多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)中PECVD的工藝與技術(shù)

王興榮/1.青海省聚能電力有限公司 2.身份證號(hào)碼:620421198701064169

多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)中PECVD的工藝與技術(shù)

王興榮1.2/1.青海省聚能電力有限公司 2.身份證號(hào)碼:620421198701064169

太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源。以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的太陽(yáng)電池有著美好的應(yīng)用前景。其中PECVD電池的制作工藝在高效低成本太陽(yáng)電池的研究和生產(chǎn)中有著重要的地位。

PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積氮化硅減反射薄膜已經(jīng)普遍應(yīng)用于光伏工業(yè)中，目的是在晶體太陽(yáng)電池表面形成減反射薄膜，同時(shí)達(dá)到了良好的鈍化作用。氮化硅薄膜的厚度和折射率對(duì)電池的性能都有重要的影響，以此來提高多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率。

多晶硅太陽(yáng)電池；表面結(jié)構(gòu)；PECVD

目前眾多光伏企業(yè)都采用PECVD的方法在太陽(yáng)能電池的表面沉積一層氮化硅減反射薄膜。這除了可以大大減少光線的反射率，它還起到了良好的表面鈍化和提鈍化效果，達(dá)到了提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和短路電流的目的。而氮化硅穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)起到了抗腐蝕和阻擋金屬離子的目的，能夠?yàn)殡姵亻L(zhǎng)期的保護(hù)。所以，高質(zhì)量的氮化硅薄膜對(duì)太高電池的性能和質(zhì)量都有重要作用。

1.PECVD的工作原理

化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡(jiǎn)稱CVD)是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。而PECVD是CVD的一種。

1.1 化學(xué)氣相沉積技術(shù)的方法：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個(gè)很好的例子，它是由硅烷和氮反應(yīng)形成的。半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術(shù)，包括大范圍的絕緣材料，大多數(shù)金屬材料和金屬合金材料。

2.PECVD的原理

2.1 PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition） 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 。等離子體：氣體在一定條件下受到高能激發(fā)，發(fā)生電離，部分外層電子脫落原子核，形成電子，正離子和中性粒子混合物組成的一種形態(tài)，這種形態(tài)就稱為等離子態(tài)即第四態(tài)。等離子體從宏觀來說也是電中性，但是在局部可以為非電中性。PECVD技術(shù)原理是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在硅片上沉積出所期望的薄膜。

2.2 PECVD薄膜沉積的微觀過程(等離子化學(xué)氣象沉積的主要過程）

等離子體化學(xué)氣象沉積（PECVD)技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜材料生長(zhǎng)的一種新的制備技術(shù)。由于PECVD技術(shù)是通過反應(yīng)氣體放點(diǎn)制備薄膜的，有效的利用了非平衡等離子體的反應(yīng)特征，從根本上改變了反應(yīng)體系的能量供給方式。

3.實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用Centrotherm設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并使用SE400型橢偏儀多薄膜的厚度和折射率進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)所用硅片為多晶硅。

3.1 PECVD的設(shè)備簡(jiǎn)介

圖3 .1 是德國(guó)Centrotherm制造的管式PECVD設(shè)備圖。

管式OECVD主要的由工藝及電阻加熱爐，凈化推舟系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，射頻系統(tǒng)等7大部分組成.

3.2 最佳氮化硅薄膜及其影星因素

最佳氮化硅薄膜：Si3N4膜的顏色隨著它的厚度的變化而變化，其理想的厚度是78～83nm之間，表面呈現(xiàn)的顏色是深藍(lán)色，Si3N4膜的折射率在1.9～2.1之間為最佳。其觀點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率最高。

3.3 工藝條件和參數(shù)

PECVD工藝較為發(fā)雜，影響PECVD成膜均勻性和膜層折射率的參數(shù)很多 ，如溫度，高頻功率，沉寂壓力，SIH4流量，NH3流量，電極板間距等等。先選取以下條件：溫度：200～500℃，放電能力1～10eV，沉寂壓力：50～300Pa，壓力控制：閉環(huán)自動(dòng)控制，沉積時(shí)間：30～300nm/min，裝片量：156mm ×156mm片方，144片/批或125mm ×125mm片方，168片/批。m ，回復(fù)真空時(shí)間RT→ 10 PA＜10min。

3.4 結(jié)果討論

折射率是影響電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)折射率與溫度（t)，SI/N,膜厚，放電能力等各工藝參數(shù)均有一定的關(guān)系。在其他參數(shù)不變的情況下，僅改變溫度，其溫度與折射率的關(guān)系如圖 由圖可知溫度對(duì)折射率的影響并不大，溫度提高110℃，折射率僅提高0.03。在其他參數(shù)不變的情況下，僅改變NH3/SIH4比，其NH3/SIH4，比與折射率的關(guān)系如圖4，由圖可知，改變流量比折射率調(diào)高時(shí)非常明顯的，力量比影響的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度對(duì)折射率的影響。

3.5 Si3N4膜的認(rèn)識(shí)

Si3N4膜的顏色隨著它的厚度的變化而變化，其理想的厚度是73—77nm之間，表面呈現(xiàn)的顏色是深藍(lán)色，Si3N4膜的折射率在1.9—2.1之間為最佳，與酒精的折射率相乎，通常用酒精來測(cè)其折射率。

3.6 SiNx減反射機(jī)理

設(shè) 半導(dǎo)體，減反射膜，空氣的折射率分別為n2,n1,n0減反射膜厚度為d1,則反射率R為：

當(dāng)上式分子為0.即 n0n2=n12 時(shí)，反射最小。對(duì)于電池片，n0=1,n2=3.87.則 n1=1.97.對(duì)于組件 n0=1.14,n2=3.87.則 n1=2.1.考慮到實(shí)際情況，一般選擇薄膜的折射率在2.0～2.1之間。

地面光譜能量峰值在0.5um，太陽(yáng)能電池響應(yīng)峰值在0.8-0.9um，減反射最好效果在0.6um左右(0.5um～0.9um)。當(dāng)光學(xué)厚度等于四分之一波長(zhǎng)時(shí)，反射率接近于零，即：

4.結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能是人類未來的重要的綠色能源之一，具有非常巨大的開發(fā)優(yōu)勢(shì)。硅材料儲(chǔ)量豐富，為地殼上出氧之外的豐度排第二。帶到26%之多。硅石是目前研究最透徹的半導(dǎo)體，已經(jīng)形成多種成熟的工藝技術(shù)。然而現(xiàn)在已有的工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率為 1.6 距離我們的理想還有一定的距離 這還需要我們繼續(xù)努力為優(yōu)化現(xiàn)有的工藝并開發(fā)更先進(jìn)的工藝技術(shù)。

[1]施敏著．半導(dǎo)體器件物理與工藝（第二版）[M]．蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2004，359—366.

[2]關(guān)旭東．硅集成電路工藝基礎(chǔ)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2003，122—156.