PECVD法制备氮化硅减反射膜和减反射膜在太阳能电池中的应用

PECVD 法制备氮化硅减反射膜和减反射膜在太阳能电池中的应用作者 何万雄 班级光伏材料加工与应用 指导老师冷新莉 学号 49 摘要随着不可再生资源的减少，环境污染的加重，世界人民为了生存、为了发展，更为了保护我们的地球。不得不寻找新的能源、可再生资源，所以取代这些能源的将是风能、 核能、 太阳能等。 而太阳能是未来最清洁、 安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划， 光伏产业正日益成为国际上继 IT、微电子产业之后又、爆炸式发展的行业。利用太阳能的最佳方式是光伏转换，就是利用光伏效应，使太阳光射到硅材料上产生直流直接发电。以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为“光伏产业” ,包括太阳电池的生产、 相关生产设备的制造等。 随着太阳能电池的大量生产，面对的问题也越来越多，电池效率的转化却很低很低，随之就是成本大，利润小。人们又不得寻找让电池提高转化效率的材料（减反射膜） 。减反射膜制备技术是太阳能电池生产的关键技术之一，它能减少入射光的反射，增加光的吸收，从而增加光生载流子的数量，提高短路电流，进而提高太阳电池的效率。由于多晶硅不能像单晶硅太阳电池一样，能在受光面进行完美的结构化，起到减反射的效果，所以减反射膜的作用就显得尤为重要。如果这层膜不仅能起到减少光损失的作用，也能起到表面钝化和体钝化的效果的话，对太阳电池的效率的提高和成本的降低有很多益处。虽然热生长的 SiO 也能起到表面钝化和减反射的作用， 但是由于二氧化硅表面钝化是一个高温工艺过程， 通常的钝化温度都在 800 以上， 高温过程易使半导体衬底产生缺陷，少子寿命下降，这对于太阳电池及硅材料尤为突出，并且引起衬底浓度的再分布；另一方面和太阳电池减反射膜要求的最佳折射率相比， 二氧化硅的折射率偏低。 近几年的研究说明， 用低温 （ 250450 ） PECVD法沉积 SiN 做多晶硅太阳电池的光学减反射膜是进一步提高多晶硅太阳电池光电转换效率的关键。关键字太阳能电池 减反射膜 反射膜材料 PECVD 一 薄膜的生长过程概述薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及它最终的性能。 像其他材料的相变问题一样，总可以把薄膜的生长过程大致划分为两个阶段，即新相形核与薄膜生长阶段。在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底表面上，从而开始了所谓的形核阶段。首先形成了均匀细小，而且可以运动的原子团。我们有时又形象的将这些原子团称之为岛。这些比临界核心尺寸小的小岛接受新的原子开始长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛像夜珠一样通过相互合并而扩大，而突出的衬底表面上又形成新的岛。这一小岛形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，最后只留下一些孤立的空洞，并逐渐被后沉积的原子所填充。薄膜的生长可被分为三种模式（ 1）岛状生长模式这一生长模式表明，被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互间结合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的侵润性较差。（ 2）层状生长模式当被沉积物质与衬底之间侵润性很好时，被沉积物质的原子更倾向与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式。显然，只要在随后的过程中，沉积物原子间的键合倾向仍大于形成表面的倾向，则薄膜生长将一直保持这层状生长模式。（ 3）中间生长模式在层状 -岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂， SiN 生长属于此类。二 减反射1.减反射膜的定义建反射膜又称增透膜，它的主要功能是减少透镜、棱镜、平面镜等光的学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。最简单的增透膜是单层膜， 它是镀在光学零件表面上的一层折射率较低的薄膜、如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束的的广程恰好为 ，即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波的反射率减少。适当选择膜层折射率，这时光学表面的反射光可以完全消除。一般情况下，采用单层增透膜很难达到理想的增透效果。为了在单波长实现零反射，或在较宽的光谱区达到好的增投效果，往往采用双层、三层甚至更多层的减反射膜。减反射膜是应用最广，产量最大的一种光学薄膜。因此，它至今是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新的材料，设计新的膜系， 改进淀积工艺， 使之用最少的层数， 最简单、 最为稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。对激光薄膜来说，减反射膜是激光损伤大的薄弱环节，如何提高他的破坏强度也是人们最关心问题之一。2 减反射膜原理光照射到平面的硅片上，其中一部分被反射，即使对绒面的硅表面，由于入射光产生多次反射而增加了吸收， 但也有约 11的反射损失。在其上覆盖一层减反射膜层，可大大降低光的反射，图示出四分之一波长减反射膜的原理。从第二个界面返回到第一个界面的反射光与第一个界面的反射光相位查 180℃， 所以前者在一定程度上抵消了后者。当一束光垂直入射到半导体表面时，入射光的一部分会被反射，剩余的部分则投射到半导体中， 可能激发电子 - 空穴对， 产生光生电流。如果我们不考虑扩散层的影响，垂直入射时，可以应用透明介质表面的公式计算硅片表面的反射率 R式中， n 为外界质的折射率，在真空或大气等于 1，若表面有硅橡胶取 1.4 ；n 为硅的折射率，由于色散，硅的折射率对于不同波长的光数值是不同的。但一般在可见光范围，裸露硅表面的反射率超过 30。为了减少反射损失，通常在太阳电池表面制作减反射膜。由于在这个介质膜的两个界面上的反射光相互干涉，可以在很宽的波长范围内降低反射率。此时反射率由下式式中， r 和 r 分别是外界介质 -膜和膜 -硅界上的涅尔反射系数， 为膜层3 减反射膜的市场价格（混批）E20188 反射膜 1350 元 rw75xx 反射膜 300 元RW125XX 反射膜 550 元 E6SL188XX 反射膜 1150 元E20100 反射膜 450 元 E2075XX 反射膜 300 元37W01XX 反射膜 79 元三 PECVD 1 PECVD 原理PECVD 技术原理是利用低温等离子体做能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上， 利用辉光放电使样品升温到预定的温度， 然后通入适量的反应气体， 气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。 PECVD 方法区别于其它 CVD 方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。 电子与气象分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学集团，因而显著降低CVD 薄膜沉积的温度范围， 使得原来需要在高温下才能进行的 CVD 过程得以在低温下实现。2 PECVD 的特点PECVD 的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温 ﹤ 450℃ . 因此带来的好处。节省能源，降低成本提高产能减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减3 PECVD 的种类直接式基片位于一个电极上，直接接触等离子体，样品或样品的支撑体就是电极的一部分。间接式基片在等离子区域之外，等离子体不直接打到样品表面，样品或其支撑体也不是电极的一部分。四 减反射膜在太阳电池中的应用1 影响电池效率的因素太阳电池的效率是表征太阳电池内在特性的重要标志， 它与光谱辐照度、 温度以以及电池的厚度， 微电子参数等有着复杂的函数关系， 其理论极限效率又材料的禁带宽度、吸收系数、结构等有关。所以为了提高电池效率，在电池上涂了减反射膜来提高电池效率。2 SiNx 电池的应用物理和化学性质结构细致，硬度大能抵御碱金属离子的侵蚀介电强度高耐湿性好而一般的酸碱，除 HF 和 HPO SI/N 比对薄膜性质的影响电阻率随 X 增加而降低折射率 N 随 X 增加而增加腐蚀速率随密度增继而降低SINX 的优点优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能低温工艺含氢 SINH 可以对 MC-SI 提供体钝化3 减反射膜性能的验证我们要选择合适的减反射膜参数，应先决定薄膜的折射率，然后才是膜厚。根据上述结果， 可以看出， 由于射频功率对折射率的影响小， 所以应该首先确定温度和流量比。 关于减反射膜的最优参数， 对于只有单层减反射膜的电池， 最佳的 SIN 膜参数应为折射率 1.98，厚度 850 埃左右。我们根据这个结果，最终在325℃左右，应用流量比 1 2，功率大约 40W左右制备了符合要求的 SIN 膜。为了验证所制作的 SIN 膜的减反射膜效果。 我们测试了不同绒面的硅片本身的反射率和镀膜后的反射率，图 A 为镀反射膜前，图 B 为反射膜后从图中我们可以看出， 虽然在多晶硅片已经制作了绒面， 但是硅片的反射率仍在 20以上；而镀膜后反射率却小于 10，部分波长的反射率接近 0. 说明它很好地起到了减反膜效果。4 SINX 在太阳电池的应用比较五 PECVD SIN 减反射膜的优点1 沉积温度低， PECVD的沉积温度低于 400℃，可以阻止衬底少子寿命下降或某些有害金属杂志的扩散。2 沉积速度快，适合规模化工业生产需要；3 折射率较大，更适合做太阳电池反射膜；4 SIN 膜中 H的含量较高，配合其它工艺能得到较好的钝化效果；