太陽能電池PECVD工藝參數(shù)對生長氮化硅薄膜影響的研究

韓萌　羅群霞 張淵

摘要：氮化硅膜是對提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率有重要作用的減反射膜。文章介紹了氮化硅膜的鈍化作用和減反射作用，陳述了PECVD生長的氮化硅薄膜的基本性質(zhì)，以156mm×156mm型號的多晶硅太陽電池片為例，結(jié)合實(shí)際測量數(shù)據(jù)，分析了在淀積過程中溫度、硅烷氨氣流量比和射頻功率等工藝參數(shù)對氮化硅薄膜的生長及其性質(zhì)的影響。

關(guān)鍵詞：PECVD；工藝參數(shù)；氮化硅膜；太陽能電池

中圖分類號：TN304 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0014-02

太陽能是一種綠色環(huán)保的新能源，制備氮化硅（Si3N4）減反射膜是制造高效率太陽能電池的重要環(huán)節(jié)。氮化硅膜通常采用PECVD技術(shù)生成。PECVD又稱等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積，淀積過程中，硅烷氨氣流量比、射頻功率、溫度、淀積時(shí)間等工藝參數(shù)的變化對氮化硅薄膜的生長均有影響。

1 氮化硅膜在太陽能電池中的作用

通常SiNx中的Si/N值為0.75，即Si3N4，而實(shí)際PECVD淀積氮化硅的化學(xué)計(jì)量比會(huì)隨工藝的不同而變化，Si/N變化的范圍在0.75～2之間。PECVD的氮化硅薄膜中，除了含有Si和N元素，一般還包含一定比例的氫，即SixNyHz或SiNx︰H。

利用PECVD技術(shù)在硅片表面淀積的氮化硅薄膜，可以使薄膜前后兩個(gè)表面產(chǎn)生的反射光相互干擾，從而抵消反射光，達(dá)到減反射的效果，增加對太陽光的吸收，提高光生電流密度，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，氮化硅膜中的H降低了表面復(fù)合速率，帶來更小的暗電流和更高的開路電壓，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外高溫瞬時(shí)退火會(huì)斷裂一些Si-H、N-H鍵，游離出來的H與缺陷及晶界處的懸掛鍵結(jié)合，減少了界面態(tài)密度和復(fù)合中心，達(dá)到對電池的鈍化效果。

2 氮化硅膜的PECVD法制備

CVD（全稱為Chemical Vapor Deposition）即化學(xué)氣相沉積。CVD技術(shù)主要有以下幾種：APCVD（常壓，700℃～1000℃）、LPCVD（低壓，750℃）、PECVD（等離子體增強(qiáng)型，300℃～450℃）。

氮化硅是在半導(dǎo)體技術(shù)中常用的一種鈍化材料。制作氮化硅的方法很多，其中PECVD技術(shù)由于反應(yīng)氣體簡單、靈活性高、溫度要求低、淀積速率快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。制備Si3N4薄膜的化學(xué)反應(yīng)方程式為：SiH4＋NH3→Si3N4＋H2↑。

氮化硅薄膜的基本制備方法是：采用低溫等離子體作能量源，將樣品置于低壓輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體SiH4和NH3，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜即氮化硅薄膜。一般情況下，使用這種等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法淀積的薄膜厚度在80nm左右，這樣厚度的薄膜具有良好的光學(xué)特性。

3 影響氮化硅膜生長的工藝參數(shù)

PECVD生長氮化硅薄膜涉及到的主要工藝參數(shù)有：時(shí)間、溫度、氣體流量、壓力、射頻功率、脈沖開關(guān)時(shí)間。下面主要針對氣體流量比、射頻功率、溫度、淀積時(shí)間、壓強(qiáng)五個(gè)因素進(jìn)行分析：

3.1 NH3與SiH4流量比

當(dāng)NH3流量增加，薄膜生長速率加快，但隨著膜層中H含量的上升，膜層中Si-H鍵、N-H鍵的數(shù)量也隨之增多，氮化硅膜質(zhì)地變得疏松。如果提高氨氣流量，則會(huì)使膜中富含N元素，從而導(dǎo)致膜的絕緣性下降。同樣，硅烷流量的增大將提升膜中Si元素的含量，這也會(huì)使膜的絕緣性變差。若氣體流量比過大，會(huì)使反應(yīng)室內(nèi)氣體濃度增加，氣體分子平均自由程變小，淀積到表面的反應(yīng)生成物減少，導(dǎo)致淀積速率隨流量增加反而減少。

3.2 射頻功率

隨著射頻功率的增大，反應(yīng)加速，氮化硅薄膜生長速率加快。射頻功率繼續(xù)加大，極板間的電壓更大，基片上的氮化硅膜在轟擊作用的影響下變得更加結(jié)實(shí)和致密，隨著功率再進(jìn)一步提高，就出現(xiàn)了類似“濺射”的現(xiàn)象，阻礙了氮化硅膜的繼續(xù)生長。高射頻功率將帶來高腐蝕速率。因此適當(dāng)降低功率不僅可以減少基片表面損傷，獲得均勻且致密的膜層，也使得反應(yīng)更易于控制。

3.3 溫度因素

在PECVD生長氮化硅薄膜的過程中，基片表面存在等離子體的沉積和揮發(fā)兩種機(jī)制，隨著溫度的升高，沉積機(jī)制占主導(dǎo)，但隨著溫度繼續(xù)升高，兩種機(jī)制逐漸平衡，當(dāng)溫度繼續(xù)升到某一臨界值以后平衡被打破，揮發(fā)大于沉積，導(dǎo)致高溫下淀積生長薄膜的速率有所下降。

3.4 淀積時(shí)間

淀積時(shí)間通常應(yīng)結(jié)合其他工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，淀積時(shí)間太短，膜厚及折射率達(dá)不到要求，淀積時(shí)間太長，則會(huì)造成工藝氣體的浪費(fèi)，增加工藝成本，同時(shí)也會(huì)影響淀積膜的質(zhì)量，而由于膜層中存在的機(jī)械應(yīng)力問題，當(dāng)膜厚過厚時(shí)，薄膜會(huì)開裂甚至剝落。

3.5 反應(yīng)壓強(qiáng)

過低的壓強(qiáng)將導(dǎo)致薄膜淀積速率變慢，生長出的氮化硅膜的折射率也較低。較大的壓強(qiáng)可以增大薄膜的淀積速率，但是會(huì)造成均勻性差的問題，容易產(chǎn)生干涉條紋。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基于上文分析，為了在不降低淀積速率的基礎(chǔ)上獲得較好的氮化硅膜的厚度、質(zhì)量、反射率等特性，我們采用淀積兩層膜的方法。這樣不僅減少了對基片表面的損傷，而且雙層膜可以減少氫離子的溢出，從而獲得更好的鈍化效果，這對太陽能電池片的電性能有較大改善。

以156×156mm型號多晶硅太陽電池片為片源，取40片樣品，淀積前的工序均采用正常工藝，為了消除前段工序影響，采用混批處理分成兩組，每組約20片，膜厚控制在85nm、折射率為2.07。測試數(shù)據(jù)如下：

雙層膜：反射率5.06%、最低點(diǎn)波長708nm、Uoc0.607mV、Isc8.384mA、FF76.98、Eta16.09。

單層膜：反射率6.00%、最低點(diǎn)波長710nm、Uoc0.605mV、Isc8.342mA、FF76.75、Eta15.93。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看來，雙層膜比單層膜反射率高約0.09%，雙層膜對短波的減反射效果比單層膜好。

（說明：Uoc表示開路電壓，Isc表示短路電流，填充因子FF為UmaxImax與UocIsc的比值，Eta表示入射太陽能轉(zhuǎn)化為有效電能的效率。）

5 結(jié)語

采用PECVD技術(shù)生長太陽能電池氮化硅減反射膜時(shí)，影響氮化硅膜生長的工藝參數(shù)有氣體流量比、射頻功率、溫度、鍍膜時(shí)間、壓強(qiáng)等。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)薄膜淀積速率隨氣體流量比的增大而增大；隨射頻功率的增大先增大后減??；隨溫度的升高先升高后下降；反應(yīng)氣體必須處于低真空下，而且其真空度只允許在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)變動(dòng)；淀積時(shí)間不易過長，否則易造成膜層開裂剝落。通過雙層膜樣品的淀積、測量和分析，發(fā)現(xiàn)雙層膜工藝不僅可以降低氮化硅膜的反射率，還可以獲得更好的鈍化效果。

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作者簡介：韓萌（1980-），女，江蘇南京人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：微電子；羅群霞（1988-），女，江蘇江陰人，江陰鑫輝太陽能有限公司工程師，研究方向：微電子；張淵（1963-），女，江蘇南京人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：光電子。

（責(zé)任編輯：王書柏）