晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究

第 36 卷 第 6 期2002 年 6 月西 安 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF XI′ AN JIAOTONG UN IV ERSITYVol. 36 № 6Jun. 2002文章编号 0253 - 987X 20020620651204晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究杨 宏 1 , 王 鹤 1 , 于化丛 2 , 奚建平 2 , 胡宏勋 2 , 陈光德 11. 西安交通大学理学院 , 710049 , 西安 ; 2. 上海交通大学太阳能研究所 摘要 为了提高晶体硅太阳电池的光电转换效率 ,研究了用等离子增强化学气相沉积 PECVD 的SiN x H 作为晶体硅太阳电池的表面钝化及减反射膜对电池性能的影响 ,并采用不同的工艺路线制备了不同类型的电池 . 实验发现 同 SiN x H 比较 ,SiN x H/ SiO2 双层光学减反射结构对晶体硅太阳电池能起到更加有效的表面钝化作用 ,提高了太阳电池的光电转换效率 . 基于界面物理 ,提出了一种新的能带模型 ,解释了用不同实验方法制作的晶体硅太阳电池性能的差异 .关键词 太阳电池 ;表面钝化 ;SiN x H ;等离子增强化学气相沉积中图分类号 TM914 14 文献标识码 AInvestigation on Passivating Silicon Nitride Surface ofCrystalline Silicon Solar CellsYang Hong 1 , Wang He1 , Yu Huacong 2 , Xi Jianpi ng2 , Hu Hongx un2 , Chen Guangde 11. School of Sciences, Xi′ an Jiaotong University , Xi′ an 710049 , China ;2. Institute of Solar Energy ,Shanghai Jiaotong University Abstract In order to improve photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon solar cells ,someeffects of surfacepassivation quality and antireflection properties of silicon nitride prepared by plasmaenhanced chemical vapour deposition on crystalline silicon solar cells are investigated. All kinds of crys2talline silicon solar cells were prepared by different process methods. It was found that the silicon ni2tride/ silicon oxide double layer optical antireflection coatings structure shows excellent passivationproperties for crystalline solar cells compared to silicon nitride , sophotoelectric conversion efficiency ofcrystalline silicon solar cells is enhanced. Basedon interface physics , a new energy band model of sili2con nitride/ silicon oxide/ silicon is presented , differences of efficiency of crystalline silicon solar cellsprepared by different methodes are explained by this model.Keywords solar cells ; surf ace passivation ; silicon nit ri de; plasm a enhanced chemical vapour deposi2tion目前 ,适于作晶体硅太阳电池光学减反射膜的材料有 SiO2 、 TiO x 、 SiN x H 等薄膜材料 . SiO2 的折射率 114 太低 ,光学减反射效果不好 ; TiO x 的折射率虽然接近晶体硅太阳电池最佳光学减反射膜的收稿日期 2001210211. 作者简介 杨 宏 1968 ～ ,男 ,讲师 . 基金项目 西安交通大学博士学位论文基金资助项目 .理论值 ,但 TiO x 没有表面钝化功能 ;SiN x H 光学薄膜具有折射率 210～ 212 高 、 透明波段中心与太阳光的可见光谱波段符合 550 nm 且兼具表面钝化和体钝化等特点 ,是一种用作晶体硅太阳电池减反射及钝化膜的理想材料 ,其成膜工艺 、 钝化及减反射性能越来越得到人们的重视 .1981 年 , Hezel和 Schorner 首先将等离子增强化学气相沉积 PECVD SiN x H 薄膜的技术引入晶体硅太阳电池的制作工艺中 ,随后便成功地开发出了转化效率为 15 ～ 1518 的 M IS - IL 太阳电池 [1 ] . 自此 ,用 PECVD 法沉积的 SiN x H 作为晶体硅太阳电池的光学减反及钝化膜 ,引起了人们极大的兴趣 ,出现了 PESC、 PERC、 PERL 等新型结构的高效太阳电池 . 最近几年的发展说明 ,PECVD 法沉积的 SiN x H 是获得高效晶体硅太阳电池最有效的手段之一 [2 ～ 4] .虽然用 PECVD 法沉积的 SiN x H 薄膜作为晶体硅太阳电池的光学减反及钝化膜在国外少数公司里已进入了商业化生产 [4 ] ,但是关于 SiN x H 薄膜的热稳定性及钝化的机理至今却有一些不同的看法 [5 ] . 一些先进的实验室不断地对其性能进行改进 ,使其能更好地满足晶体硅太阳电池对光学减反及钝化膜的理论要求 [4 ] . 本文系统地研究了 SiN x H、 SiN x H/ SiO2 作为晶体硅太阳电池光学减反射薄膜对电池性能的影响 ,建立了 SiN x H/ SiO2/ Si能带模型 ,从半导体界面物理的角度解释了实验中发现的问题 .1 实验研究实验选用了 125 125 mm2 、 晶向为 100 的太阳电池级准方硅片 CZ - Si ,电阻率为 1 Ω cm ,厚度为 350μ m. 绒面的制作是在 NaOH 和 CH3COOH 的混合液中进行的 . PN 结制作采用 POCl3 液态源扩散方法 ,方块电阻 5 点平均值 范围为 35～ 40 Ω /□ . 干氧氧化在石英管中进行 ,干氧氧化层的厚度为10 nm 左 右 . 采 用 高 频 直 接 PECVD 法 [3 ] 沉 积SiN x H 薄膜 ,反应气体为 SiH4 和 N H3 ,衬底温度为 375 ℃ . SiN x H 薄膜的折射率为 210～ 211 λ 63218 nm ,薄膜的厚度为 60～ 70 nm ,其折射率 n 、消光系数 k 及膜厚由椭偏仪测得 . 为了避免反应离子对硅片表面的轰击损伤 ,等离子体的激励频率选为 13156 MHz. SiN x H 薄膜的烧穿在快速热处理R TP 炉中进行 . 3 组样品 A 、 B 、 C 是从同一批扩散的硅片中随机选取的 ,制作工艺分别如下 .1 A 清洗制绒 → 磷扩散 → 等离子刻边 → 印刷烧结 → PECVD SiN x H → 测试 .2B 清洗制绒 → 磷扩散 → 等离子刻边 → 干氧氧化 → PECVD SiN x H → 印刷烧穿 → 测试 .3 C 清洗制绒 → 磷扩散 → 等离子刻边 → 干氧氧化 、 通汽 → PECVD SiN x H → 印刷烧穿 → 测试 .图 1 示出了晶体硅太阳电池的截面图 ,绒面的扫描电镜如图 2 所示 ,图 3 为硅片绒面的反射率 R与波长的关系 . 由图 3 可以看出 ,实验制备的绒面结构在整个波长内具有很好的陷光效应 . 实验结果如表 1 所示 ,表 2 示出了经过一段时间光照后 3 种电池光电转换效率的比较 .图 1 晶体硅太阳电池的截面图图 2 绒面的扫描电镜照片图 3 硅片绒面的反射率与波长的关系256 西 安 交 通 大 学 学 报 第 36 卷 表 1 3 种样品电池光电转换效率的比较样品 光电转换效率 / 平均值 / A 1313 1219 1310 1313 1312 1218 1219 1218 1311 13103B 1319 1410 1316 1319 1412 1317 1318 1318 1319 13187C 1411 1319 1319 1410 1413 1411 1318 1415 1412 14109表 2 经过一段时间光照后 3 种样品电池光电转换效率的比较样品 光电转换效率 / 平均值 / A 1212 1210 1119 1214 1211 1119 1211 1210 1212 12109B 1316 1318 1314 1316 1318 1316 1316 1316 1317 13163C 1410 1317 1318 1319 1410 1410 1316 1413 1410 131922 SiN x H/ SiO 2/ Si 界面特性分析依据界面物理 ,SiN x H/ SiO2/ Si 应该有如图 4所示的能带结构 . 由于 Si/ SiO2 界面是一个过渡区域 ,即从硅氧四面体结构的 SiO2 到共价结构的 Si的过渡层 ,从实验结果来看 ,这种结构较 A 型电池中的 SiN x H/ Si 结构具有更好的表面纯化性能及稳定性 . 这一方面是由于在 SiN x H/ Si 结构中 ,界面陷阱密度高 ,因而在界面处会引入更多的界面态 ;另一方面很可能是因为 SiN x H 对 Si 形成的势垒较低 ,发射区外的电子被 SiN x H 中的陷阱所俘获 ,从而使表面能带向上弯曲 ,在界面形成少子势垒 ,阻碍了界面产生的少子在电场中的漂移运动 ,加速了界面的复合 . 但是 ,对 SiN x H/ SiO2/ Si 结构而言 ,界面态密度较小 ,且绝缘层中的正电荷使 Si 的表面能带向下弯曲 ,弯曲方向与结区能带弯曲方向一致 ,成为空穴的势垒 ,反射了界面的光生少子 2空穴 ,从而降低了表面复合 .图 4 SiN x H/ SiO2/ Si 的能带结构图3 结果和讨论1 由表 1 可看出 ,A 型电池的性能不及 B 型电池的性能 . 这一方面是因为 SiN x H 的表面钝化效果不如 SiO2/ SiN x H 双层结构好 ;另一方面是因为在 B 型电池的制备过程中 ,SiN x H 中大量的氢原子在烧结工艺中会扩散至 Si/ SiO2 界面 ,饱和了剩余的悬挂键 ,从而进一步降低了表面复合速度 [6 ] .2 在表 1 中 ,B 型电池的性能不及 C 型电池的性能 . 这是因为干氧氧化有较高的界面态密度 ,加入1 ～ 2 左右的水蒸气减少了界面态密度 ,从而降低了表面复合速度 ,提高了电池性能 ,但过量的水蒸气反而会降低电池的性能 [7 ] .3 由表 1 和表 2 的对比可看出 ,经过长时间光照后 ,B 型和 C 型电池的电性能变化不是很明显 ,A型电池的性能则有明显的退化现象 . 这很可能是因为在 Si 上直接沉积的 SiN x H 薄膜附着力不好 ,长时间光照引起的温度冲击使 SiN x H 膜层脱落所致 .4 结 论1 SiN x H 薄膜的表面钝化降低了晶体硅太阳电池发射极的表面复合速度 ,减小了暗电流 ,提高了太阳电池的开路电压 ,从而提高了太阳电池的光电转换效率 .2 基于 SiN x H 表面钝化的烧穿工艺 ,免去了电池焊接时的主栅线去减反射膜工艺 ,可直接焊接 ,提高了焊接的可靠性和劳动效率 .356 第 6 期 杨 宏 ,等 晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究这个和我以前的想法相反丆湿法原来不是那么好的钝化效果3 SiN x H 中含有大量的原子氢 ,在烧穿工艺中 ,高温瞬时退火断裂了 N H 和 Si H 键 ,氢原子扩散进界面及基片 ,钝化了表面及位错上的悬挂键 ,减小了界面态密度 .4 PECVD 法沉积 SiN x H 薄膜具有沉积温度低 、 薄膜性能稳定等优点 ,是未来廉价晶体硅太阳电池最理想的光学减反射和钝化膜 .5 从实验结果来看 ,SiN x H/ SiO2 双层钝化及减反射膜较 SiN x H 单层减反射膜效果好 .参考文献 [ 1 ] Aberie A G. Overview on SiN surface passivation of crys2talline silicon solar cells [J ]. Solar Energy Materials Solar Cells ,2001 ,65 239～ 248.[2 ] Nijs J F ,Szlufcik J ,Poortmans J ,et al. Advanced cost2ef2fective crystalline silicon solar cell technologies [J ]. IEEETransactions on Electron Devices , 1999 , 46 1 948 ～ 1967.[ 3] 杨 宏 ,王 鹤 ,陈光德 ,等 . 多晶硅太阳电池的氮化硅钝化 [J ]. 半导体情报 ,2001 , 6 39～ 41.[4 ] Schmidt J , Kerr M. Highest2quality surface passivation oflow2resistivty p2type silicon using stoichiometric PECVDsilicon nitride [J ]. Solar Energy Materials Solar Cells ,2001 ,65 249 ～ 259.[5 ] Fujii S , Fukawa Y. Production technology of large areamulticrystalline silicon solar cells [J ]. Solar Energy Mate 2rials Solar Cells ,2001 ,65 269 ～ 275.[ 6] Slufzik J , de Clercq K. Improvement in multicrystallinesilicn solar cells after thermal treatment of PECVD siliconnitride AR coating [A ]. The 12th European PhotovoltaicSolar Energy Conference [ C ]. Stephens Bedford ,1994. 1018～ 1 021.[7 ] Yang Hong ,Wang He ,Chen Guangde,et al. A study ofelcctrical uniformity for monolithic polycrystalline siliconsolar cells [ J ]. Solar Energy Materials Solar Cells ,2002 ,71 407 ～ 412.编辑 杜秀杰 西安交通大学学报 自动化技术类论文回顾 二 15. 基于线性变参数 H ∞ 反馈的机器人迭代学习控制器设计 . 西安交通大学学报 ,2001 0616. Volterra 泛函级数辨识中维数灾难的一种解决方法 . 西安交通大学学报 ,20010617. 闪速炉的仿人模糊质量控制模型 . 西安交通大学学报 ,2001 0718. 一种基于软件寻位的数控加工技术 . 西安交通大学学报 ,2001 0719. 用于业务流设计的一种多 Agent 模型 . 西安交通大学学报 ,2001 0820. 具有极点配置的不确定性机器人鲁棒 H ∞ 控制 . 西安交通大学学报 ,20010821. 多色集合在加工系统建模与分析时的应用 .西安交通大学学报 ,2001 0922. 基于快速成型制造技术的滴管快速制造方法研究 . 西安交通大学学报 ,2001 0923. 基于粗糙集与模糊神经网络的多级压缩机诊断 . 西安交通大学学报 ,20010924. 基于模糊彩色 Petri 网的知识表示与获取研究 . 西安交通大学学报 ,2001 1025. 基于 Volterra 级数模型的非线性系统的鲁棒自适应辨识 . 西安交通大学学报 ,2001 1026. 具有矩形模糊参数的大工业过程关联平衡法 . 西安交通大学学报 ,20011027. 混凝土生产输送浇注过程计算机综合监控系统 . 西安交通大学学报 ,20011028. 具有死区的饱和工业过程控制系统的迭代学习控制 . 西安交通大学学报 ,2001 1029. 含可变时延的大规模通用神经网络动力系统的吸引域 . 西安交通大学学报 ,2001 10456 西 安 交 通 大 学 学 报 第 36 卷 这个结论一直都是这样的丆基本上文献都是双层优于单层