非晶硅

非晶硅是一種直接能帶半導體，它的結構內部有許多所謂的“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生電流，並不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有製作成本低的優點。

非晶硅基本上是正四面體的形式，但卻發生變形產生了許多缺陷—懸掛鏈和空洞等。結構特徵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。氫在其中補償懸掛鏈，並進行摻雜和製作pn結 ^[1]  。

可以自由裁剪，因而可以充分利用合成的產品，不像晶體硅不能自由裁剪，製作成器件時材料磨下好多碎末，浪費很大；它的製作過程是氣相沉積（1976，Spear法）——化氫熱分解，分解時可以根據需要摻雜，如摻入磷化氫或硼化氫，由於是氣相沉積，製作工藝條件容易進行自動化控制；它還可以製成很薄很薄的薄膜，而晶體硅卻至少要達到幾百微米的厚度。這是由於晶體硅是一種間接能帶半導體，單靠光子並不能把電子激發到導帶中去產生電流，而要靠所謂聲子的幫助，這種所謂的聲子來源於晶格振動，晶體做得太薄，產生的聲子就太少，光電轉化率就太低。

一是壽命短，在光的不斷照射下會發生所謂Staebler-Wronski效應，光電轉化效率會下降到原來的25%，這本質上正是非晶硅中有太多的以懸鍵為代表的缺陷，致使結構不穩定；

二是它的光電轉化效率遠比晶體硅低。現今市場上的晶體硅的光電轉化效率為12%，最近面世的晶體硅的光電轉化效率已經提高到18%，在實驗室裏，甚至可以達到29%（對比：綠色植物的葉綠體的光電轉化效率小於1%！），然而非晶硅的光電轉化效率一直沒有超過10%。

化學性質比晶體硅活潑。可由活潑金屬(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製得。結構特徵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。

非晶硅在太陽輻射峯附近的光吸收係數比晶體硅大一個數量級。禁帶寬度1.7～1.8eV，而遷移率和少子壽命遠比晶體硅低，可以製成非晶硅場效應晶體管；用於液晶顯示器件、集成式a—Si倒相器、集成式圖象傳感器、以及雙穩態多諧振盪器等器件中作為非線性器件；利用非晶硅膜可以製成各種光敏、位敏、力敏、熱敏等傳感器；利用非晶硅膜製做靜電覆印感光膜，不僅複印速率會大大提高，而且圖象清晰，使用壽命長；等等。目前非晶硅的應用正在日新月異地發展着，可以相信，在不久的將來，還會有更多的新器件產生。

作為太陽能材料儘管是一種很好的電池材料，但由於其光學帶隙為1.7eV, 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨着光照時間的延續而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應，使得電池性能不穩定。解決這些問題的這徑就是製備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在製備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池製得的。疊層太陽能電池提高轉換效率、解決單結電池不穩定性的關鍵問題在於：①它把不同禁帶寬度的材科組台在一起，提高了光譜的響應範圍;②頂電池的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出;③底電池產生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減小;④疊層太陽能電池各子電池是串聯在一起的。 ^[3] 

由非晶態合金的製備知道，要獲得非晶態，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，用液態快速淬火的方法目前還無法得到非晶態。近年來，發展了許多種氣相澱積非晶態硅膜的技術，其中包括真空蒸發、輝光放電、濺射及化學氣相澱積等方法。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。非晶硅膜的結構和性質與製備工藝的關係非常密切，目前認為以輝光放電法製備的非晶硅膜質量最好，設備也並不複雜。

輝光放電法：利用反應氣體在等離子體中發生分解而在襯底上澱積成薄膜，實際上是在等離子體幫助下進行的化學氣相澱積。等離子體是由高頻電源在真空系統中產生的。根據在真空室內施加電場的方式，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並在襯底上澱積的過程。

本世紀二、三十年代固體物理的迅速發展及隨後晶體管的發明開創了現代的半導體工業，引起了社會生活的巨大變革，奠定了信息時代的基礎。迄今為止所有的電子器件都是晶體材料製成的，其中以單晶硅最為重要。五十年起就陸續有人試圖用蒸發、濺射等方法制備非晶態硅，期望獲得可以和單晶硅媲美的材料。經過二十多年的努力，英國的Dundee大學Spear在一九七五年採用一種叫做“輝光放電”的新方法成功地把非晶硅摻雜成n或P型半導體，並製出n-p結。兩年之後，美國RCA公司的Carlson又用相同的方法制出效率達6多的非晶硅太陽能電池。一個新興的非晶態半導體領域一下子展現在人們的面前 ^[4]  。

非晶硅（a—Si∶H）是一種新興的半導體薄膜材料，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，取得了迅猛發展。非晶硅太陽能電池是目前非晶硅材料應用最廣泛的領域，也是太陽能電池的理想材料，光電轉換效率已達到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量35.2兆瓦，其中非晶硅太陽能電池為13.9兆瓦，居首位，佔總產量的40%左右。與晶態硅太陽能電池相比，它具有製備工藝相對簡單，原材料消耗少，價格比較便宜等優點。