利用拉曼光谱精确量化微晶硅薄膜的晶化率

引言

微晶硅薄膜是纳米晶硅、晶粒间界、空洞和非晶硅共存的混合相无序材料，具有稳定性好、掺杂效率高、长波敏感性较强、可低温大面积沉积、原材料消耗少以及能在各种廉价衬底材料上制备的优点，为了使太阳能电池能够大规模连续化生产并且具有更高的效率，硅异质结太阳能电池开始使用微晶硅薄膜替代非晶硅层。升级后的硅异质结太阳能电池的光电转换效率与微晶硅薄膜的结晶度密切相关。其中，结晶率指晶态硅与晶界占非晶态、晶态、晶界总和的质量百分比或体积百分比，是评价结晶硅薄膜晶化效果的一项重要指标。在行业内通常使用拉曼光谱分析法评估微晶硅薄膜的晶化率^[1,2]。

实验与结果分析

晶体硅排列有序，键角和键长高度一致，拉曼峰形尖锐位于520cm^-1附近，无定形硅结构相对无序，拉曼峰形展宽位于480cm^-1附近。采用两种结构的拉曼特征峰值（峰强或峰面积）可以实现硅晶化率的分析，晶化率计算公式如下：

其中和表示在520cm^-1 和480cm^-1附近的拉曼峰的面积，中心为520 cm^-1附近的拉曼峰是晶体硅的特征峰，位于480 cm^-1附近的拉曼峰是非晶硅的约化声子谱密度。

本文采用卓立汉光自主研制的Finder 930全自动共聚焦显微拉曼光谱仪分析了硅基底上微晶硅薄膜晶化率，拉曼光谱实测数据及多峰拟合结果如图1所示。可以观测到拉曼峰位在310cm^-1附近的类纵声学模（类TA 模）特征峰，在480 cm^-1附近的类横光学模（类TO模）分解为峰位在470 cm^-1附近（Prim TO）和在490 cm^-1处（Seco TO）两个特征峰。对于出现晶态硅特征峰的样品对应于峰位在510cm^-1附近的晶粒间界拉曼散射成分（GB）特征峰^[3]

卓立汉光自主开发了晶化率自动计算软件，可以实现自动分峰拟合和晶化率计算，软件操作简单，易于使用，晶化率拟合结果如图2所示，自动计算结果可知晶化率为33.52%.

图2 采用自主研制软件拟合结果

拉曼光谱技术可以无损分析微晶硅薄膜晶化率，在晶硅（晶体硅）与无定型硅（非晶硅）的定量鉴别及晶化率评估中展现出优异性能，通过解析特征峰的强度或面积，直接计算得出材料的晶化率，为材料性能评估提供了实验依据。

参考文献

[1]赵之雯,刘玉岭.微晶硅薄膜稳定性的研究[J].河北工业大学学报,2011,40(02):13-15

[2] 高磊等. 微晶硅薄膜沉积工艺的研究方法及其应用[P].2023.06.23.

[3] 范闪闪,郭强,杨彦彬,等.相变区硅薄膜拉曼和红外光谱分析[J].光谱学与光谱分析,2018,38(01):82-86.