PECVD沉积氮化硅薄膜在退火过程中的特性变化及在太阳电池中的应用

3 北 京 市 科 技 新 星 计 划 资 助 项 目 (H020821480130) 收 稿 日 期 :2003211206 PECVD 沉 积 氮 化 硅 薄 膜 在 退 火 过 程 中 的 特 性 变 化 及 在 太 阳 电 池 中 的 应 用 3 叶 小 琴 1) 许 颖 2) 李 艳 1) 顾 雅 华 1) 周 宏 余 1) 王 文 静 2) ( 1)北 京 师 范 大 学 低 能 核 物 理 研 究 所 ,100875 ,北 京 ;2)北 京 市 太 阳 能 研 究 所 , 100083 ,北 京 ∥ 第 一 作 者 25 岁 ,女 ,硕 士 生 ) 摘 要 采 用 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积 (PECVD) ,在 单 晶 硅 衬 底 上 生 长 氮 化 硅 (SiN) 薄 膜 ,再 对 薄 膜 进 行 快 速 热 退 火 处 理 ,研 究 了 在 不 同 温 度 下 SiN 薄 膜 的 退 火 特 性 . 通 过 椭 圆 偏 振 光 仪 测 量 了 薄 膜 厚 度 和 薄 膜 的 折 射 率 ,发 现 退 火 后 薄 膜 的 厚 度 下 降 ,折 射 率 升 高 ;采 用 准 稳 态 光 电 导 衰 减 QSSPCD 测 少 数 载 流 子 寿 命 ,发 现 少 子 寿 命 有 很 大 程 度 的 下 降 . 还 研 究 了 SiN 薄 膜 对 多 晶 硅 电 池 性 能 的 影 响 ,发 现 它 能 较 大 幅 度 地 提 高 电 池 效 率 . 关 键 词 氮 化 硅 薄 膜 ; 等 离 子 增 强 化 学 气 相 沉 积 ; 太 阳 电 池 分 类 号 M 914. 4 + 2 氮 化 硅 (SiN)薄 膜 作 为 一 种 重 要 的 薄 膜 材 料 ,具 有 优 良 的 光 电 性 能 、 钝 化 性 能 和 机 械 性 能 , 在 微 电 子 、 光 电 和 材 料 表 面 改 性 领 域 都 有 广 泛 的 应 用 前 景 . 等 离 子 增 强 化 学 气 相 沉 积 ( PECVD) 的 SiN 薄 膜 由 于 其 优 良 的 特 性 而 在 太 阳 电 池 的 研 究 与 产 业 化 领 域 得 到 越 来 越 广 泛 的 关 注 . PECVD 法 沉 积 温 度 低 ( 400 ℃ ) ,沉 积 速 度 快 ,质 量 较 好 ,工 艺 较 为 简 单 . 而 且 ,PECVD 制 备 的 SiN 膜 不 仅 是 优 良 的 太 阳 电 池 减 反 射 膜 ,还 有 很 好 的 表 面 和 体 钝 化 作 用 . SiN 之 所 以 被 广 泛 应 用 是 因 为 它 具 有 独 特 的 无 可 比 拟 的 优 点 [1 ] :1) 介 电 常 数 高 ,其 值 为 8 F· m - 1 ,而 二 氧 化 硅 或 二 氧 化 钛 的 均 为 3. 9 F· m - 1 ;2)碱 离 子 (如 Na + )的 阻 挡 能 力 强 ,并 具 有 捕 获 Na +的 作 用 ;3) SiN 质 硬 耐 磨 ,疏 水 性 好 ,针 孔 密 度 低 ,气 体 和 水 汽 极 难 穿 透 ;4) 减 反 射 效 果 好 ,SiN 薄 膜 的 折 射 率 接 近 2. 0 ,比 二 氧 化 硅 ( n = 1. 46) 、 二 氧 化 钛 ( n = 2. 4) 更 接 近 太 阳 电 池 所 需 的 最 佳 折 射 率 1. 96 ,是 所 有 已 应 用 的 介 质 膜 中 最 符 合 太 阳 电 池 减 反 射 层 要 求 的 ;5) PECVD 法 制 备 的 SiN 薄 膜 同 时 为 太 阳 电 池 提 供 较 为 理 想 的 表 面 和 体 钝 化 . 二 氧 化 硅 只 有 表 面 钝 化 作 用 ,二 氧 化 钛 没 有 钝 化 作 用 ,SiN 薄 膜 有 相 当 好 的 表 面 和 体 钝 化 作 用 ,可 使 硅 表 面 复 合 速 度 SRV 降 至 10 cm· s - 1 [2 ] ,改 善 电 池 性 能 . 能 有 效 地 提 高 电 池 效 率 ,对 多 晶 硅 电 池 等 低 效 率 电 池 作 用 尤 其 明 显 [226 ] . 本 文 主 要 研 究 SiN 薄 膜 经 过 不 同 的 退 火 温 度 t 后 特 性 的 变 化 及 SiN 薄 膜 对 太 阳 能 电 池 效 率 η 等 特 性 的 影 响 . 1 实 验 实 验 选 取 了 P 型 (100) 抛 光 单 晶 硅 片 ,PECVD 射 频 频 率 13. 56 MHz ,电 压 1 080 V ,真 空 度 100 Pa ,以 氮 气 稀 释 的 硅 烷 (2. 2～ 2. 5 L· min - 1 ,体 积 分 数 2. 5 %) 和 纯 氨 气 (0. 4～ 0. 5 L· min - 1) 2004 年 4 月 第 40 卷 第 2 期 北 京 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) Journal of Beijing Normal University (Natural Science) Apr. 2004 Vol. 40 No. 2 为 反 应 气 体 . 1)为 观 察 薄 膜 在 不 同 温 度 退 火 后 的 特 性 变 化 ,把 样 品 放 在 N2气 氛 中 快 速 热 退 火 30 s. t 分 别 为 600 ,750 ,900 ℃ ,研 究 退 火 后 的 样 品 厚 度 d、 折 射 率 n、 少 数 载 流 子 寿 命 τ 随 t 的 变 化 . 2)将 SiN 薄 膜 运 用 到 成 品 多 晶 硅 太 阳 电 池 上 ,研 究 其 对 电 池 效 率 η 及 光 谱 响 应 的 影 响 . 实 验 中 采 用 椭 圆 偏 振 光 仪 测 量 了 d 和 n ;准 稳 态 光 电 导 衰 减 QSSPCD 测 τ . 2 结 果 与 讨 论 2. 1 SiN薄 膜 退 火 后 特 性 的 变 化 图 1 为 不 同 温 度 退 火 后 SiN 薄 膜 的 d 和 n 的 变 化 . 随 着 t 的 提 高 , d 随 之 下 降 ,同 时 , n 有 所 提 高 . 这 些 说 明 在 退 火 过 程 中 ,薄 膜 越 来 越 致 密 . 表 1 是 不 同 沉 积 温 度 td 和 不 同 退 火 温 度 t 下 薄 膜 τ (单 位 为 μ s) 的 变 化 . 退 火 采 用 快 速 热 退 火 ,时 间 都 为 30 s. 其 中 340 ℃ 沉 积 的 薄 膜 是 富 硅 膜 . 由 表 1 数 据 可 知 ,在 260 ,300 ,380 ℃ 3 个 温 度 下 沉 积 的 SiN 薄 膜 在 高 温 退 火 后 ,τ 都 有 很 大 程 度 的 下 降 . 估 计 是 N2气 氛 高 温 退 火 后 , SiN 膜 中 的 氢 大 量 溢 出 ,氢 含 量 急 剧 减 小 ,使 钝 化 效 果 消 失 . 富 硅 膜 则 有 所 不 同 . 退 火 以 后 其 τ 变 化 较 小 . 而 且 ,较 高 的 t 反 而 获 得 高 的 τ . 可 能 是 富 硅 质 密 度 较 高 的 缘 故 . 图 1 不 同 温 度 退 火 后 薄 膜 厚 度 和 折 射 率 的 变 化 表 1 不 同 条 件 下 的 少 子 寿 命 μ s t t d 260 ℃ 300 ℃ 340 ℃ 380 ℃ 退 火 前 41. 5 72. 4 135. 6 197. 3 700 ℃ 11. 4 6. 9 51. 1 33. 0 750 ℃ 7. 2 4. 6 55. 2 21. 9 800 ℃ 3. 5 7. 1 64. 9 6. 6 850 ℃ 3. 4 5. 9 99. 1 8. 9 2. 2 SiN膜 对 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 特 性 的 影 响 实 验 使 用 的 多 晶 硅 电 池 面 积 为 1 cm2 ,上 电 极 是 Ti/ Pd/ Ag , 背 面 是 Al 背 场 . 表 2 是 PECVD 沉 积 SiN 薄 膜 对 多 晶 硅 体 电 池 性 能 的 改 善 情 况 :对 电 池 短 路 电 流 ISC的 提 高 作 用 非 常 大 ,可 达 50 %. 开 路 电 压 UOC和 填 充 因 子 Ff 稍 有 提 高 . 而 电 池 的 转 换 效 图 2 多 晶 硅 体 电 池 沉 积 SiN 膜 前 后 的 I2U 曲 线 率 η 平 均 增 幅 在 40 %以 上 ,最 高 可 达 73. 8 %. 这 说 明 SiN 薄 膜 的 减 反 射 和 氢 钝 化 效 应 对 多 晶 硅 体 电 池 的 效 果 非 常 明 显 . 表 2 SiN 薄 膜 对 多 晶 硅 体 电 池 性 能 的 改 善 沉 积 情 况 ISC/ mA UOC/ mV Ff/ % η / % 前 21. 72 566. 1 0. 550 6 6. 77 后 33. 3 583. 8 0. 605 7 11. 77 提 高 / % 53. 3 3. 1 10. 0 73. 8 图 2 是 多 晶 硅 体 电 池 沉 积 SiN 膜 前 后 的 I2U 曲 线 ,沉 积 薄 膜 以 后 曲 线 “ 方 ” 了 许 多 ,性 能 有 很 大 提 高 . 3 结 论 本 文 研 究 了 在 不 同 温 度 下 SiN 薄 膜 的 退 火 特 性 . 发 现 随 着 退 火 温 度 的 增 加 ,薄 膜 的 厚 度 减 小 ,折 射 率 增 加 ,这 主 要 是 因 为 薄 膜 越 来 越 致 密 . 同 时 ,少 222 北 京 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 40 卷 子 寿 命 有 很 大 程 度 的 下 降 ,而 在 340 ℃ 类 似 富 硅 的 情 况 下 退 火 以 后 其 少 子 寿 命 下 降 较 小 . 本 文 还 研 究 了 SiN 薄 膜 对 多 晶 硅 电 池 性 能 的 影 响 ,由 于 SiN 膜 的 氢 钝 化 作 用 ,电 流 增 幅 很 大 ,在 50 %左 右 . 而 电 池 的 转 换 效 率 平 均 增 幅 在 40 %以 上 ,最 好 的 可 达 73. 8 %. 所 以 ,对 于 太 阳 电 池 , SiN 薄 膜 是 优 良 的 减 反 射 膜 和 钝 化 膜 ,能 较 大 幅 度 的 提 高 电 池 效 率 . 4 参 考 文 献 [1 ] 管 绍 茂 ,王 迅 . 半 导 体 表 面 钝 化 技 术 及 其 应 用 [M]. 北 京 :国 防 工 业 出 版 社 ,1981 [2 ] Schmidt J , Kerr M. Highest2quality surface passivation of low2resistivity p2type silicon using stoichiometric PECVD silicon nitride [J ]. Solar Energy Materials 2) Beijing Solar Energy Research Institute , 100083 ,Beijing ,China) Abstract Silicon nitride ( SiN) thin films deposited by PECVD were annealed by rapid thermal processing (RTP) on different conditions. The characteristics of annealed films in different temperatures were studied . The thickness and the refractive index of the films were measured by means of spectral ellipsometry. Quasi2steady state photoconductance (QSSPC) measurement was used to determine the effective minority carrier lifetimes of the samples. The study indicated that the thickness and the minority carrier lifetimes of the SiN films decreased and the refractive index increased after annealing. The effect of SiN films on the characteristic of polycrystalline silicon solar cells was also investigated. It showed that the conversion efficiency of solar cells rised sharply by using SiN film as an antireflection coating. Key words silicon nitride ; PECVD ; solar cell 第 2 期 叶 小 琴 等 : PECVD 沉 积 氮 化 硅 薄 膜 在 退 火 过 程 中 特 性 变 化 及 在 太 阳 电 池 中 的 应 用 223