拉曼光譜：精準(zhǔn)量化微晶硅薄膜晶化率
引言
微晶硅薄膜是納米晶硅、晶粒間界、空洞和非晶硅共存的混合相無序材料，具有穩(wěn)定性好、摻雜效率高、長波敏感性較強(qiáng)、可低溫大面積沉積、原材料消耗少以及能在各種廉價(jià)襯底材料上制備的優(yōu)點(diǎn)，為了使太陽能電池能夠大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)并且具有更高的效率，硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池開始使用微晶硅薄膜替代非晶硅層。升級(jí)后的硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與微晶硅薄膜的結(jié)晶度密切相關(guān)。其中，結(jié)晶率指晶態(tài)硅與晶界占非晶態(tài)、晶態(tài)、晶界總和的質(zhì)量百分比或體積百分比，是評(píng)價(jià)結(jié)晶硅薄膜晶化效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在行業(yè)內(nèi)通常使用拉曼光譜分析法評(píng)估微晶硅薄膜的晶化率[1,2]。
實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
晶體硅排列有序，鍵角和鍵長高度一致，拉曼峰形尖銳位于520cm-1附近，無定形硅結(jié)構(gòu)相對(duì)無序，拉曼峰形展寬位于480cm-1附近。采用兩種結(jié)構(gòu)的拉曼特征峰值（峰強(qiáng)或峰面積）可以實(shí)現(xiàn)硅晶化率的分析，晶化率
計(jì)算公式如下：
其中
和
表示在520cm^-1 和480cm^-1附近的拉曼峰的面積，中心為520 cm^-1附近的拉曼峰是晶體硅的特征峰，位于480cm^-1附近的拉曼峰是非晶硅的約化聲子譜密度。
本文采用卓立漢光自主研制的Finder 930全自動(dòng)共聚焦顯微拉曼光譜儀分析了硅基底上微晶硅薄膜晶化率，拉曼光譜實(shí)測數(shù)據(jù)及多峰擬合結(jié)果如圖1所示?？梢杂^測到拉曼峰位在310cm^-1附近的類縱聲學(xué)模（類TA 模）特征峰，在480 cm-1附近的類橫光學(xué)模（類TO模）分解為峰位在470 cm^-1附近（Prim TO）和在490 cm^-1處（Seco TO）兩個(gè)特征峰。對(duì)于出現(xiàn)晶態(tài)硅特征峰的樣品對(duì)應(yīng)于峰位在510cm^-1附近的晶粒間界拉曼散射成分（GB）特征峰[3]。
卓立漢光自主開發(fā)了晶化率自動(dòng)計(jì)算軟件，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分峰擬合和晶化率計(jì)算，軟件操作簡單，易于使用，晶化率擬合結(jié)果如圖2所示，自動(dòng)計(jì)算結(jié)果可知晶化率為33.52%.
拉曼光譜技術(shù)可以無損分析微晶硅薄膜晶化率，在晶硅（晶體硅）與無定型硅（非晶硅）的定量鑒別及晶化率評(píng)估中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，通過解析特征峰的強(qiáng)度或面積，直接計(jì)算得出材料的晶化率，為材料性能評(píng)估提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1]趙之雯,劉玉嶺.微晶硅薄膜穩(wěn)定性的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,40(02):13-15
[2] 高磊等. 微晶硅薄膜沉積工藝的研究方法及其應(yīng)用[P].2023.06.23.
[3] 范閃閃,郭強(qiáng),楊彥彬,等.相變區(qū)硅薄膜拉曼和紅外光譜分析[J].光譜學(xué)與光譜分析,2018,38(01):82-86.
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