SiON_SiN太阳电池双层减反膜的性能研究

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.netSiO N SiN 太阳电池双层减反膜的性能研究①秦 捷中国科学院西安光学精密机械研究所 , 西安 710068 杨银堂 傅俊兴 西安电子科技大学微电子研究所 , 西安 710071 文 摘 报道了用电子回旋共振化学气相淀积 ECRCVD 技术淀积 SiON SiN 双层硅太阳电池减反膜的实验研究 。 用红外吸收谱 、 俄歇电子谱以及二次离子质谱等实验方法对薄膜的组分 、 结构 、 界面过渡区的特性以及膜层中的氢分布进行了分析 , 实验表明 在制备减反射膜时 , 要获得较佳的减反效果 , 应尽量降低淀积温度 , 增大微波功率 。 采用 ECRCVD 方法制备的 SiON SiN 双层减反膜的平均反射率低于 6 波长范围 300 900nm , 电池转换效率约提高 45 。关键词 减反膜 , SiON 薄膜 , SiN 薄膜 , 电子回旋共振化学气相淀积0 引 言SiON 、 SiN 材料因其良好的钝化特性在微电子器件中已得到广泛应用 。 由于 SiN、 SiON材料可以通过改变其化学组成计量比而获得折射率在一定范围可调的特性 , 近年来在太阳电池减反膜的研究中显示出巨大的应用潜力 [ 1, 2]。 在淀积太阳电池减反膜时 , 以往所采用等离子体增强化学气相淀积 PECVD 方法存在淀积温度高 ～ 300℃ 、 膜层间界面过渡区大 、 界面态密度较高以及高温淀积带来的高氢掺杂而引起的电池性能不稳定等缺陷 [ 3, 4 ]。 为此 , 迫切需要发展一种低温淀积新工艺 。 作者利用 ECRCVD 低温淀积的特点开展了 SiON SiN 太阳电池双层减反射膜的研究 。1 实验方法SiON SiN 双层减反膜采用自制的 ECRCVD 系统制备 , 利用电子回旋共振原理激活反应 , 淀积温度可以低至室温 , 形成的薄膜均匀 、 致密 、 附着性好 。制备 SiON 薄膜的气源为 SiH 495N 2 ,N 2O ; 制备 SiN 薄膜的气源为 SiH 4 95A r, N 2。 沉积薄膜时 , 当本底真空达 2167 10- 3Pa 时 , 即调整质量流量计 , 使气流量达要求值 , 并使工作气压处于微波放电所要求的气压范围内 , 同时 , 调整衬 底温度为设定值 , 然后加微波功率产生辉光放电 。 由于电子回旋共振化学反应很复杂 , 与其有关的反应参数很多 , 如反应气体流量 、 淀积温度 、 微波功率 、 流量比等 ,第 18 卷 第 3 期1997 年 7 月A CTA EN ER G IA E SOLA R IS SIN ICAV o l 1 18, N o 13July, 1997① 本文 199629214 收到 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net这里 , 以淀积 SiON 薄膜为例 , 我们选用的工艺参数可调范围是 衬底温度为 50 200℃ , 微波功率为 400 1000W , 总流量 SiH 4 N 2 N 2O 为 40 100sccm , 流量比 〔 N 2O SiH 4 N 2 〕 为6 25。 为形成具有较佳的宽带增透效果 , 根据光学膜系设计原理 , 我们在硅太阳电池基底材料上 , 首先淀积一层折射率为 214 的 SiN 薄膜 , 膜厚 512 10- 8m , 再淀积一层折射率为 116的 SiON 膜 , 膜厚 8 10- 8m。2 薄膜性能分析2. 1 IR 谱分析用美国 N icolet 公司制造的 60SXB 型富里叶变换红外光谱仪分别对 SiN 和 SiON 膜进行结构分析 , 红外透过率曲线如图 1、 图 2 所示 。 由图 1 可见 , 在 872cm - 1处的 Si2N 键特征吸收峰和 3360cm - 1处的 N 2H 键特征吸收峰为基本吸收峰 。此外 , 在 2104cm - 1处的 Si2H 键吸收峰和1104cm - 1的 Si2O 键吸收峰也较强 。位于 621cm - 1处的吸收峰来自 Si 衬底的 Si2O 键 。图 2 与图 1 比较可以看出 , 在 824cm - 1处有一较弱的 Si2N 键特征吸收峰 , 872cm - 1 处的峰消失 , 而在高波数方向 951cm - 1处有一峰 , 我们认为这是膜中含有 O 2Si2N 键形成的 [ 5 ]。 该处的峰并不是由于 Si2O、 Si2N 键混合相的结果 。 同时 , 还可注意到位于 2104cm - 1 处的 Si2H 峰消失 , 说明氧量的增大 , 阻止了氢的掺杂 , 膜中氢含量减小 。 在 3360cm - 1处仍有较强 N 2H 键吸收峰 。 采用吸收峰面积法 [ 6 ]对膜中的 N 2H 和 Si2H 键进行计算 , 得到薄膜中 N 2H、 Si2H 键的浓度和氢含量 ,在上述样品中 , SiN 膜 、 SiON 膜中氢原子含量分别为 212 1022cm - 3和 4 1021 cm - 3, SiN 膜中氢含量明显高于 SiON 膜 。图 1 SiN 红外光谱图 图 2 SiON 红外光谱图212 界面区分析在先前的膜系设计中 , 事先假定两层膜之间界面发生突变 , 但实际上膜层之间不可能形成突变 , 总存在原子间的扩散 , 有一渐变区 。 为此 , 我们研究了微波功率和衬底温度对这一界面过渡 区形成的影响 , 力图使这一区域尽可能减小 。 所用测试仪器为 Perk in2Elm er 公司的PH I600Scanning A uger M ulti p robe。 图 3、 图 4 所示分别为在不同的微波功率和基底温度下双层膜的元素深度分布图 。由图 3 看出 , 随着微波功率的加大 , 界 面过渡区减小 , 有利于形成明显的界面层 。 这是因为较高的微波功率使等离子体密度增加 , 淀积速率提高 , 成核率随之增大 , 从而结晶细化 。 此303 3 期 秦 捷等 SiON SiN 太阳电池双层减反膜的性能研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net外 , 高的微波功率使淀积粒子的能量较高 , 粒子在基体表面迁移率增大 , 晶格中缺陷减少 , 膜密度随之也增加 。 膜越致密 , 界面处原子间的互扩散性越小 , 越易形成突变的界面层 。 由图 4 可看出 , 随着淀积温度的升高 , 原子热运动增强 , 原子扩散加剧 , 界面间的过渡区加大 。 因此 , 要获得突变的界面 , 从而获得较佳的减反效果和高的光电转换效率 , 应尽量增大微波功率 , 降低淀积温度 。图 3 元素深度分布图a 500W b 1000W图 4 元素深度分布图a T s100℃ b T s 200℃213 氢含量分析在薄膜淀积过程中 , 由于 SiH 4 的化学反应 , 膜中必然掺杂有一定量的 H , 为使减反膜层在外界环境的作用下较稳定 , 应尽量减小膜层中 H 含量 。 用 SIM S 谱对双层膜中的 H 进行了分析 样品制备条件如上述实验方法所述 , 结果如图 5 所示 。 由该图可知 , 两层膜中均含有一定量的氢 。在 SiON 膜中 H 含量较少 , SiN 膜层中 H 含量较多 , 这是因为较高的氧含量阻止了氢元素的进一步吸附 , 有利于膜层的稳定 。403 太 阳 能 学 报 18 卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net图 5 SiON SiN S IM S 深度分布图3 测量结果用日本岛津公司的 Sh im adzu UV 2V IS2N IR R ecording Spectropho tometer 测得 SiON图 6 太阳电池反射率曲线SiN 膜 反 射 率 曲 线 如 图 6 所 示 。 在 中 心 波 长015Λ m 处 , 反射率 R 为 9 ; 在波长 Κ 0. 35Λ m和 Κ 0. 70Λ m 处 , 反射率达到极小 ,R 为 3 ; 在波段 013～ 0. 9Λ m 内 , 平均反射率低于 6 , 与膜系设计结果基本一致 。 与未镀减反膜的裸硅太阳电池反射率曲线比较 , 平均反射率大为减小 。在 测 试 条 件 为 AM 115、 100mW cm 2、 252℃的情况下 , 对制备 SiON SiN 减反射膜前后太阳电池的短路电流密度 J SC、 开路电压 V OC 进行了测试 , 结果列于表 1。 由于双层减反膜的淀积 , 短路 电 流 密 度 达 27mA cm 2, 开 路 电 压 提 高 了20mV , 达 670mV , 电池转换效率提高 45。表 1 淀积 SiO N SiN 减反膜前后太阳电池参数比较样品 电池结构尺寸cm cm 短路电流mA 开路电压mV 电池效率 N on 2A RCA RCBSRBSR2 22 2751076506709. 6144 结 论采用 ECRCVD 技术淀积多层减反膜时 , 为了获得与理论设计接近的较佳减反效果 , 应尽量降低淀积温度 、 增加微波功率 , 以求获得突变界面层 。 此外膜层中掺入一定量的氧可有效地阻止氢的掺杂 , 提高膜层的稳定性 。503 3 期 秦 捷等 SiON SiN 太阳电池双层减反膜的性能研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net参 考 文 献1 N obo ra Sh ibata. Imp rovem ent of solar cell perfo rm ance using p lasm a2depo sited silicon nitride fil m s w ithvariable refractive indices. Japn. J. A pp l. Phys. , 1988, 27 4 480 4842 Zh izhang Chen , et al. A novel and effective PECVD SiO 2 SiN antireflecti on coatings fo r Si solar cells.IEEE T rans. on E lectron D evices , 1993, 40 6 1161 11663 C M M D enissse , et al. Plasm a enhanced grow th and compo siti on of silicon oxynitride fil m s. J. A pp l.Phys. , 1986, 60 7 2536 25424 R Y T sai, et al. Amo rphous silicon and amo rphous silicon nitride fil m s prepared by p lasm a2enhancedchem ical vapo r depo siti on p rocess as op tical m aterials . A pp l. Op tics , 1993, 32 28 5561 55665 T akash i H irao , et al. Effects of D epositi on M ethods on the Properties of Silicon N itride and Silicon O xyni 2tride fil m s. Japn. J. A pp l. Phys. , 1988, 27 9 1609 16156 W A L anfo rd. T he hydrogen concent of p lasm a2depo sited silicon nitride . J. A pp l. Phys. 1978, 49 4 2473 2476THE INVEST IGAT ION OF SiO N SiN DOUB L E - LAY ERANT IREFL ECT ION COAT INGS FOR Si SOLAR CELL SQ in JieX ian Institu te of Op tics P recision M echanics ,A cadem ia S inica , X ian 710068 Yang Y intang Fu Junx ingM icroelectronic Institu te, X id ian U niversity , X ian 710071 Abstract Silicon oxyn itride and silicon nitride doub le layer antireflecti on A R coatings fo r Sisolar cells are prepared by the electron cyclo tron resonance chem ical vapor depositi on ECR 2CVD m ethod. T he compo siti on and in terface state of doub le2layer fil m are analyzed by IR ,A ES, SIM S, etc techniques. F rom these analyses, it is p roved that higher m icrow ave pow erand low er substrate temperatu re w ill facilitate the fo rm ati on of the distinct tran siti on regionand the average reflecti on of SiON SiN film s in the range of 0. 3～ 0. 9Λ m is below 6 , thep ractical conversi on efficiency E ff is imp roved by 45.Key words antireflecti on A R coatings , SiON fil m , SiN fil m , electron cyclo tron resonancechem ical vapor depositi on ECRCVD 603 太 阳 能 学 报 18 卷