非晶硅制備方法

由非晶態(tài)合金的制備知道，要獲得非晶態(tài)，需要有高的冷卻速率，而對冷卻速率的具體要求隨材料而定。硅要求有極高的冷卻速率，用液態(tài)快速淬火的方法目前還無法得到非晶態(tài)。近年來，發(fā)展了許多種氣相淀積非晶態(tài)硅膜的技術(shù)，其中包括真空蒸發(fā)、輝光放電、濺射及化學(xué)氣相淀積等方法。一般所用的主要原料是單硅烷（SiH4）、二硅烷（Si2H6）、四氟化硅（SiF4）等，純度要求很高。非晶硅膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與制備工藝的關(guān)系非常密切，目前認(rèn)為以輝光放電法制備的非晶硅膜質(zhì)量最好，設(shè)備也并不復(fù)雜。

輝光放電法：利用反應(yīng)氣體在等離子體中發(fā)生分解而在襯底上淀積成薄膜，實(shí)際上是在等離子體幫助下進(jìn)行的化學(xué)氣相淀積。等離子體是由高頻電源在真空系統(tǒng)中產(chǎn)生的。根據(jù)在真空室內(nèi)施加電場的方式，可將輝光放電法分為直流電、高頻法、微波法及附加磁場的輝光放電。在輝光放電裝置中，非晶硅膜的生長過程就是硅烷在等離子體中分解并在襯底上淀積的過程。

非晶硅在太陽輻射峰附近的光吸收系數(shù)比晶體硅大一個(gè)數(shù)量級。禁帶寬度1.7～1.8eV，而遷移率和少子壽命遠(yuǎn)比晶體硅低，可以制成非晶硅場效應(yīng)晶體管；用于液晶顯示器件、集成式a—Si倒相器、集成式圖象傳感器、以及雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器等器件中作為非線性器件；利用非晶硅膜可以制成各種光敏、位敏、力敏、熱敏等傳感器；利用非晶硅膜制做靜電復(fù)印感光膜，不僅復(fù)印速率會大大提高，而且圖象清晰，使用壽命長；等等。目前非晶硅的應(yīng)用正在日新月異地發(fā)展著，可以相信，在不久的將來，還會有更多的新器件產(chǎn)生。

非晶硅太陽能電池

作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV, 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍;②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出;③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減小;④疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。

化學(xué)性質(zhì)比晶體硅活潑?？捎苫顫娊饘?如鈉、鉀等)在加熱下還原四氯化硅，或用碳等還原劑還原二氧化硅制得。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長程無序的α-硅。純α-硅因缺陷密度高而無法使用。

非晶硅的優(yōu)點(diǎn)

可以自由裁剪，因而可以充分利用合成的產(chǎn)品，不像晶體硅不能自由裁剪，制作成器件時(shí)材料磨下好多碎末，浪費(fèi)很大；它的制作過程是氣相沉積（1976，Spear法）——化氫熱分解，分解時(shí)可以根據(jù)需要摻雜，如摻入磷化氫或硼化氫，由于是氣相沉積，制作工藝條件容易進(jìn)行自動(dòng)化控制；它還可以制成很薄很薄的薄膜，而晶體硅卻至少要達(dá)到幾百微米的厚度。這是由于晶體硅是一種間接能帶半導(dǎo)體，單靠光子并不能把電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去產(chǎn)生電流，而要靠所謂聲子的幫助，這種所謂的聲子來源于晶格振動(dòng)，晶體做得太薄，產(chǎn)生的聲子就太少，光電轉(zhuǎn)化率就太低。

非晶硅的缺點(diǎn)

一是壽命短，在光的不斷照射下會發(fā)生所謂Staebler-Wronski效應(yīng)，光電轉(zhuǎn)化效率會下降到原來的25%，這本質(zhì)上正是非晶硅中有太多的以懸鍵為代表的缺陷，致使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；

二是它的光電轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)比晶體硅低?，F(xiàn)今市場上的晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率為12%，最近面世的晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)提高到18%，在實(shí)驗(yàn)室里，甚至可以達(dá)到29%（對比：綠色植物的葉綠體的光電轉(zhuǎn)化效率小于1%?。欢蔷Ч璧墓怆娹D(zhuǎn)化效率一直沒有超過10%。

非晶硅基本上是正四面體的形式，但卻發(fā)生變形產(chǎn)生了許多缺陷—懸掛鏈和空洞等。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長程無序的α-硅。純α-硅因缺陷密度高而無法使用。氫在其中補(bǔ)償懸掛鏈，并進(jìn)行摻雜和制作pn結(jié) 。

非晶硅是一種直接能帶半導(dǎo)體，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。

本世紀(jì)二、三十年代固體物理的迅速發(fā)展及隨后晶體管的發(fā)明開創(chuàng)了現(xiàn)代的半導(dǎo)體工業(yè)，引起了社會生活的巨大變革，奠定了信息時(shí)代的基礎(chǔ)。迄今為止所有的電子器件都是晶體材料制成的，其中以單晶硅最為重要。五十年起就陸續(xù)有人試圖用蒸發(fā)、濺射等方法制備非晶態(tài)硅，期望獲得可以和單晶硅媲美的材料。經(jīng)過二十多年的努力，英國的Dundee大學(xué)Spear在一九七五年采用一種叫做“輝光放電”的新方法成功地把非晶硅摻雜成n或P型半導(dǎo)體，并制出n-p結(jié)。兩年之后，美國RCA公司的Carlson又用相同的方法制出效率達(dá)6多的非晶硅太陽能電池。一個(gè)新興的非晶態(tài)半導(dǎo)體領(lǐng)域一下子展現(xiàn)在人們的面前 。

非晶硅（a—Si∶H）是一種新興的半導(dǎo)體薄膜材料，它作為一種新能源材料和電子信息新材料，自70年代問世以來，取得了迅猛發(fā)展。非晶硅太陽能電池是目前非晶硅材料應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是太陽能電池的理想材料，光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到13%，這種太陽能電池將成為無污染的特殊能源。1988年全世界各類太陽能電池的總產(chǎn)量35.2兆瓦，其中非晶硅太陽能電池為13.9兆瓦，居首位，占總產(chǎn)量的40%左右。與晶態(tài)硅太陽能電池相比，它具有制備工藝相對簡單，原材料消耗少，價(jià)格比較便宜等優(yōu)點(diǎn)。

非晶硅（amorphous silicon α-Si ）又稱無定形硅。單質(zhì)硅的一種形態(tài)。棕黑色或灰黑色的微晶體。硅不具有完整的金剛石晶胞，純度不高。熔點(diǎn)、密度和硬度也明顯低于晶體硅。

非晶硅的化學(xué)性質(zhì)比晶體硅活潑。可由活潑金屬(如鈉、鉀等) 在加熱下還原四鹵化硅，或用碳等還原劑還原二氧化硅制得。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長程無序的α-硅。純α-硅因缺陷密度高而無法使用。采用輝光放電氣相沉積法就得含氫的非晶硅薄膜，氫在其中補(bǔ)償懸掛鏈，并進(jìn)行摻雜和制作pn結(jié)。非晶硅在太陽輻射峰附近的光吸收系數(shù)比晶體硅大一個(gè)數(shù)量級。禁帶寬度1.7～1.8eV，而遷移率和少子壽命遠(yuǎn)比晶體硅低。現(xiàn)已工業(yè)應(yīng)用，主要用于提煉純硅，制造太陽電池、薄膜晶體管、復(fù)印鼓、光電傳感器等。

按照材料的不同，當(dāng)前硅太陽能電池可分為三類：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池三種。非晶硅薄膜就是相對于單晶硅和多晶硅來說的。當(dāng)然除了使用除硅材質(zhì)以外目前國內(nèi)外還研制出了非硅系的薄膜技術(shù)，如采用CIGS、CdTe等作基質(zhì)。