金属还原菌Shewanella oneidensis MR1对金属复合染料萘酚绿B的脱色及其资源化利用研究.docx
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金属还原菌ShewanellaoneidensisMR1对金属复合染料萘酚绿B的脱色及其资源化利用研究
金属诱导多晶硅薄膜制备与研究
】‘
分类号密级
注
论文
学位
金属诱导多晶硅薄膜制备与研究
题名和副题名
张良艳
作者姓名
指导教师姓名林祖伦教授
成都
电子科技大学
职务、职称、学位、单位名称及地址
工
申请专业学位级别硕士专业名称光学程
.
论文提交日期.论文答辩日期
学位授予单位和日期电子科技大学
答辩委员会主席
评阅人
年岁月艿日
注:
注明《国际十进分类法的类号。
:
:
二了
‘,?
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工
作及取得的研究成果。
据我所知,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过的研究成果,也不包含
为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
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作了明
确的说明并表示谢意。
签名:
筮色整日期:
知肜年月河日
论文使用授权
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁
盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权电子科技大学可以将学位论文
的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或
“
扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
土
保密的学位论文在解密后应遵守此规定
签名:
丛嫠垫
导师签名:
二壁竺
日期:
。
如年月灯日。
、;,.
呷冀摘要
摘要
多晶硅薄膜因其较高的载流子迁移率、较低的制备成本以及良好的光电稳定
性而被广泛应用于太阳能电池、薄膜晶体管等领域。
金属诱导法具有晶化温度低、
晶化时间短、制备成本低的优点,对多晶硅薄膜的制备以及多晶硅薄膜太阳能电
池的研究具有重要的意义。
本文采用金属诱导的方法成功制备了多晶硅薄膜,主要工作有:
用等离子
增强化学气相沉积法在玻璃衬底上沉积非晶硅薄膜;用真空热蒸镀法在
非晶硅薄膜上制备金属膜:
在气氛中对样品进行退火处理;采用、
测试了样品薄膜的晶化特性,研究了不同的工艺参数对非晶硅薄膜晶化效果的影
响;用紫外.可见分光光度计测试了样品薄膜的光学特性。
经过课题研究得出如下结论:
非晶硅薄膜诱导晶化的起始温度在℃附近,若退火温度为℃
或更低,无论退火多长时间都不会有晶化现象发生。
晶化过程中晶粒倾向于在方向生长,具有明显的择优取向;退火
后的多晶硅薄膜中含有残留的元素及元素,可能影响薄膜性能。
退火时间主要影响晶粒尺寸。
随着退火时间延长,晶粒平均尺寸增大,退
火后几乎饱和,后有所下降;薄膜结晶度随退火时间的延长一直小幅增加;
。
选择优化的退火时间为
退火温度主要影响薄膜结晶度。
随着退火温度升高,晶粒平均尺寸在缓慢
增加后保持下降,℃下退火时有所增加;薄膜结晶度随退火温度的升高一直迅
速升高;选择优化的退火温度为℃。
诱导前后薄膜透过率的差异以及诱导后薄膜较低的可见光吸收系数是由
又Ⅵ
金属诱导固有的薄膜不均匀和重掺杂缺陷造成的。
玻璃作为衬底时,样品薄膜在晶化过程中会脱落,而采用沉积有:
薄膜的玻璃作为衬底,则可以成功解决薄膜的脱落问题。
关键词:
多晶硅薄膜诱导晶化晶粒尺寸结晶度,●●一
心一.
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℃.
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目录
目录
一
第一章引言?
。
.课题研究背景?
.
.课题研究意义及目的?
.
.多晶硅薄膜的研究现状..
..直接制备法
..间接制备法
.本论文的主要工作内容及其意义?
?
.
第二章多晶硅薄膜及其主要应用?
?
.
.多晶硅薄膜的结构特性.
.多晶硅薄膜的电学性质.
.多晶硅薄膜的光学性质
..多晶硅薄膜的折射率和吸收系数?
?
.
..多晶硅薄膜的光电导?
..
.多晶硅薄膜的主要应用
第三章多晶硅薄膜的诱导制备.金属诱导晶化制备多晶硅薄膜机理?
..金属诱导机制?
.
..铝诱导和镍诱导的不同.
.制备过程设计?
.衬底准备.
.非晶硅薄膜制备
.等离子增强化学气相沉积原理?
?
.
..系统?
?
.
..沉膜过程
..非晶硅薄膜沉积参数..膜厚测试..
.
膜制备?
。
目录
..真空热蒸发镀膜的原理.
..真空热蒸发镀膜设备?
.
..
膜蒸镀.
..
膜厚度测试?
.
.退火处理
.样品测试
第四章诱导晶化法制备多晶硅薄膜影响因素的分析
.晶化起始温度的确定?
..制备参数.
..样品测试与分析?
.退火时间对薄膜晶化的影响?
..制备参数.
..样品测试与分析?
..样品测试与分析?
..退火时间对晶粒尺寸的影响?
.
..退火时间对结晶度的影响?
?
.
.退火温度对薄膜晶化的影响?
..制备参数.
..样品测试与分析?
..样品测试与分析?
..样品测试与分析?
..退火温度对晶粒尺寸的影响?
.
.退火温度对薄膜结晶度的影响.
.退火后薄膜的光学特性
..测试设备
..薄膜透过率
..薄膜吸收系数?
..
.不同衬底材料对薄膜制备的影响..制备参数?
..结果讨论..
第五章结论妻谢.?
..?
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。
....?
?
..
目录
参考文献
在学期间的研究成果
Ⅵ一
一第一章引言
第一章引言
.课题研究背景
能源危机和环境污染两大问题严重制约着人类经济和社会的长远发展。
随着
工业化时代的到来,人类社会对常规化石燃料的需求开始剧烈增长;尤其近
年以来,随着工业的迅速发展、人口的急剧增长、以及人类对生活舒适性的高度
要求,煤、石油、天然气等常规能源的消耗量变得越来越大。
大量的需求和无节
制的使用使地球的常规能源渐趋枯竭,严重的环境污染导致气候恶化、自然灾害
横行、生态平衡破坏,种种问题逐步威胁着人类的生存和长远发展。
在世纪初对世界能源储量进行的调查中,全世界煤炭的可丌采量约为
年,石油可开采量约.年,天然气可开采量仅约年【】。
如果仅仅依赖这些传
统的化石能源,人类社会的工业文明将无以延续。
中国面临着更加严峻的能源危机。
根据年底的统计,我国的经济可开发
能源总储量仅占世界总量的约.%左右,各种一次能源的剩余储量均低于国际平
均水平。
中国剩余可开采能源中,.%为原煤,.%为水资源,.%为原油,
.%为天然气,可开发能源的剩余可采储量仅可保证.年【。
气候恶化作为最严重的全球环境问题,已经引起当今社会的普遍关注。
年月日至日在月.麦首都哥本哈根举行的世界气候大会也反映了世界各国
对气候变化问题的关注。
倡导低碳生活,减少碳排放,减轻环境污染是全人类的
共同目标。
图.所示为对目前世界上各种发电方式碳排放率碳/.的统
计酬,由图可见,煤炭、石油和天然气三大常规能源发电的碳排放率最高,而以
太阳能为代表的新能源发电方式碳排放率远低于三大常规能源。
新能源发电方式
中太阳能发电的碳排放率最高,为碳/?
但也仅为三大常规能源发电方
式中碳排放率最低的天然气碳/.的一半左右。
由此可见,太阳能和风能等新能源和可再生能源的广泛应用是人类解决能源
危机、气候变化和环境污染的必需手段,是人类社会可持续发展的必经之路。
而
太阳能在全球的能源分布广泛,能源清洁可再生,是全世界公认的常规能源的理
想替代能源。
电子科技人学硕十学位论文
一
一
潮汐内力地热核能风力
煤炭石油天然气太阳能光伏波浪耋芝
图.各种发电方式的碳排放率比较
我国在太阳能利用方面有很好的地理优势,全国个省市自治区中,除四
省和贵州省年平均接收的阳光辐射较弱之外,其他所有地区都有强烈的阳光照射,
尤其新疆、西藏、甘肃西部、青海等省自治区在太阳能利用方面更是得天独厚。
因此,利用太阳能替代常规化石能源来发展经济,对我国具有相当重要的意义。
.课题研究意义及目的
太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两种。
晶体硅太阳能
电池分为单晶硅电池、多晶硅电池、带状硅电池等;薄膜太阳能电池主要有硅基
薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、化合物太阳能电
池等,其中硅薄膜太阳能电池又包括非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能
电池、微晶硅薄膜太阳能电池和纳米晶硅薄膜太阳能电池等。
将晶体硅太阳能电
池和硅薄膜太阳能电池合称为硅基太阳能电池。
由于硅基太阳能电池的源材料丰
富无毒,制备工艺技术成熟,并且电池光电转换效率高,性能相对稳定,又兼寿
命较长,使得目前太阳能电池总产量的%以上都为硅基太阳能电池。
、晶体硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的原料是纯度达到.%的高纯单晶硅棒。
单晶硅棒的生
产一般使用直拉法,对初始材料的纯度要求比较高。
单晶硅太阳能电池的转换效
第一章引言
率比较高,通过提高晶体质量可以使其得到不断提高。
规模生产的单晶硅电池组
件效率目前已经可以达到%~%,实验室最高效率已经达到.%,接近理论
最高效率%。
然而,由于单晶硅太阳能电池的制备工艺较为复杂,对初始材料
的纯度要求比较高,制备过程中需要消耗大量的硅材料,同时切片等工艺对材料
的浪费较大,因此其成本一直居高不下。
多晶硅是晶体硅的另外一种形态。
如果熔融的晶体硅材料在过冷条件下凝固,
硅原子就会以金刚石晶格的方式排列形成许多晶核。
当硅材料以这些晶核为核心
生长成不同晶向的晶粒,就会形成多晶硅。
多晶硅的生产对初始材料的纯度要求
不如单晶硅高,并具有直接拉制出方形硅锭的工艺技术,容易制出大型硅锭,形
成工业化的生产规模。
同时,生产多晶硅的设备相对比较简单,对材料和能量的
消耗较少,使得多晶硅太阳能电池的成本远远低于单晶硅太阳能电池。
直到年,单晶硅电池的产量还远大于多晶硅电池,约为:
。
但是经过
十多年的发展,目前二者产量已经基本相当,多晶硅电池甚至超越单晶硅电池,
成为光伏电池市场的主要产品之一。
相对于单晶硅电池,多晶硅电池的生产成本
低,占有较大的价格优势,但是由于多晶硅材料晶粒之间存在晶粒问界,晶体中
的缺陷、势垒等远远多于单晶硅材料,因此,部分载流子会因晶粒间界的存在而
损失,不能全部被.结收集,使多晶硅电池的转换效率低于单晶硅电池。
目前
规模生产的商品多晶硅电池组件转换效率约为%~%,工业大学光伏
中心使用厚度为
的多晶硅片,采用磷吸杂和双层减反射膜技术,使
的多晶硅电池光电转换效率达到.%】;光伏中心采用类似电池技
的多晶硅电池效率为
术,前表面织构采用光刻和腐蚀工艺形成蜂窝结构,
.%】:
德国太阳能研究所研制的深结局部背场电池,
的电池效率达到.%;在我国,北京市太阳能研究所开展的关于多晶硅电池的
的多
研究中,电池效率达到.%,北京有色金属研究总院研制的
晶硅电池效率达到.%;我国中试生产的多晶硅电池效率为%,
最高效率达到%。
要使太阳能电池走向大规模应用,就必须解决两个问题:
降低生产成本和
提高光电转换效率。
在工业生产中,电池的光电转换效率固然重要,但是成本却
是首先要考虑的因素。
晶体硅太阳能电池虽然光电转换效率较高,也具备大规模
生产的成熟的工艺技术,但是成本却过于昂贵,并且难以实现大面积制备。
晶体
硅光伏组件成本的%%来自硅锭生长、制锭和切片,同时晶体硅光伏电池必
须有很厚的硅衬底来保持其强度,导致整个组件制备过程中对硅材料的需求很大,
电子科技人学硕十学位论文
而硅材料的价格却在不断上涨;再加上制备晶体硅太阳能电池会消耗大量的能源,
因而其成本的降低空间很小。
一
要降低太阳能电池的成本,就必须最大限度地降低材料的成本。
同时我们意
识到对太阳能电池来说,转换效率高意味着我们将本来被浪费了的太阳能稍多地
一
利用了一些,效率低则利用的较少一些,并没有损失现有的资源。
所以,人们开
始以牺牲电池的转换效率为代价来开发材料消耗较少的薄膜光伏电池。
、硅薄膜太阳能电池
薄膜太阳能电池的衬底采用非硅材料,电池的主体部分很薄厚度仅在微米量
级,所用材料相对于晶体硅电池显著减少;同时由于各项低温制备技术制备温度
不超过℃的迅速发展,使薄膜电池的制备能耗远低于晶体硅电池;同时低温
技术使玻璃、塑料等廉价衬底得到大量应用,大大降低了薄膜太阳能电池的成本,
使薄膜电池近年来有了迅速的发展】。
在薄膜太阳能电池中,对硅基薄膜电池的研究最为热门。
非晶硅.薄膜电
池和多晶硅.薄膜电池是两种最主要的硅基薄膜电池。
不同于单晶硅,非晶硅
的内部原子排列短程有序而长程无序,材料内部有许多未和周围的硅原子成键的
电子构成“悬键”,在电场作用下,这些未成键电子可以自由运动而产生电流,因
此非晶硅太阳能电池可以做得很薄而极大地节约成本;非晶硅电池的抗辐射性能
远高于晶体硅电池,并且对可见光的吸收系数大于单晶硅,大约是单晶硅的倍,
厚度为岬的非晶硅薄膜就可以吸收大约%的可见光能量。
非晶硅薄膜太阳能电池一度成为最有希望解决现有太阳能电池各种问题的产
品。
但是随着对其研究的深入,发现非晶硅薄膜太阳能电池不但转换效率低%~
%,而且稳定性较差,寿命比较短。
非晶硅材料存在.效应,也称光致衰退
效应,在强光下照射一段时间后,非晶硅材料的光电导会显著减小,光照后的暗
电导可下降几个数量级并保持相对稳定。
?
效应会使非晶硅薄膜电池本来就低
的转换效率一般%四衰退%以上,只有将其在℃℃下进行退
火处理,其效率才会恢复到原来水平的%%。
.效应导致非晶硅薄膜电
池性能严重下降,是阻碍非晶硅薄膜电池发展和应用的最主要的因素。
由此,兼具晶体硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池优点的多晶硅薄膜太
阳能电池应时而生。
与晶体硅太阳能电池相比,多晶硅薄膜电池制备成本低、工
艺简单,并且易于大面积生产。
多晶硅薄膜电池的厚度随着结构的不同而在几微
米到几十微米之间变化,仅仅是晶体硅太阳能电池厚度的/到/,从而大大
节省了原料;多晶硅材料生产技术成熟、简单、多样化,可以大面积、全自动化
第一章引言
连续生产,便于实现工业规模化生产;低温生产技术的发展使多晶硅薄膜太阳能
电池可以制备在廉价的玻璃衬底上,成本大大降低。
与非晶硅薄膜太阳能电池相
一
比,多晶硅薄膜太阳能电池稳定性高、寿命长,不存在.效应,光电转换效率
高。
在各项新技术的推动下,多晶硅薄膜电池的实验室效率己达%,各制备厂
一
商生产的多晶硅薄膜电池效率也在不断增长,多晶硅薄膜太阳能电池已成为下一
代薄膜太阳能电池的主要发展方向【川。
受益于晶体硅高效太阳能电池各项新技术的应用,多晶硅薄膜太阳能电池在
发展过程中也引入了几乎所有新技术,甚至利用了各种集成电路的方法和工艺,
使得电池效率不断得到提高。
国外多晶硅太阳能电池的发展见表?
】。
表.国外多品硅薄膜太阳能电池的发展历程
为了使多晶硅薄膜太阳能电池商业化,制造出的电池
年
转换效率达%。
年锄电池,效率提高至.%。
年薄膜太阳能电池系统投入市场。
美国加利福尼亚成功建立.多晶硅薄膜太阳能电池方
年
阵系统,其中电池单元采用高温热分解喷涂法制备,电池上覆
有抗反射膜;多晶硅薄膜晶粒尺寸达到毫米量级。
多晶硅薄膜太阳能电池转换效率为.%、
年本电池转换效率为.%、//薄膜
电池转换效率为.%。
日本三菱公司
使用衬底,电池效率达到.%。
德国研使用石墨衬底,电池效率达%;
究所使用衬底,电池效率达.%。
日本公司采用多孔硅分离技术,电池效率最高达.%。
结构电池效率.%,开路电压.,短路电流密度
.。
日本公司
结构电池,效率达.%,面积,填充因子.。
我国多晶硅薄膜太阳能电池的研究与国际水平有较大差距,仍处于实验室阶
段。
年北京市太阳能研究所报道了以和为气源,采用法
在石英反应器中沉积多晶硅薄膜的技术,并研制了金属栅线/多晶硅薄膜/多晶
硅薄膜/.硅/金属结构的多晶硅薄膜电池,无减反射涂层,的电池效率达
屯子科技人学硕十学位论文
到.%【。
北京市太阳能研究所与北京师范大学联合研制的多晶硅薄膜太阳能
电池实验室效率达到.%,是目前我国多晶硅薄膜太阳能电池的最高实验室效
率‘,而多晶硅薄膜太阳能电池的生产在我国还处于空白状态。
.多晶硅薄膜的研究现状
目前制备多晶硅薄膜的方法有很多,大致可以分为直接制备法和间接制备法
两种‘。
直接制备法是指通过改变反应条件来控制薄膜生长过程,使初始晶粒直
接形成并长大在基片上,得到多晶硅薄膜;间接制备法是指以非晶硅薄膜为前驱
物,通过一系列的后续处理工艺得到多晶硅薄膜。
..直接制备法
研究较多的直接制备法有化学气相沉积法和液相外延法等。
化学
气相沉积法又包括常压化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、
等离子增强化学气相沉积法以及热丝化学气相沉积法。
是在接近常压下进行气相反应的一种沉积方式,它具有较高的沉积速
率,并且连续生产的产出数非常高,比较适合于集成电路制程;但是需要
的加热温度很高,约为一℃;另外,由于设备的限制,薄膜在基
片上的沉积率不均匀,并且淀积在管壁上的硅颗粒可能掉在基片上,使薄膜具有
缺陷。
在法中,硅烷在恒温低压条件下分解沉积形成多晶硅薄膜,沉积压强
加热温度略低于,约为℃。
使用
一般在.~.
法可以制备出高质量、低成本的多晶硅薄膜,薄膜的均匀性要远好于法。
法一般是以卤化硅、、或者的
混合气体为气源,在射频的作用下发生辉光放电,产生非平衡等离子体。
在这种
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