管式PECVD法沉積的SiyNx/SiOxNy疊層膜的研究

王貴梅，許志衛(wèi)，靳迎松，朱少杰，王少麗

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法沉積的氮氧化硅(SiOxNy，下文簡(jiǎn)寫(xiě)為“SiON”)薄膜在帶隙寬度、折射率、應(yīng)力方面均可調(diào)整[1]。SiON薄膜的制備方式為：在常規(guī)的PECVD工序中，引入反應(yīng)氣體N2O，與NH3和SiH4發(fā)生反應(yīng)，從而生成SiON薄膜。通過(guò)改變反應(yīng)氣體N2O、NH3和SiH4的流量配比及沉積時(shí)間，即可改變SiON薄膜的膜層組分及膜厚[2]。在太陽(yáng)電池鈍化層制備過(guò)程中，氮化硅(SiyNx，下文簡(jiǎn)寫(xiě)為“SiN”)薄膜與SiON薄膜的膜層設(shè)置較為關(guān)鍵，二者有多種搭配組合方式，除了需要與實(shí)際產(chǎn)線相匹配之外，還需要考慮將太陽(yáng)電池的電性能與光伏組件的CTM(用于表征因封裝造成的光伏組件輸出功率損失程度)均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，從而確定最佳的SiN薄膜與SiON薄膜的膜層設(shè)置方案。

本文采用管式PECVD法，以SiH4、NH3、N2O作為反應(yīng)氣體制備SiON薄膜，利用橢偏儀測(cè)試薄膜的膜厚及折射率，從中找出最優(yōu)膜厚及折射率控制標(biāo)準(zhǔn)；然后結(jié)合SiN薄膜已有的制備工藝，制備出SiN/SiON疊層膜，并對(duì)SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜的光學(xué)性能，以及分別采用這2種薄膜的太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行了分析，以期可以通過(guò)采用此疊層膜大幅改善太陽(yáng)電池鈍化膜的特性，從而提升太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率和抗電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(PID)性能。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

采用尺寸為158.75 mm×158.75 mm 的p型直拉單晶硅片，厚度為180 μm，電阻率為0.4～1.1 Ω·cm。利用管式PECVD設(shè)備在硅片上分別沉積SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜。

利用EMPro-PV橢偏儀測(cè)試薄膜的膜厚和折射率；利用RC反射儀測(cè)試薄膜的反射率；利用WAVELABS-SINUS-200設(shè)備檢測(cè)成品太陽(yáng)電池的電性能；利用WCT120測(cè)試成品太陽(yáng)電池的反向飽和電流密度J0；利用QEX10測(cè)試成品太陽(yáng)電池的量子效率QE。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在硅片正面鍍制不同反應(yīng)氣體流量配比下的SiN/SiON疊層膜，鍍膜順序依次為：硅片→第1層為SiN薄膜→第2層為SiN薄膜→第3層為SiN薄膜→第4層為SiON薄膜→第5層為SiON薄膜。

通過(guò)調(diào)整各個(gè)膜層的反應(yīng)氣體流量配比，使第1層的SiN薄膜達(dá)到提高界面態(tài)鈍化的效果，膜厚約為15 nm；使第2層與第3層的SiN薄膜起到降低疊層膜整體折射率、減少消光、增加光透射率、增大光吸收率的作用；使第4層與第5層SiON薄膜起到進(jìn)一步降低疊層膜的反射率、增大其光吸收率的作用。

在SiN/SiON疊層膜的制備過(guò)程中，對(duì)鍍膜時(shí)間進(jìn)行控制，以便得到合適的膜厚，從而使制備的SiN/SiON疊層膜在光學(xué)性能與電性能方面均優(yōu)于SiN薄膜，使其表現(xiàn)出更好的減反射與鈍化效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜層的膜厚、折射率及反射率數(shù)據(jù)

采用管式PECVD法制備SiON薄膜時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量配比改變薄膜的折射率：若SiH4的流量高，則SiON薄膜的折射率高；由于SiON薄膜中的Si主要來(lái)源于SiH4，O主要來(lái)源于N2O，因此增加N2O的流量，可降低SiON薄膜的折射率，此時(shí)薄膜的成分趨近于SiO2；若增加NH3和SiH4的流量，可提高SiON薄膜的折射率，此時(shí)薄膜的成分會(huì)趨近于SiN[3]。

為研究SiN薄膜與SiON薄膜的光學(xué)性能，選取實(shí)驗(yàn)硅片20片，然后通過(guò)控制SiN薄膜和SiON薄膜的鍍膜時(shí)間、脈沖比等參數(shù)，制備分別鍍有SiN薄膜和SiN/SiON疊層膜的太陽(yáng)電池各10片，測(cè)試這2種膜層的膜厚、折射率及反射率數(shù)據(jù)，然后取平均值。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 2種膜層的膜厚、折射率及反射率數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of film thickness，refractive index and reflectance data of two types of coatings

由表1可知，相較于SiN薄膜，SiN/SiON疊層膜中增加了O含量，膜層的穩(wěn)定性和透明性會(huì)更好[4]，因此相對(duì)于SiN薄膜的反射率為2.11%，SiN/SiON疊層膜的反射率降至1.80%。

SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率曲線如圖1所示。

由圖1可知，在370～460 nm的短波波段內(nèi)，SiN/SiON疊層膜的反射率明顯低于SiN薄膜的反射率，在中長(zhǎng)波波段(600～1100 nm)內(nèi)，這2種膜層的反射率之間的差異不大。綜上，SiN/SiON疊層膜在短波波段具有明顯的反射率優(yōu)勢(shì)。

圖1 SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率曲線Fig. 1 Reflectance curves of SiN film and SiN/SiON laminated film in different wavelength ranges

利用PC1D軟件對(duì)在硅片上制備的SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜的光學(xué)性能情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜的光學(xué)性能對(duì)比Table 2 Comparison of optical performance of SiN film and SiN/SiON laminated film

由表2可知，相較于SiN薄膜，SiN/SiON疊層膜在反射率和光吸收率方面均具有優(yōu)勢(shì)；且在SiN/SiON疊層膜工藝下硅基的光吸收率為98.50%，比SiN薄膜工藝下硅基的光吸收率提升了0.90%。

2.2 太陽(yáng)電池的J0數(shù)據(jù)

取功率檔相同的太陽(yáng)電池，其中，采用SiN薄膜的太陽(yáng)電池(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“常規(guī)太陽(yáng)電池”)10片，采用SiN/SiON疊層膜的太陽(yáng)電池(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“SiN/SiON疊層太陽(yáng)電池”)10片，分別測(cè)試這2種太陽(yáng)電池的準(zhǔn)中性區(qū)基區(qū)和發(fā)射極區(qū)中復(fù)合產(chǎn)生的反向飽和電流密度J01和由空間電荷區(qū)中復(fù)合產(chǎn)生的反向飽和電流密度J02，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 2種太陽(yáng)電池的J01和J02對(duì)比Fig. 2 Comparison of J01 and J02 of two kinds of solar cells

由圖2可知，SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池的J01與J02均比采用SiN薄膜的常規(guī)太陽(yáng)電池的低，這主要與SiN/SiON疊層膜中SiN薄膜和SiON薄膜界面處的界面態(tài)密度均較低有關(guān)[5]，使太陽(yáng)電池表面的鈍化效果得到提高，從而降低了其J01與J02。

2.3 太陽(yáng)電池的QE數(shù)據(jù)

取功率檔相同的常規(guī)太陽(yáng)電池和SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池各2片，利用QEX10測(cè)試這4片太陽(yáng)電池的QE，并繪制其QE曲線，具體如圖3所示。

圖3 4片太陽(yáng)電池的QE曲線Fig. 3 QE curve of four pieces of solar cells

由圖3可知，SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池在300～460 nm波段的QE較高，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的短波響應(yīng)能力。原因可能歸因于2個(gè)方面：一方面，由于SiN/SiON疊層膜較好的減反射效果增加了硅基的光吸收率，這與SiN/SiON疊層膜在短波波段的反射率優(yōu)勢(shì)相吻合；另一方面，SiN/SiON疊層膜擁有較好的鈍化效果及較低的界面態(tài)密度，使發(fā)射極附近的表面復(fù)合和結(jié)區(qū)復(fù)合更少。以上2種原因綜合提高了SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池在短波波段的QE[6]。

2.4 太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)

取功率檔相同的常規(guī)太陽(yáng)電池和SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池各1200片，對(duì)這2種太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行測(cè)試，然后取平均值。以常規(guī)太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，計(jì)算得到SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)變化情況，具體如表3所示。

表3 相較于常規(guī)太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)，SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池電性能數(shù)據(jù)的變化情況Table 3 Comparison with electrical performance data of conventional solar cells，changes of electrical performance data of SiN/SiON laminated film solar cells

由表3可知，SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池的Eta比采用SiN薄膜的常規(guī)太陽(yáng)電池的Eta高0.07%，Voc高0.5 mV，Isc高45 mA。綜合前文中SiN/SiON疊層膜的反射率數(shù)據(jù)，以及采用該疊層膜的太陽(yáng)電池的J01、J02和QE數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池Eta的提升主要是得益于SiN/SiON疊層膜的光透射率的增加和薄膜自吸收系數(shù)降低所帶來(lái)的硅基光吸收率的提升，以及界面態(tài)密度的降低和鈍化效果的增強(qiáng)。

2.5 光伏組件的PID數(shù)據(jù)

通常，在制備SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池中的SiN/SiON疊層膜時(shí)，膜層順序是將SiON薄膜鍍?cè)诏B層的最外層，但由于太陽(yáng)電池制成光伏組件后會(huì)疊加上封裝材料的反射，致使采用該種疊層膜的太陽(yáng)電池難以展現(xiàn)出其短路電流的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致最終封裝得到的光伏組件的輸出功率損失偏高。而本文實(shí)驗(yàn)制備的SiN/SiON疊層膜是將2層SiON薄膜鍍?cè)赟iN層的外面，使最外層的SiON薄膜的折射率比次外層SiON薄膜的折射率低，提升了疊層膜整體的減反射效果。

分別將常規(guī)太陽(yáng)電池和SiN/SiON疊層膜太陽(yáng)電池制成相應(yīng)的光伏組件(下文將這2種光伏組件分別簡(jiǎn)稱(chēng)為“常規(guī)光伏組件”和“SiN/SiON疊層膜光伏組件”)，然后對(duì)這2種光伏組件的電性能和CTM進(jìn)行測(cè)試，CTM的值越高表明光伏組件的輸出功率越高。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 2種光伏組件的電性能和CTM測(cè)試結(jié)果Table 4 Electrical performance and CTM test results of 2 kinds of PV modules

從表4中可以看出，相較于常規(guī)光伏組件，SiN/SiON疊層膜光伏組件的CTM值更大，表現(xiàn)更為優(yōu)秀。

從上述常規(guī)光伏組件和SiN/SiON疊層膜光伏組件中分別選取標(biāo)稱(chēng)功率相同的光伏組件各5塊，進(jìn)行PID測(cè)試。PID測(cè)試時(shí)，在光伏組件上施加-1500 V的電壓，在高溫、高濕(85 ℃，85%RH)的條件下[7]，測(cè)試196 h。在此過(guò)程中，光伏組件的輸出功率會(huì)隨著時(shí)間的推移顯著下降，因此對(duì)測(cè)試前、后光伏組件的輸出功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算得到光伏組件的輸出功率損失PL數(shù)據(jù)，然后取平均值，結(jié)果如表5所示。

表 5 PID測(cè)試后2種光伏組件的PL數(shù)據(jù)Table 5 PL values of two kinds of PV modules after PID test

由表5可知，PID測(cè)試后，SiN/SiON疊層膜光伏組件的PL為1.95%，與常規(guī)光伏組件的PL(2.51%)相比，抗PID性能提升了約22%。這主要是因?yàn)镾iN/SiON疊層膜有較好的致密性和表面鈍化效果，從而有效阻擋了Na+侵入太陽(yáng)電池，減弱了PID效果[8]。

3 結(jié)論

本文利用管式PECVD設(shè)備沉積了SiN薄膜和SiN/SiON疊層膜，分別測(cè)試了這2種膜層的光學(xué)性能，并對(duì)比了采用SiN薄膜的太陽(yáng)電池及采用SiN/SiON疊層膜的太陽(yáng)電池的電性能；對(duì)采用這2種膜層的光伏組件在PID測(cè)試后的輸出功率損失情況進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示：SiN/SiON疊層膜能夠增加光的吸收率，提升太陽(yáng)電池的短波響應(yīng)能力，利用SiON薄膜低界面態(tài)密度可減少?gòu)?fù)合、增強(qiáng)鈍化的特性，使采用SiN/SiON疊層膜的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率比采用SiN薄膜的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.07%；利用SiN/SiON疊層膜抗氧化、抗鈉離子的特性，提升了光伏組件的抗PID性能，相較于采用SiN薄膜的光伏組件，采用SiN/SiON疊層膜的光伏組件的抗PID性能提升了22%。