多晶金属纳米薄膜热导率和电导率的研究

金属纳米薄膜导热和导电性能的研究是微电子和光电子工业发展中的关键课题之一，开展相关研究具有重要的科学意义和实用价值。本项目将采用电子束－物理气相沉积法（EB-PVD）制备金、铂、钴、铬和钛等金属材料的悬浮纳米薄膜，用一维稳态通电加热法同时测量不同厚度的纳米薄膜在不同温度条件下的面向热导率和电导率，并利用X射线衍射分析仪和透射电子显微镜测量薄膜平均晶粒尺寸和微观组织结构，研究多晶金属纳米薄膜热导率和电导率的尺寸效应和晶界效应，探讨热导率、电导率与其内部微观组织结构之间的内在联系。基于量子力学第一性原理和玻尔兹曼输运方程对受限空间内以自由电子为载体的电荷输运和能量输运的微观物理机制进行理论分析与数值模拟，建立适用于多晶金属纳米薄膜导电和导热性质的分析模型，为实际应用提供科学依据。 2100433B

由于硅基薄膜太阳能电池（非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜电池等）的成本低，易于大规模生产，近年来得到迅速的发展，已被列入我国太阳能光伏产业“十二五”规划的发展重点。由于多晶硅薄膜包含了很多缺陷，如何降低多晶硅薄膜中的缺陷态的密度和提高薄膜电池中的光俘获是多晶硅薄膜电池的设计制作的关键，因此，我们提出了一种低缺陷密度的多晶硅薄膜的低温生长工艺，降低了多晶硅薄膜电池的生产成本。在本项目中，我们从以下几个方面进行了研究：（1）铝诱导玻璃表面粗化的光俘获结构的研究。沉积在康宁玻璃上的铝膜，经过退火处理后，然后通过H3PO4和HF/HNO3混合溶液腐蚀，在玻璃表面形成了光俘获结构。与普通的玻璃衬底相比，经过铝诱导玻璃表面粗化处理的玻璃作为衬底的电池效率提高了5%左右，说明这种光俘获结构的陷光效果比较明显；（2）采用铝诱导非晶硅晶化作为多晶硅的种子层。以玻璃为衬底，利用金属诱导非晶硅晶化的方法，当退火时间为5小时、退火温度为500℃时，非晶硅（a-Si）/铝（Al）/玻璃结构转变为Al/Al2O3/多晶硅（pc-Si）/玻璃结构，然后将表面多余的金属铝和Al2O3用酸腐蚀掉，玻璃表面那层多晶硅可留下用来成长多晶硅薄膜的晶种层。（3）利用低温外延加厚并固相晶化的方法获得多晶硅薄膜。利用这种金属诱导方法，可以低温沉积晶粒尺寸大于10 μm、空穴迁移率大于20 cm2/V.s、空穴浓度大于1019 cm-3的多晶硅膜，此方法最大优点即生长温度不高即可得质量较高的多晶硅薄膜。（4）利用等离子体氢化处理以改善薄膜的电学输运特性。在衬底温度为500℃和射频功率为10 W的等离子体钝化条件下，多晶硅薄膜的迁移率从24 cm2/V.s提高到28.5 cm2/V.s，提高了18%。（5）采用了背接触式的薄膜电池的电极设计方案，减少由于传统的前面电极带来的光学损失，简化了电池的互联工艺。 我们以此多晶硅种子层为基底，利用等离子体化学气相沉积法（PECVD）研制多晶硅薄膜太阳能电池，其晶粒大小约10 m，目前实验工作正持续进形中。此方法优点是多晶硅沉积速率快（大于0.5 nm/sec），在低于500℃的温度下生长的晶粒尺寸较大，空穴迁移率较高，设备简易，成本较低，有利于量产。目前完成的背接触式多晶硅薄膜太阳电池雏型组件其初步结构为：铝诱导表面粗化的玻璃/SiNx阻挡层和抗反射层/未掺杂的多晶硅种子层/ 2100433B

通常，物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。

理论上，从物质微观结构出发，以量子力学和统计力学为基础，通过研究物质的导热机理，建立导热的物理模型，经过复杂的数学分析和计算可以获得热导率。但由于理论的适用性受到限制，而且随着新材料的快速增多，人们迄今仍尚未找到足够精确且适用于范围广泛的理论方程，因此对于热导率实验测试方法和技术的探索，仍是物质热导率数据的主要来源。

批准号：60567001

项目名称：Ge/Si纳米薄膜红外探测材料的研究

项目类别：地区科学基金项目

申请代码：F0504

研究期限：2006-01-01 至 2008-12-31

支持经费：26（万元）