PECVD工藝制備的背面氮化硅薄膜對雙面單晶硅太陽電池EL發(fā)黑的影響

張福慶，王貴梅，趙 環(huán)，張軍杰，朱少杰

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

氮化硅薄膜在晶體硅太陽電池制造過程中起著至關(guān)重要的作用。已有許多文獻(xiàn)針對氮化硅薄膜在太陽電池表面的鈍化和減反射作用進(jìn)行了詳細(xì)論述[1]，在此不再贅言。氮化硅薄膜對晶體硅太陽電池電致發(fā)光(EL)發(fā)黑也有較大影響，但目前針對此方面的研究較少。為此，本文針對采用PECVD工藝制備的背面氮化硅薄膜導(dǎo)致雙面單晶硅太陽電池EL發(fā)黑的各種條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及理論分析，研究了背面氮化硅薄膜底層膜、中層膜，以及上層膜邊緣的折射率等條件不同的情況下對雙面單晶硅太陽電池EL發(fā)黑的影響，研究結(jié)果對雙面單晶硅太陽電池生產(chǎn)線的現(xiàn)場良品率控制有一定的幫助。

1 EL原理

EL又稱場致發(fā)光。EL的基本原理為：給太陽電池加正向偏置電壓，p區(qū)加正電壓，n區(qū)加負(fù)電壓，正向偏置電壓的電場與p-n結(jié)自建電場方向相反，正向偏置電壓的電場削弱了自建電場對晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下源源不斷地通過p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散；當(dāng)結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶上的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合；當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶中時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。當(dāng)向太陽電池施加正向電流后，太陽電池會(huì)像發(fā)光二極管一般，發(fā)出近紅外的光，該近紅外光的光強(qiáng)除了與輸入電流成正比外，也與太陽電池的缺陷密度有關(guān)，由此可以區(qū)分太陽電池晶格缺陷、隱裂等異常產(chǎn)生的成因[2]。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用德國Meyer Burger AG公司生產(chǎn)的PECVD設(shè)備(2.45 GHz)制備氮化硅薄膜，采用北京量拓科技有限公司生產(chǎn)的EMPro-PV激光橢偏儀測試氮化硅薄膜的膜厚和折射率，采用沛德光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的EL測試機(jī)對雙面單晶硅太陽電池進(jìn)行EL測試。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

PECVD設(shè)備反應(yīng)倉內(nèi)一共有6根石英管，每根石英管對應(yīng)的氨氣和硅烷流量計(jì)可以單獨(dú)控制；且第6根石英管對應(yīng)邊緣流量計(jì)和中間流量計(jì)2種，分別控制硅片邊緣和中間位置的鍍膜。

雙面單晶硅太陽電池的背面氮化硅薄膜采用3層不同折射率的SiNx結(jié)構(gòu)。由于前2根石英管靠近硅片一側(cè)，因此將其鍍制的膜層稱為第1層膜或底層膜；最后1根石英管(第6根石英管)主要用于調(diào)整載板內(nèi)單晶硅片表面鍍膜的均勻性，由于該根石英管靠近空氣，所以將其鍍制的膜層稱為第3層膜或上層膜；中間3根石英管鍍制的膜層夾在底層膜和上層膜之間，因此稱為第2層膜或中層膜。底層膜、中層膜、上層膜這3層膜層疊加后即為整體的氮化硅薄膜，亦可稱為疊膜。

在背面氮化硅薄膜底層膜、中層膜、上層膜邊緣的折射率等條件不同的情況下制備背面氮化硅薄膜；然后采用相同的開槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝后制備雙面單晶硅太陽電池；最后分別測試不同條件下制備的雙面單晶硅太陽電池的EL情況，并分析背面氮化硅薄膜底層膜、中層膜，以及上層膜邊緣的折射率對雙面單晶硅太陽電池EL發(fā)黑的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 背面氮化硅薄膜的折射率與雙面單晶硅太陽電池背電極位置EL發(fā)黑的關(guān)系

在保證疊膜的膜厚控制在90 nm、折射率控制在2.12 (均為公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)值)不變的情況下，通過改變背面氮化硅薄膜底層膜的折射率nbottom來制備氮化硅薄膜。實(shí)驗(yàn)共改變了5次底層膜的折射率，改變范圍根據(jù)設(shè)備流量計(jì)取整得出。具體底層膜的折射率條件如表1所示。

將單晶硅片背面分別鍍制nbottom不同的氮化硅薄膜后，經(jīng)過相同的開槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝得到雙面單晶硅太陽電池，并測試制備的雙面單晶硅太陽電池的EL情況。雙面單晶硅太陽電池的EL測試結(jié)果顯示，當(dāng)nbottom≤2.11時(shí)開始出現(xiàn)背電極位置EL發(fā)黑的情況，具體如圖1所示。

表1 底層膜的折射率條件Table 1 Refractivity conditions of bottom layer film

圖1 當(dāng)nbottom≤2.11時(shí)，雙面單晶硅太陽電池背電極位置的EL發(fā)黑情況示意圖Fig. 1 When nbottom≤2.11，EL blackening at back electrode position of bifacial mono-crystalline silicon solar cells are observed

從圖1可以看出，當(dāng)背面氮化硅薄膜的nbottom≤2.11時(shí)，EL圖像顯示雙面單晶硅太陽電池背電極位置出現(xiàn)連續(xù)或斷續(xù)發(fā)黑的情況。分析認(rèn)為，隨著nbottom降低，其與中層膜的折射率nmiddle的差距變大，開槽激光入射光容易在底層膜和中層膜的臨界位置發(fā)生全反射，使激光的實(shí)際能量變小，則開槽激光未能完全將氮化硅薄膜打破，從而導(dǎo)致鋁漿未能與硅片進(jìn)行充分接觸，無法形成良好的歐姆接觸，最終導(dǎo)致雙面單晶硅太陽電池背電極位置的EL圖像發(fā)黑[3]。

背面氮化硅薄膜nbottom≤2.11時(shí)制備的雙面單晶硅太陽電池背電極位置EL發(fā)黑時(shí)的成分圖如圖2所示，EL圖像顯示的發(fā)黑位置的成分含量對比如表2所示。

圖2 雙面單晶硅太陽電池背電極位置EL發(fā)黑時(shí)的成分分析Fig. 2 Component analysis of EL blackening position at back electrode of bifacial mono-crystalline silicon solar cells

表2 雙面單晶硅太陽電池背電極位置EL發(fā)黑時(shí)的成分含量對比Table 2 Comparison of component contents of EL blackening at back electrode position of bifacial mono-crystalline silicon solar cells

由表2可知，雙面單晶硅太陽電池背電極位置EL發(fā)黑時(shí)的成分中，N元素原子含量較多，Al元素原子含量較少(正常情況下Al元素原子含量應(yīng)在40以上)，而EL圖像正常位置的Al元素原子含量較多，與前面的分析推斷一致。

3.2 背面氮化硅薄膜的折射率與雙面單晶硅太陽電池EL大面積發(fā)黑的關(guān)系

在保證疊膜的膜厚控制在90 nm(公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)值)不變的情況下，通過改變疊膜中底層膜、中層膜的折射率來制備不同的背面氮化硅薄膜。實(shí)驗(yàn)共改變了5次折射率條件，改變范圍根據(jù)設(shè)備流量計(jì)取整得出。具體底層膜、中層膜的折射率條件如表3所示。

表3 底層膜和中層膜的折射率條件Table 3 Refractivity conditions of bottom layer film and middle layer film

分別鍍制nbottom、nmiddle不同的氮化硅薄膜后，所有硅片均經(jīng)過相同的開槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝制備得到雙面單晶硅太陽電池，并測試這些雙面單晶硅太陽電池的EL情況。雙面單晶硅太陽電池EL測試結(jié)果顯示，當(dāng)nbottom≥2.22且nmiddle≥2.19時(shí)，雙面單晶硅太陽電池開始出現(xiàn)EL大面積發(fā)黑的情況，如圖3所示。

圖3 當(dāng)nbottom≥2.22且nmiddle≥2.19時(shí)，雙面單晶硅 太陽電池EL大面積發(fā)黑的情況Fig. 3 When nbottom≥2.22 and nmiddle≥2.19，large area blackening of EL of bifacial mono-crystalline silicon solar cells are observed

從圖3可以看出，當(dāng)背面氮化硅薄膜的nbottom≥2.22且nmiddle≥2.19時(shí)，雙面單晶硅太陽電池EL出現(xiàn)了大面積發(fā)黑的情況。分析原因，可能是由于雙面單晶硅太陽電池背面氮化硅薄膜中的Si/N比較大，使氮化硅薄膜的實(shí)際含硅量提升，導(dǎo)致氮化硅薄膜的致密性變好，但致密性過高會(huì)影響開槽激光的刻槽效果，從而使電池背面鋁漿與硅基底的接觸性變差，出現(xiàn)了雙面單晶硅太陽電池EL大面積發(fā)黑的情況。當(dāng)雙面單晶硅太陽電池背面氮化硅薄膜的Si/N比偏大時(shí)，即折射率偏大，會(huì)導(dǎo)致成品太陽電池背面出現(xiàn)開槽激光線外觀不可見的異?，F(xiàn)象，從而使對應(yīng)位置的EL圖像出現(xiàn)大面積發(fā)黑的情況，也導(dǎo)致了雙面單晶硅太陽電池EL大面積發(fā)黑的情況。

3.3 背面氮化硅膜的折射率與雙面單晶硅太陽電池邊緣EL發(fā)黑的關(guān)系

特殊氣體流量計(jì)根據(jù)輸出流量時(shí)對應(yīng)的單晶硅片位置不同，可分為邊緣流量計(jì)和中間流量計(jì)，具體的示意圖如圖4所示。邊緣流量計(jì)為PECVD反應(yīng)倉最后1根(第6根)石英管對應(yīng)的3個(gè)獨(dú)立的硅烷流量計(jì)、3個(gè)獨(dú)立的氨氣流量計(jì)，這些邊緣流量計(jì)和中間流量計(jì)對應(yīng)的硅片位置差異導(dǎo)致位置1～位置5硅片邊緣對應(yīng)的流量計(jì)位置的鍍膜效果與中間位置硅片的鍍膜效果存在差異。

圖4 邊緣流量計(jì)和中間流量計(jì)對應(yīng)的單晶硅片的 位置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of mono-crystalline silicon wafers position corresponding to edge flowmeter and intermediate flowmeter

在保證中間位置2～ 位置4上硅片的工藝參數(shù)不變，2.11nmiddle的情況下，通過改變最后1根石英管對應(yīng)的邊緣流量計(jì)的流量來改變上層膜邊緣的折射率nupper，從而制備不同上層膜折射率的背面氮化硅薄膜。實(shí)驗(yàn)共改變了5次折射率條件，改變范圍根據(jù)設(shè)備流量計(jì)取整得出。具體上層膜邊緣的折射率條件如表4所示。

表4 上層膜邊緣的折射率條件Table 4 Refractivity conditions of upper layer film edge

通過改變單晶硅片邊緣流量計(jì)的流量分別鍍制nupper不同的氮化硅薄膜后，采用相同的開槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝得到雙面單晶硅太陽電池，并測試制備的雙面單晶硅太陽電池的EL情況。單晶硅雙面太陽電池的EL測試結(jié)果顯示，當(dāng)nupper≥2.21時(shí)制備的雙面單晶硅太陽電池開始出現(xiàn)邊緣位置EL發(fā)黑的情況，如圖5所示。

圖5 當(dāng)nupper≥2.21時(shí)制備的雙面單晶硅太陽電池的邊緣位置EL發(fā)黑情況Fig. 5 When nupper≥2.21，EL blackening of edge position of bifacial mono-crystalline silicon solar cells are observed

從圖5可以看出，在2.11nmiddle的前提下，當(dāng)nupper≥2.21時(shí)，雙面單晶硅太陽電池出現(xiàn)了邊緣位置EL發(fā)黑的情況。分析造成此現(xiàn)象的原因，可能在于單純增加上層膜邊緣位置的折射率時(shí)，導(dǎo)致氮化硅薄膜上層膜邊緣位置的致密性過高，因此在相同的開槽激光功率下，與硅片的中間位置相比，硅片邊緣位置的激光刻槽深度變淺，影響了激光對硅片邊緣位置背面氮化硅薄膜中底層膜、中層膜的開槽效果，從而影響了背面鋁漿與硅基底的充分接觸，使雙面單晶硅太陽電池出現(xiàn)了邊緣位置EL發(fā)黑的情況。

4 結(jié)論

本文研究了采用PECVD工藝制備的背面氮化硅薄膜對雙面單晶硅太陽電池EL發(fā)黑的影響，得出以下結(jié)論：

1)背面氮化硅薄膜的底層膜的折射率過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雙面單晶硅太陽電池背電極位置出現(xiàn)EL發(fā)黑的情況；在實(shí)驗(yàn)中，底層膜的折射率為2.11時(shí)，就出現(xiàn)了雙面單晶硅太陽電池背電極位置EL發(fā)黑的現(xiàn)象。

2)背面氮化硅薄膜的底層膜、中層膜的折射率過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雙面單晶硅太陽電池出現(xiàn)EL大面積發(fā)黑的情況；在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)讓幽さ恼凵渎蕿?.22、中層膜的折射率為2.19時(shí)，就出現(xiàn)了雙面單晶硅太陽電池EL大面積發(fā)黑的現(xiàn)象。

3)背面氮化硅薄膜的上層膜邊緣的折射率過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雙面單晶硅太陽電池出現(xiàn)邊緣位置EL發(fā)黑的情況；在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)上層膜邊緣的折射率為2.21時(shí)，就出現(xiàn)了雙面單晶硅太陽電池邊緣位置EL發(fā)黑的現(xiàn)象。

需要說明的是，不同的設(shè)備型號及氮化硅薄膜的膜厚、折射率控制標(biāo)準(zhǔn)的差異可能會(huì)得到不同的氮化硅薄膜底層膜折射率的范圍。因此，實(shí)驗(yàn)所得折射率范圍并不是最重要的，最重要的是從實(shí)驗(yàn)中得到的變化趨勢和規(guī)律。針對雙面單晶硅太陽電池背面氮化硅薄膜PECVD工序制定合理的底層膜、中層膜，以及上層膜邊緣的折射率范圍，可以有效避免雙面單晶硅太陽電池不良品的產(chǎn)生。