第12屆中國光伏大會暨國際光伏展覽會優(yōu)秀論文選登（十）PECVD法非晶硅薄膜對太陽能級n型直拉單晶硅片鈍化效果的研究

南昌大學(xué)太陽能光伏學(xué)院&材料科學(xué)與工程學(xué)院

■ 龔洪勇 周浪 黃海賓 向昱任 汪已琳 張東華 高江 崔冶青

一 引言

異質(zhì)結(jié)氫化非晶硅/晶硅太陽電池的關(guān)鍵技術(shù)之一是在氫化非晶硅/晶硅異質(zhì)結(jié)界面內(nèi)插入一層高質(zhì)量的本征氫化非晶硅薄膜(i-a-Si:H)，以減少硅片表面復(fù)合速率和界面態(tài)密度，提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。摻雜非晶硅薄膜的隙態(tài)密度高達1018cm?3，與晶體硅片形成界面的懸掛鍵和缺陷態(tài)密度高，具有較高的復(fù)合電流，可增加暗隧穿泄漏電流。本征a-Si:H層的隙態(tài)密度僅為1015～1016cm?3，能極大地抑制隧穿電流[1]；相對摻雜非晶硅薄膜，高質(zhì)量的本征非晶硅薄膜與晶體硅片形成界面的懸掛鍵更少，缺陷態(tài)密度更低，具有更好的界面鈍化效果。本文為采用PECVD法在太陽能級n型直拉單晶(Cz)硅襯底上沉積i-a-Si:H薄膜工藝，旨在優(yōu)化工藝以期得到更好的鈍化效果。

二 實驗

LDK提供的n型Cz-Si(40mm×40mm)厚度約185μm，電阻率約3?·cm，(100)面，體少子壽命＞1ms，以此為樣品，以KOH溶液去除損傷層，減薄后厚度約150μm，再經(jīng)過RCA清洗后，以氫氣(H2)和硅烷(SiH4)做反應(yīng)氣源，用PECVD在硅片的前后表面制備i-a-Si薄膜。采用Similab的WT-2000PV少子壽命測試儀測試制備樣品的少子壽命[2]，激光波長為904nm，注入硅材料深約30μm，微波頻率約10GHz。

三 結(jié)果和討論

1 不同的氫稀釋比的影響

氫氣的稀釋比對非晶硅薄膜中的晶化率有一定的影響。如圖1所示，氫氣稀釋較低時，硅片的少子壽命較高，鈍化效果較好；氫氣稀釋較高時，硅片的少子壽命較低。這是因為沉積氣源中氫氣稀釋較高時會增加晶化率，易得到微晶硅薄膜[3]，微晶硅能增加界面的粗糙度，增加懸掛鍵和缺陷態(tài)密度；稀釋較低時易得到非晶硅，高質(zhì)量的非晶硅薄膜可降低懸掛鍵和缺陷態(tài)密度，鈍化效果更好。文獻[4]指出在異質(zhì)結(jié)界面中需防止出現(xiàn)外延生長惡化異質(zhì)結(jié)界面的情況發(fā)生。本文研究結(jié)果與文獻[5]在氫稀釋比R≤5時可獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面和長少子壽命樣品相符合。

圖1 在60sccm總流量下不同氫氣稀釋比對少子壽命的影響

2 不同襯底溫度的影響

襯底溫度直接影響反應(yīng)前驅(qū)體在生長表面的擴散，很大程度上對薄膜初期的孵化層和總體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。如圖2所示，溫度較低時硅片少子壽命較低，說明溫度較低時不利于反應(yīng)物前驅(qū)體在生長表面的擴散，影響非晶硅薄膜的質(zhì)量；溫度繼續(xù)升高，有利于薄膜生長，此時的懸掛鍵和缺陷態(tài)密度會較低，鈍化效果更好；溫度繼續(xù)升高，有可能會造成外延生長[2]，界面粗糙度增加導(dǎo)致懸掛鍵和缺陷態(tài)密度增加，鈍化效果又會降低。實驗結(jié)果與文獻[6]最優(yōu)溫度210℃相接近。

圖2 當H2/SiH2=25sccm:5sccm時，不同溫度下少子壽命的變化

3 不同沉積氣壓的影響

一定功率下，沉積時的氣壓會影響電子與氣體分子的碰撞幾率、反應(yīng)活性基團的產(chǎn)生率以及電子溫度和離子轟擊效應(yīng)等。如圖3所示，在較低氣壓下，硅片少子壽命較低；繼續(xù)升高氣壓，硅片的少子壽命上升；氣壓再升高，則硅片的少子壽命又會下降。這是因為：氣壓較低時，電子和氣體碰撞幾率低，反應(yīng)活性基團少，薄膜生長效果不理想，而且電子溫度高，可能單個離子轟擊效應(yīng)會加大，進一步降低界面質(zhì)量；氣壓升高時，電子和氣體碰撞幾率增加，反應(yīng)活性基團增加，薄膜生長效果更好，電子溫度也會降低，有可能降低了離子轟擊效應(yīng)，鈍化效果會更好；進一步增加氣壓，電子或離子的平均自由程比較短，電子能量下降，產(chǎn)生反應(yīng)前驅(qū)體和活性粒子的能力變低，等離子體密度可能會增加到最大值后然后下降，使反應(yīng)氣體活性變?nèi)?，這可能會發(fā)生一些不利情況，如反應(yīng)活性基團過多，不能及時在生長表面擴散，影響成膜質(zhì)量，或發(fā)生大量電子或離子與原子團之間的碰撞，這種大量的碰撞導(dǎo)致它們之間聚合，形成(SiH2)n聚合物，從而降低了非晶硅薄膜的質(zhì)量。文獻[7]中指出了非晶硅薄膜中硅氫結(jié)合時的形態(tài)變化，低壓時易形成Si-H，而高壓時易形成(Si-H2)和(SiH2)n聚合物。可以認為，在適當條件下前者對非晶硅薄膜有序度破壞更低導(dǎo)致隙態(tài)密度會更低，后者對非晶硅薄膜有序度破壞更高導(dǎo)致隙態(tài)密度更高。

圖3 當H2/SiH4=25sccm:5sccm時，不同氣壓下少子壽命的變化

綜合以上工藝規(guī)律，通過優(yōu)化參數(shù)，最終在SiH4∶H2=3sccm∶15sccm，襯底溫度200℃，沉積氣壓22Pa，基板功率密度0.05W/cm2的條件下，在太陽能級n型Cz硅片(40mm×40mm)上雙面沉積非晶硅薄膜，鈍化后的硅片測試得到的平均少子壽命值在800μs以上，局部1500μs以上，如圖4所示。

硅片表面復(fù)合速率S可表示為：

實驗所用的樣品硅片體少子壽命τbulk＞1ms，經(jīng)減薄后厚度W約150μm，根據(jù)式(1)可推算出鈍化后硅片平均表面復(fù)合速率S。假設(shè)硅片τbulk趨于無窮大時表面復(fù)合速率最高，仍得到S＜9.38cm/s的優(yōu)良鈍化效果；若硅片τbulk為2ms，則S＜5.63cm/s。

圖4 硅片少子壽命掃描圖

四 結(jié)語

經(jīng)過PECVD工藝優(yōu)化后，太陽能級n型Cz硅片鈍化后的平均少子壽命值在800μs以上，局部在1500μs以上，經(jīng)推算得到了鈍化后硅片平均表面復(fù)合速率S＜9.4cm/s的優(yōu)良鈍化效果。

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