阻很大时才会短路电流有影响，而开路电压不受串联电阻的影响。为了获得高效率，尽可能降低串联电阻是很有必要的。图 2.9 串并联电阻对电池性能的影响2.3 硅基薄膜的测试原理 本论文应用的硅基薄膜微结构和电学性质的测试技术包括 喇曼散射， X 射线衍射，傅立叶变换红外吸收谱，原子力显微镜，少子寿命测试和薄膜方阻测试等。2.3.1 喇曼散射 [4， 5] （ Raman） Raman 散射光谱技术是表征固体材料结构的有效手段，特别适用于研究硅基薄膜从非晶相向纳米晶相的转变。 Raman散射是指当光通过凝聚态物质时，光子与光学波声子发生非弹性散射，并伴随着产生或湮灭一个声子。对于晶态一级喇曼散射的选择定则是s i q （ 2.17）19s ik k q （ 2.18）上述两式分别表示非弹性 Raman散射过程中所遵守的能量守恒和动量守恒定律。 Raman散射实验所用的入射光一般是在可见光或近红外的范围，入射光子的能量 i ～ 1-2 eV ，入射光波矢 ik ～ 104cm-1。晶格振动的声子的能量一般是几十分之一 eV，也就是说光子能量远大于声子能量。因此根据 2.17 式，散射光子的能量与入射光子的能量相比只有很小量的位移， 而入射光子的波矢 ik ～ 104cm-1 与散射光子的波矢 s ik k q 相近。所以，由动量守恒 2.18 定律可知，只有 0|| ≈q 的声子才能被吸收或发射。而第一布里渊区中波矢的范围是 0 ≤ || q ≤ aπ ，式中 a 是晶格常数，aπ 的量级为 107～ 108cm-1。所以，在 Raman散射实验中只有那些靠近第一布里渊区中心的声子模式才能参与作用。非晶硅与晶体硅在结构的不同在于，它不是一种具有长程序的物质，不存在大范围的原子周期性排列，也没有足够大尺寸的微晶来产生清晰的布拉格衍射线。为了描述非晶硅的 Raman散射行为，通常需要引入相关长度 Λ 的概念，它表示简谐振动状态的空间范围 , Λ 直接反映了材料中不完整性的起伏， Λ 的值越大缺陷密度越低。在完整晶体中， ∞→Λ ，振动的简谐模式是真正的声子，其波函数具有平面波包络，因而具有完全确定的波矢。在非晶硅中，由于声子被局域，其波函数可以用平面波函数和一个衰减的指数因子表示为 /exp*exp Λ- rriq ， 波矢不再是好的量子数， 0≈q 的波矢选择定则被放松，一级 Raman光谱包括了整个振动的能量范围[17] 。正是以上原因使得晶体硅的 Raman散射谱线是在布里渊区中心位置的很窄的吸收线，而非晶硅的谱线则是一些弥散的不尖锐的峰。2.3.2 X 射线衍射 [5] XRD X 射线衍射是表征材料结构的另一重要手段。主要是利用 x 射线与原子排列相互作用的衍射图样来研究物质的结构和原子的位置。定性地说，当 x 射线入射到单20晶体中时，由于晶格原子严格地周期排列，则衍射图象由一系列规则排列的衍射斑点组成；而若 x 射线入射到多晶体中时，衍射图样是以入射线为轴的一系列敏锐的衍射环，这是因为组成多晶体的小晶粒在空间呈任意取向的无规则排列，每个衍射环则对应于小晶粒中一定取向晶面的衍射；大量的实验证明，多晶体中晶粒的平均尺寸越小，衍射环变得越宽，越弥散；显然，若 x 射线入射到非晶体中时，则衍射图样应是由少数几个以入射线为轴的很宽的弥散环组成。 根据以上衍射图样的特点，可以定性的判断材料是晶态还是非晶态。根据 x 射线衍射强度分布可以计算结构径向分布函数，从而得到材料更精细的结构特点。结构径向分布函数（ RDF）定义为在材料中任取某个原子为球心，求出半径在 r－ r＋ dr 的球壳内的原子数，然后照此分别以体系中每个原子做球心求得的原子数予以平均， 其值可表示为 drrr 4 2ρπ ， 其中 4 2 rr ρπ 为原子径向分布函数。经计算整理有rKdKKKrrrr sin244 0022 ∫ ∞ φπρπρπ （ 2.19）式中 0ρ 为体系的平均原子密度； K 为衍射矢量； Kφ 是相干函数，这是一个可由实验测得的量。可见只要在实验上测出衍射强度分布，即可根据（ 2－ 19）式求出相应的径向分布函数。通常根据 debye-scherrer公式（ Klug and Alexander, 1974） ，可计算晶粒尺寸 coskd λθ θ Δ （ 2.20）式中 λ 是 X 射线的波长 , θ 为衍射角 , θΔ 为衍射峰的半高宽， d 是晶粒尺寸。通过 X 射线衍射线线形分析，可以得到有关两相硅薄膜材料的晶粒取向、晶粒尺寸分布、晶格微应变及晶形结构缺陷等标志薄膜结构质量的重要信息。2.3.3 傅立叶变换红外吸收谱 [5,6] （ FTIR）21傅立叶变换红外吸收谱是研究各种分子在红外波段发射或吸收辐射的规律与分子结构的关系的有力工具， 主要用于物质结构的分析。 对于固体材料， 可以把局部原子或原子团孤立出来当作分子， 来研究它们的各种振动模式与结构的关系。 每一种物质的每一种振动都有其固有的振动频率， 通过测量物质红外吸收的频率、 强度、线型等，可以获得物质中局域结构方面的信息。所以，红外谱是一种无损伤的探测原子局域振动模式的有效方法， 它可以跟踪原子近邻环境的变化， 因而利用它来研究物质的微观结构是非常重要的一种手段。要从硅薄膜的红外透射谱得到薄膜中 HSi - 键的构型及其分布情况，首先要将透射谱转换成吸收谱。目前将透射谱转换成吸收谱的方法中，最常用的是 BCC 法和 CL 法。其中的 BCC 方法是 Brodsky, Cardona 和 Cuomo 等人提出的，他们采用的薄膜的透射系数的表达式为2exp*11exp**4202020dTTdTT----αα （ 2.21）式中， 0T 是薄膜无吸收的基线透射率。如果薄膜的折射率和衬底的折射率差不多，且薄膜的厚度远小于衬底的厚度时， 0T 可以采用裸衬底的透射率。此外，用此方法求出的吸收系数，只有当满足条件 06.0* ≥d 时的吸收系数才是真正的吸收系数。下面给出了由式 2.21 推导出的吸收系数的表达式20202/12202401**2]1*4[expTTTTTTd---- α （ 2.22）Si-H 键的振动频率依赖于硅氢键的构型及其局部环境， 所以对非晶硅薄膜的红外吸收谱的研究可以得到其网络结构的信息。对红外吸收谱的研究通常将其划分为三个吸收带 a 位于 2000cm-1和 2090cm-1和处的伸展模 Stretching 带，分别对应于分立的 Si-H键的振动吸收峰和集团相 [Si-H 2 、 （ Si-H1n和 Si-H2n]的振动吸收峰；b位于 840cm-1和 890cm-1处的弯曲模 bending 带，这两个峰与 Si-H2n的振动吸收密切相关； c位于 640cm-1处的摇摆模 wagging带， 这一吸收带与所有的振动模式都有关， 所以通常用这一吸收带来计算薄膜中的氢含量。 从样品的红外吸收谱可以计22算出薄膜中硅氢键不同键构型的相对含量，同时还可以计算出薄膜中的氢原子的百分含量 SiHHH NNNC （ 2.23）其中，氢原子的密度 NH 可以用红外吸收谱 1640 -cm 处的吸收峰可以通过下面的经验公式进行计算∫ α dAN H （ 2.24）式中 A 为和 HSi - 键振动强度相联系的因子，可以用核反应技术来确定。这里我们参照文献 [28] ，取薄膜中硅原子的密度为 322105 - cmN Si ， 219106.1 - cmA 。2.3.4 原子力显微镜 [7] （ AFM ）原子力显微镜是观测样品表面形貌的另一重要手段，与 SEM 相比，它可以得到样品表面的粗糙度等定量信息。 AFM 的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面接近。由于针尖尖端原子与样品表面原子存在极微弱的作用力，通过扫描时时控制这种力恒定，带有针间的悬臂将对应于针尖与表面原子间作用力的等位面在垂直于样品表面方向起伏运动。利用光学检测方法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的特征。2.3.5 少子寿命测试 [8] PCD少数载流子寿命对半导体材料和光伏太阳电池器件是一个非常重要的参数。23实验证明，在小注入的情况下，脉冲注入半导体内部的少数载流子的数目是随时间呈指数式衰减的，即少子数目的衰减规律为τtenp -∝ΔΔ 或 2.25 式中 np ΔΔ 或 为少子数目变化量， t 是时间， τ 表征少数载流子的寿命。测 量 少 数 载 流 子 寿 命 的 方 法 很 多 ， 其 中 常 用 的 有 光 电 导 衰 减 法 PCD Photoconductance Decay、 表面光压法 SPV surface photo voltage、 二极管反向恢复法等。光电