等離子體預(yù)處理對(duì)于太陽(yáng)能電池性能的影響

李小玄 孫占峰 王偉 羅飛 孫濤 王寶磊

摘 要：在這個(gè)研究中，我們驗(yàn)證等離子體預(yù)處理對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響，也就是SiNx：H層的性能。我們發(fā)現(xiàn)預(yù)處理的時(shí)間對(duì)于沉積物SiNx：H層影響比較小，較短的PECVD預(yù)處理時(shí)間，其鈍化作用相對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間預(yù)處理更加有效。同時(shí)，預(yù)處理時(shí)間在300秒范圍內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能板的效率起著次要作用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能板；鈍化；PECVD；SiNx：H

1 介紹

表面鈍化對(duì)于提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。很多絕緣層（電介質(zhì)）被運(yùn)用到表面鈍化的研究中，例如Al2O3[1-2]， a-Si[3]， SiC-H[4-5]， SiO2[6]等等。SiNx：H 表層具有減反射和鈍化的作用[1]，在優(yōu)化硅片表面已經(jīng)成為了現(xiàn)代光伏技術(shù)中非常重要的部分。

SiNx：H薄膜不僅可以降低反射率減少光學(xué)損失，同時(shí)，因其含有大量的等離子體氫，降低了晶體硅表面雜質(zhì)和缺陷的電活性，起到了優(yōu)越的表面鈍化和體鈍化的作用[2]。SiNx：H目前可以通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制做出來(lái)。因此大多數(shù)光伏生產(chǎn)商利用微波遠(yuǎn)程或者高頻直接式反應(yīng)器[3]。

等離子預(yù)處理是大多數(shù)提高鈍化效果最普遍的一種處理方法。在太陽(yáng)能電池等離子體預(yù)處理中，預(yù)處理氣體一般采用NH3，Ar，和H2。NH3等離子預(yù)處理可以影響界面態(tài)密度[4]，其反應(yīng)機(jī)理尚未明確。在這個(gè)課題中，我們將驗(yàn)證和討論，在沉積物之前采用NH3的等離子預(yù)處理對(duì)硅片表面的影響和它對(duì)氮化硅膜層以及電性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

用型號(hào)156mm×156mm，厚度200um和電阻率為1-3Ω·cm摻硼的P型多晶硅片。實(shí)驗(yàn)硅片除了PECVD預(yù)處理的時(shí)間不同，其余都經(jīng)過(guò)一樣的處理過(guò)程。首先，硅片被HF和HNO3的混合溶液腐蝕形成絨面。第二步，制絨后的硅片在850度，在液態(tài)源POCl3下進(jìn)行擴(kuò)散。接著，經(jīng)過(guò)HF溶液蝕刻、清洗。清洗后，SiNx：H膜層就會(huì)通過(guò)等等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD - RF 40 KHz）沉積在晶片的前表面上，SiH4 和 NH3在450度下作為氣體源。在沉積SiNx：H層之前，其上表面被NH3作預(yù)處理，沉積SiNx：H 使用不同預(yù)處理時(shí)間。在膜層沉積之后，采用WT2000-PVN 測(cè)量少數(shù)載流子的壽命（圖）。同時(shí)，使用準(zhǔn)靜態(tài)光電導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量有效少數(shù)載流子壽命、開(kāi)路電壓和飽和電流密度。通過(guò)測(cè)量結(jié)果研究SiNx：H膜層對(duì)硅片的鈍化特性。用光譜儀測(cè)量表面反射率，用橢偏儀測(cè)量SiNx：H膜層的厚度和折射率。前表面和背表面的金屬接觸通過(guò)網(wǎng)版印刷銀和鋁漿通過(guò)燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)。最后做成電池片。在光照AM1.5的條件測(cè)出電流電壓特性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

首先，研究PECVD預(yù)處理對(duì)多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的影響。

圖1

圖1是在預(yù)處理時(shí)間300s以?xún)?nèi)（取點(diǎn)20-280間隔20），隨著預(yù)處理時(shí)間的縮短電池轉(zhuǎn)換效率（△EFF）的變化趨勢(shì)。圖1 指出，最好的轉(zhuǎn)換效率在小于20秒的范圍內(nèi)得到，但是轉(zhuǎn)換效率變化較小（≤0.06%）， 轉(zhuǎn)換效率差小于0.1%。所有的△EFF值從 20秒到280秒預(yù)處理時(shí)間對(duì)比300秒的基礎(chǔ)判定值來(lái)說(shuō)，小于基礎(chǔ)判定值的能量轉(zhuǎn)換效率。這證明預(yù)處理時(shí)間（300秒范圍內(nèi)）對(duì)電池的轉(zhuǎn)換效率影響不大。同時(shí)，較短的預(yù)處理時(shí)間可以縮短鍍膜過(guò)程。對(duì)比用300秒預(yù)處理時(shí)間，減少預(yù)處理時(shí)間最高可以節(jié)省總過(guò)程12%的時(shí)間。

通過(guò)計(jì)算得出不同SiNx：H涂層的厚度和折射率變化的百分比，以預(yù)處理時(shí)間300秒作為基礎(chǔ)值。SiNx：H膜層的厚度和折射率通過(guò)激光橢偏儀測(cè)得。根據(jù)圖2可知，在預(yù)處理時(shí)間較短的時(shí)候，與300秒的預(yù)處理基礎(chǔ)值相比較氮化硅膜的厚度和折射率改變不明顯，波動(dòng)在3% 和1%。它指出預(yù)處理時(shí)間對(duì)SiNx：H膜層的特性起較小影響。

進(jìn)一步研究預(yù)處理時(shí)間對(duì)多晶硅片的影響，通過(guò)對(duì)鍍膜后硅片少子壽命的測(cè)試，圖3 顯示，增加預(yù)處理時(shí)間少數(shù)載流子壽命的變化趨勢(shì)。隨著預(yù)處理時(shí)間的縮短，少子壽命測(cè)試呈增大趨勢(shì)，特別是預(yù)處理時(shí)間20s的時(shí)候，少子壽命值最大，與圖1結(jié)論一致，即在預(yù)處理時(shí)間20s時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率最高。

圖3

我們通過(guò)WCT120測(cè)量不同時(shí)間的預(yù)處理時(shí)間制成的電池片的有效載流子的壽命、開(kāi)路電壓和飽和電流密度，數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，預(yù)處理時(shí)間短的電池片壽命比預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)的壽命長(zhǎng)，預(yù)處理時(shí)間短的飽和電流密度較小。因此，可以推斷出經(jīng)過(guò)較短時(shí)間預(yù)處理比長(zhǎng)時(shí)間預(yù)處理對(duì)硅片的表面鈍化效果更好。這種結(jié)果可能是因?yàn)楣杵陬A(yù)處理過(guò)程中會(huì)經(jīng)受離子碰撞，而較短時(shí)間的預(yù)處理破壞性較小導(dǎo)致的[5]，另外經(jīng)過(guò)較短時(shí)間預(yù)處理電池的開(kāi)路電壓較大。因此較短的預(yù)處理時(shí)間可以縮短鍍膜時(shí)間以及形成較好的表面鈍化特性。

表1 在不同時(shí)間長(zhǎng)度的PECVD預(yù)處理下電池各性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了PECVD預(yù)處理時(shí)間對(duì)硅太陽(yáng)能電池的SiNx：H 膜層的結(jié)構(gòu)特性影響，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的預(yù)處理，我們通過(guò)測(cè)量有效少數(shù)載流子的壽命、開(kāi)路電壓和飽和電流密度可以反應(yīng)出SiNx：H膜層的鈍化效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，預(yù)處理時(shí)間對(duì)SiNx：H膜層結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響不大，但是硅片表面的鈍化作用在較短的PECVD預(yù)處理時(shí)間下更加顯著，而它在300秒范圍內(nèi)的預(yù)處理時(shí)間里對(duì)電池的轉(zhuǎn)換效率起著影響不大。

參考文獻(xiàn)

[1]Alexander Hauser， Markus Spiegel， Peter Fath， Ernst Bucher， Influence of an ammonia activation prior to the PECVD SiN deposition on the solar cell performance Solar Energy Materials & Solar Cells 75 （2003） 357-362.

[2]王曉泉.PECVD淀積氮化硅薄膜性質(zhì)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004，25（3）：341-344

[3]李瓊，陳永興.PECVD氮化硅薄膜的制備和研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，23（1）：42

[4]Aberle AG. Surface passivation of crystalline silicon solar cells： a review. Progress in Photovoltaics： Research and Applications 8 （2000） 473-487.

[5]Chen Z， Rohatgi A， Ruby D. Silicon surface and bulkdefect passivation by low temperature PECVD oxidesand nitrides. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion， Hawaii，1994，1331-1334.