amorphous silicon α-Si 又稱無定形矽。單質矽的一種形態。棕黑色或灰黑色的微晶體。矽不具有完整的金剛石晶胞，純度不高。熔點、密度和硬度也明顯低於晶體矽。化學性質比晶體矽活潑。可由活潑金屬(如鈉、鉀等)在加熱下還原四鹵化矽，或用碳等還原劑還原二氧化矽製得。採用輝光放電氣相沉積法就得含氫的非晶矽薄膜。
基本介紹
- 中文名：非晶矽
- 外文名：amorphous silicon α-Si
- 優點：可以自由裁剪
- 缺點：壽命短
- 性質：活潑
- 主要套用：太陽能電池
簡介,結構,技術優勢和劣勢,化學性質,套用範圍,製備方法,發展歷史,
簡介
非晶矽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矽原子成鍵的電子，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，因而非晶矽可以做得很薄，還有製作成本低的優點。
結構
非晶矽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-矽。純α-矽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。
技術優勢和劣勢
非晶矽的優點
可以自由裁剪，因而可以充分利用合成的產品，不像晶體矽不能自由裁剪，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，而晶體矽卻至少要達到幾百微米的厚度。這是由於晶體矽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。
非晶矽的缺點
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%，這本質上正是非晶矽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矽低。現今市場上的晶體矽的光電轉化效率為12%，最近面世的晶體矽的光電轉化效率已經提高到18%，在實驗室里，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%！），然而非晶矽的光電轉化效率一直沒有超過10%。
化學性質
雙結非晶矽太陽能電池板套用範圍
非晶矽在太陽輻射峰附近的光吸收係數比晶體矽大一個數量級。禁頻寬度1.7～1.8eV，而遷移率和少子壽命遠比晶體矽低，可以製成非晶矽場效應電晶體；用於液晶顯示器件、集成式a—Si倒相器、集成式圖象感測器、以及雙穩態多諧振盪器等器件中作為非線性器件；利用非晶矽膜可以製成各種光敏、位敏、力敏、熱敏等感測器；利用非晶矽膜製做靜電複印感光膜，不僅複印速率會大大提高，而且圖象清晰，使用壽命長；等等。目前非晶矽的套用正在日新月異地發展著，可以相信，在不久的將來，還會有更多的新器件產生。
非晶矽太陽能電池
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矽太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨著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它把不同禁頻寬度的材科組台在一起，提高了光譜的回響範圍;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。
製備方法
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。矽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矽膜的技術，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矽烷（SiH4）、二矽烷（Si2H6）、四氟化矽（SiF4）等，純度要求很高。非晶矽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矽膜質量最好，設備也並不複雜。
輝光放電法：利用反應氣體在電漿中發生分解而在襯底上澱積成薄膜，實際上是在電漿幫助下進行的化學氣相澱積。電漿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，非晶矽膜的生長過程就是矽烷在電漿中分解並在襯底上澱積的過程。
發展歷史
本世紀二、三十年代固體物理的迅速發展及隨後電晶體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，奠定了資訊時代的基礎。迄今為止所有的電子器件都是晶體材料製成的，其中以單晶矽最為重要。五十年起就陸續有人試圖用蒸發、濺射等方法製備非晶態矽，期望獲得可以和單晶矽媲美的材料。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矽摻雜成n或P型半導體，並制出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多的非晶矽太陽能電池。一個新興的非晶態半導體領域一下子展現在人們的面前。
