微晶硅(μc-Si:H) 通常也被記作納米晶硅(nc-Si)，由非晶硅、較大的柱狀晶硅以及小晶粒和晶界組成。由于其對光誘導(dǎo)降解較高的穩(wěn)定性、高吸光系數(shù)和較高的電池轉(zhuǎn)換效率，z*近一段時間以來，微晶硅已經(jīng)成為z*引人關(guān)注的光伏應(yīng)用選擇材料之一。因此，人們正致力于微晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高和成本的降低。值得注意的是，隨著人們對于光伏產(chǎn)品的需求日益增長，基于塑料柔性基材的器件，如聚乙烯(PE)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其他柔性材料，正越來越多的應(yīng)用在人們的日常生活中，這就使得人們迫切尋求一種新的等離子體源或來實現(xiàn)微晶硅的低溫沉積，實現(xiàn)柔性襯底的大規(guī)模應(yīng)用。
眾所周知，柔性太陽能電池因其可折疊、穿戴、便攜等優(yōu)點顯現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景并廣泛應(yīng)用在眾多特種領(lǐng)域中，如航天、軍事和戶外作業(yè)等。與傳統(tǒng)太陽能電池不同，柔性太陽能電池，特別是基于塑料襯底如PET、PEN 和PI 制備的電池，由于襯底材料有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較低的熔點，需要低溫沉積薄膜。否則，在較高的溫度下沉積，如在玻璃板材上300 ℃沉積微晶硅薄膜，塑料襯底將會熔化。
本文中，我們研究了襯底材料對微晶硅薄膜生長的影響，并在低溫下制備出微晶硅薄膜，這個對于柔性基材尤為重要。具有高等離子體密度和低電子溫度的空心陰極等離子體增強化學(xué)氣相沉積(MHC-PECVD)被用來生長微晶硅薄膜。同時，我們比較了在三種不同襯底上制備的微晶硅薄膜的結(jié)晶率和表面形貌。
1、實驗
自制的空心陰極等離子體設(shè)備示意圖在圖1中給出。陰極由108 個直徑為3 mm 的小孔組成。陰極結(jié)構(gòu)的詳細信息見文獻。在微晶硅薄膜的沉積中，二氯硅烷(SiH2Cl2)和氫氣(H2)分別作為前驅(qū)反應(yīng)氣體和還原氣體，混合后通入真空腔室。沉積過程中，陰極到基片臺距離為20 mm，本底氣壓為5×10-3 Pa。為了研究襯底材料對微晶硅薄膜結(jié)構(gòu)的影響，輸入功率Pw、工作氣壓Pr 和氣體比例R (二氯硅烷：氫氣) 分別保持在100 W、200Pa、0.015(3 sccm：200 sccm)，僅僅改變襯底溫度從120℃ 到300℃。在實驗過程中薄膜厚度保持在700 nm~800 nm。
圖1 自制空心陰極等離子體設(shè)備示意圖
我們用示波器(Tektronix DPO 4104，美國)測量I-V 曲線表征空心陰極的放電特性。表面輪廓儀(Veeco dektak150, 美國)用來測量薄膜厚度。薄膜的表面形貌由原子力顯微鏡(AFM, Veeco DIINNOVA, 美國)測量。薄膜的結(jié)晶性通過X 射線衍射(XRD, Rigaku D/max-220PC, 日本)和激光顯微共聚焦拉曼光譜儀(Raman，Horiba Jobin Yvon XploRA, 日本)研究。薄膜結(jié)晶率(Xc) 由532nm氬激光源拉曼光譜估算，樣品亞表面的結(jié)晶率由不同相的橫向光學(xué)模確定：Xc=(Ic+Ib)/(Ic+Ib+Ia)，這里的Ia、Ib 和Ic 分別代表480 cm-1 處非晶成分、510 cm-1 晶界處小于3 nm 小晶粒成分和520 cm-1柱狀晶成分的積分強度。
2、結(jié)論
我們發(fā)現(xiàn)薄膜結(jié)晶率與襯底材料有關(guān)。在玻璃和玻璃+ITO 襯底上制備微晶硅薄膜的結(jié)晶率比PI+ITO 襯底的高，分析AFM 圖之后我們認為PI+ITO 襯底上薄膜較低的結(jié)晶率與襯底的熱膨脹系數(shù)和小分子與氣體的釋放有關(guān)。由于薄膜的膨脹，團簇在PI+ITO 表面不均勻生長孤立成島，而在玻璃+ITO 表面均勻地聚集成核。
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