氮化硅膜折射率对多晶硅太阳能电池抗PID性能影响

针对PID的多晶硅太阳电池片减反射膜研究肖慧萍;曹家庆;周浪;胡动力;杜嘉斌;章金兵【摘要】本文针对多晶硅太阳电池的电势诱导衰减(PID)现象,通过开发高折射率电池镀膜工艺,把改变双层减反射膜的折射率作为重点调试的工艺参数,调节镀膜时的SiH4∶NH3比例,同时对膜厚进行适当的调整,最终使电池片的光电转换效率稳定在17.7％以上,组件经PID测试峰值功率衰减小于5％,达到抗PID要求.【期刊名称】《江西化工》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】2页(P107-108)【关键词】抗PID;双层减反射膜;多晶硅电池片【作者】肖慧萍;曹家庆;周浪;胡动力;杜嘉斌;章金兵【作者单位】江西赛维LDK太阳能高科技有限公司,江西新余338000;南昌航空大学材料科学与工程学院,江西南昌330063;南昌大学材料科学与工程学院,江西南昌330031;南昌航空大学信息工程学院,江西南昌330063;南昌大学材料科学与工程学院,江西南昌330031;江西赛维LDK太阳能高科技有限公司,江西新余338000;江西赛维LDK太阳能高科技有限公司,江西新余338000;江西赛维LDK太阳能高科技有限公司,江西新余338000【正文语种】中文电势诱导衰减现象(Potential Induced Degradation，PID)影响到了组件的寿命和电站的正常收益[1-3]。

本文通过调节等离子增强化学气相沉积(PECVD)工序的工艺参数以获得具有合适的折射率和厚度的减反射膜，以解决 PID问题。

本文试验中使用的所有P型多晶硅片除PECVD工艺外，其他都经过相同的处理过程。

在组件加载-1000V直流电压，放置在环境实验箱内，实验箱内温度为85℃，湿度为85%，测试时间为96小时。

本文中的三种PECVD工艺(P1、P2和P3)都是采用折射率渐变的SiNx抗反射膜。

由表1可见，工艺P1、P2和P3沉积减反射膜时，第一层镀膜时三种工艺的SiH4：NH3比例基本一致(约0.22左右)，第二层镀膜时三种工艺的SiH4：NH3比例分别为0.088、0.17和0.10。

２０１０／９文／林洋新能源有限公司 夏正月 马 跃　叶永南 王景霄 陈文浚 王玉亭采用等离子体增强气相沉积法制备了双层氮化硅作为多晶硅太阳电池的减反膜，理论模拟了双层氮化硅的光学参数，实际测试情况和理论模拟吻合良好。

电池ＩＶ参数表明双层氮化硅不但具有更佳的减反射效果而且表面钝化效果也有所增强。

批量试制结果显示电池转换效率提高了０．３％。

1 引言等离子增强气相沉积（ＰＥＣＶＤ）制备氢化非晶氮化硅（ＳｉＮｘ：Ｈ）已经成为工业太阳电池的标准工艺中一道工序。

主要存在三方面的优势：作为减反射薄膜；钝化太阳电池表面从而降低表面复合速度；薄膜中丰富的氢可以钝化体内的缺陷态。

影响三个优势体现的关键因素之一就是氮化硅中的硅含量。

增加硅的含量，折射率ｎ和消光系数ｋ均相应增高。

消光系数ｋ增高，氮化硅的光吸收就会增强，所以高折射率ｎ、高消光系数ｋ的薄膜不适合作为减反膜。

空气中，单层减反膜的最佳折射率为１．９６　［１］。

而相应地增加硅的含量，表面钝化作用呈现增强趋势，文献中报道［２］　当氮化硅折射率增加到２．３时，表面复合速度降到２０ｃｍ／ｓ以下。

而最佳的体钝化则出现在折射率ｎ位于２．１至２．２之间。

为了整合氮化硅薄膜三方面的优势，达到优势最大化的目的，我们提出了一种新方法，即双层氮化硅减反射膜。

设想是先淀积一层高折射率ｎ２的氮化硅可以更好地钝化电池的表面，然后生长低折射率ｎ１的氮化硅用于降低表面反射率。

这样的结构由Ｓｃｈｍｉｄｔ［３］　提出，但是他并没有讨论双层膜耦合后的光学性质以及电池片的工业试制。

本文侧重于双层氮化硅减反膜多晶太阳电池的工业研制，并借助Ｓｅｎｔｅｃｈ公司的ＳＥ４００ａｄｖ、Ｖａｒｉａｎ的Ｃａｒｙ５０００研究了双层氮化硅对多晶电池电性能的影响。

2 实验１５６×１５６ｃｍ　、电阻率０．５－３Ω　Ｐ型多晶硅片经历制绒、扩散和去磷硅玻璃后，Ｃｅｎｔｒｏｔｈｅｒｍ管式ＰＥＣＶＤ（４０ＫＨｚ）制备ＳｉＮｘ：Ｈ薄膜，采用Ｓｅｎｔｅｃｈ的ＳＥ４００测试监控氮化硅在６３３ｎｍ处的折射率以及厚度，结果见表１。

多层氮化硅膜对太阳电池的影响摘要：氮化硅膜层在晶体硅太阳电池中起到钝化和减反射的作用，对太阳电池的转换效率有着重要的影响。

实验采用P型多晶硅片，经制绒、扩散和湿法刻蚀等工艺后，在温度460℃，NH3:SiH4气体比例3:1-10:1，射频功率5300-6100W，压强为1500mTorr等工艺参数下，沉积了不同厚度组合的多层氮化硅膜。

利用少子寿命测试仪和反射率测试仪对PECVD沉积氮化硅膜前后硅片的少子寿命和沉积氮化硅膜后的反射率进行了测量。

实验结果表明，第一、第二层厚度为33nm，而顶层厚度为15nm时，钝化效果最好较沉积氮化硅膜之前提高了54.5%，而反射率则是在第一层厚度为45nm、第二层厚度为22nm、顶层为15nm时，反射率最低值为4.51%。

关键词：管式PECVD；钝化效果；减反射；多层氮化硅膜一、引言SiNx薄膜具有良好的绝缘性、化学稳定性和致密性等特点，被广泛地用于半导体的绝缘介质层或钝化层。

等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备的SiNx膜具有沉积温度低，沉积速度快、薄膜质量好、工艺简单易于工人操作等优点被大量应用于晶体硅太阳电池产业中[1-4]。

管式PECVD参数主要包括：温度、气体流量、压强、功率、频率开关比和沉积时间等。

影响氮化硅膜质量的工艺参数较多，采用传统实验方法研究各工艺参数对氮化硅膜的减反射和钝化效果的影响，需要进行的实验数量是非常大的，同时各工艺参数具有交互性，所以获得优化的工艺参数组合是非常复杂困难的。

二、实验方法采用p型多晶硅片（15.6cm×15.6cm），方块电阻为50Ω/□的扩散层，利用管式PECVD设备在温度460℃，NH3:SiH4气体比例3:1-10:1，射频功率5300-6100W，压强为1500mTorr等工艺参数下沉积不同厚度的多层氮化硅膜作为多晶太阳电池的减反射膜层。

利用少子寿命测试仪和反射率测试仪对PECVD 制备的氮化硅膜前后的硅片少子寿命以及反射率进行了测量。

太阳能电池PECVD工艺参数对生长氮化硅薄膜影响的研究摘要：氮化硅膜是对提高太阳能电池光电转换效率有重要作用的减反射膜。

文章介绍了氮化硅膜的钝化作用和减反射作用，陈述了pecvd生长的氮化硅薄膜的基本性质，以156mm×156mm型号的多晶硅太阳电池片为例，结合实际测量数据，分析了在淀积过程中温度、硅烷氨气流量比和射频功率等工艺参数对氮化硅薄膜的生长及其性质的影响。

关键词：pecvd；工艺参数；氮化硅膜；太阳能电池中图分类号：tn304 文献标识码：a 文章编号：1009-2374（2013）02-0014-02太阳能是一种绿色环保的新能源，制备氮化硅（si3n4）减反射膜是制造高效率太阳能电池的重要环节。

氮化硅膜通常采用pecvd 技术生成。

pecvd又称等离子体增强化学气相淀积，淀积过程中，硅烷氨气流量比、射频功率、温度、淀积时间等工艺参数的变化对氮化硅薄膜的生长均有影响。

1 氮化硅膜在太阳能电池中的作用通常sinx中的si/n值为0.75，即si3n4，而实际pecvd淀积氮化硅的化学计量比会随工艺的不同而变化，si/n变化的范围在0.75～2之间。

pecvd的氮化硅薄膜中，除了含有si和n元素，一般还包含一定比例的氢，即sixnyhz或sinx︰h。

利用pecvd技术在硅片表面淀积的氮化硅薄膜，可以使薄膜前后两个表面产生的反射光相互干扰，从而抵消反射光，达到减反射的效果，增加对太阳光的吸收，提高光生电流密度，从而提高电池的转换效率。

同时，氮化硅膜中的h降低了表面复合速率，带来更小的暗电流和更高的开路电压，提高了光电转换效率。

另外高温瞬时退火会断裂一些si-h、n-h键，游离出来的h与缺陷及晶界处的悬挂键结合，减少了界面态密度和复合中心，达到对电池的钝化效果。

2 氮化硅膜的pecvd法制备cvd（全称为chemical vapor deposition）即化学气相沉积。

cvd 技术主要有以下几种：apcvd（常压，700℃～1000℃）、lpcvd（低压，750℃）、pecvd（等离子体增强型，300℃～450℃）。

摘要利用太阳能电池发电是解决能源问题和环境问题的重要途径之一。

目前，80%以上的太阳电池是由晶体硅材料制备而成的，制备高效率低成本的晶体硅太阳能电池对于大规模利用太阳能发电有着十分重要的意义。

减反射膜的制备和氢钝化是制备高效率的晶体硅太阳电池的非常重要工序之一。

减反射膜的对光的吸收又与那些因素有关呢？本实验将就镀膜功率、镀膜温度、镀膜时间等对氮化硅减反射膜的影响进行测试。

实验表明氮化硅薄膜的沉积速率随硅烷/氨气流量比增大而增大，随温度升高而略有降低,随沉积功率增大而明显增加，氮化硅薄膜的折射率随硅烷/氨气流量比增大而增大，随温度升高而略有增加,随沉积功率增大而略为降低。

关键词：太阳能；晶体硅；减反射膜；氮化硅AbstractThe use of solar power generation is one of the important ways to solve the energy and environmental problems. At present, more than 80% solar cells are made from crystalline silicon material prepared by the preparation of crystalline silicon solar cells, high efficiency and low cost is very important for the large-scale use of solar power generation has a meaning. Preparation and hydrogen passivation of antireflection films is one of the very important process of crystalline silicon solar cell fabrication of high efficiency. The absorption of light by antireflection coating is related to those factors? The experiments were tested on coating, coating temperature, coating time power such as antireflection coatings on silicon nitride. Experiments show that the silicon nitride film deposition rate increases with the silane / NH3 flow rate increases, and decreases slightly with the increase of temperature, while increases with the increase of deposition power, refractive index of silicon nitride film rate with silane / NH3 flow rate increases, and slightly increase with the increase of temperature, the power increases slightly with deposition reduce.Keywords: solar energy; crystal silicon; antireflection coating; silicon nitride目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................... I I 1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 太阳能电池发展历史和现状 (2)1.3 中电投西安太阳能有限公司简介 (3)1.4 本论文的研究目的与意义 (3)2 硅太阳电池的减反射膜 (5)2.1太阳能电池的制造工艺 (5)2.2 氮化硅薄膜的性质与制备方法 (9)2.2.1 氮化硅薄膜的稳定性 (9)2.2.2碳化硅薄膜的优势 (11)2.2.3氮化硅薄膜的制备方法 (12)2.2.4工业制备氮化硅薄膜的方法 (14)2.2.5影响氮化硅薄膜性质的因素 (14)2.3 太阳电池氢钝化的机理和方法 (15)2.4 太阳电池氢钝化存在的问题 (18)2.5氮化硅薄膜对单晶硅的钝化 (19)2.6 氮化硅薄膜对多晶硅的钝化 (20)3 实验设备与过程 (22)3.1 PECVD设备 (22)3.2 RTP设备 (24)3.3 实验材料 (24)3.4 测试设备 (25)3.4.1 金相显微镜 (25)3.4.2 原子力显微镜(AFM) (25)3.4.3 扫描电子显微镜(SEM) (25)3.4.4 薄膜测试系统 (26)3.5 实验过程 (26)3.5.1 正交实验 (26)3.5.2 氢等离子体的钝化实验 (29)4 不同沉积参数对薄膜性质的影响 (30)4.1不同射频功率与薄膜沉积速率的关系 (31)4.2不同硅烷/氨气流量比与薄膜沉积速率和折射率的关系 (32)4.3热处理对氮化硅减反射膜的影响 (35)4.4热处理对少子寿命的影响 (38)总结 (41)致谢 (42)参考文献 (43)1 绪论1.1 引言自1954年美国贝尔实验室的Chapin等人研制出世界上第一块太阳电池，从此揭开了太阳能开发利用的新篇章。

PECV D在多晶硅上沉积氮化硅膜的研究Ξ林喜斌3,林安中(北京有色金属研究总院,北京100088)摘要:氮化硅薄膜作为一种新型的太阳电池减反射膜已被工业界认识和应用。

应用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)系统,以硅烷、氨气和氮气为气源在多晶硅片上制备了具有减反射作用的氮化硅薄膜。

并研究了在沉积过程中,衬底温度、硅烷与氨气的流比以及射频功率对薄膜质量的影响。

关键词:减反射膜;PECVD;氮化硅中图分类号:O614133 文献标识码:A 文章编号:1000-4343(2003)-0162-02 由于氮化硅[1]膜具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力,氮化硅薄膜作为多晶硅太阳电池的减反射膜,可显著地提高电池的转换效率[2],还可使生产成本降低。

PECVD法[3]沉积氮化硅薄膜,沉积温度低[4,5]、沉积速度快、薄膜质量好、工艺简单、易于工人掌握操作技术。

由化学法和PECVD法制成的氮化硅薄膜的折射率一般可达2.0左右,接近太阳电池所要求的最佳折射率(2.35),最为符合太阳电池反射层的要求。

1　实　验PECVD氮化硅使用SY2型射频电源等离子台来制备。

高频信号发生的频率是13.56MHz。

所用气体为高纯氨(99.999%)和高纯氮气、高纯硅烷,实验时气体直接通入炉内,主要反应气体是高纯氨和高纯硅烷,氮气主要用来调节系统的真空度和稀释尾气中的硅烷。

本实验所用沉积炉为不锈钢体结构,其炉膛有效容积为0115m3,氮化硅薄膜的折射率是用TP277型椭偏仪测量。

太阳电池的减反射膜,其折射率和厚度要满足nd n=λ/4关系式,即折射率为2.35附近为好。

因此从生产的角度有必要对膜的特性与工艺参数之间的关系进行研究。

2　结果与讨论2.1　流比的影响从氮化硅(Si3N4)分子式可知,SiH4/NH3=(3×32)/(4×17)=1.4为理想的质量比,理想的流比为(1.4×01599)/0.719=1.16。

氮化硅薄膜光学性质的研究摘要：氮化硅薄膜具有优良的光学性能，常用作太阳能电池表面的减反射材料。

采用传统的退火炉和快速热退火炉进行了不同时间和温度下的退火比较，并研究了退火对薄膜光学性能的影响。

研究发现：氮化硅薄膜经热处理后厚度降低，折射率先升高后降低。

关键词：太阳能电池；氮化硅薄膜；热处理引言由于有着良好的绝缘性，致密性，稳定性和对杂质离子的掩蔽能力，氮化硅薄膜作为一种高效器件表面的钝化层已被广泛应用在半导体工艺中。

人们同时发现，在多晶硅太阳电池表面生长高质量氮化硅薄膜不仅可以十分显著地提高多晶硅太阳电池的转换效率，而且还可以降低生产成本。

作为一种减反射膜，氮化硅不仅有着极好的光学性能(λ =6 3 2 ． 8 n m时折射率在 1 . 8 ～2． 5之间，而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率在 2 ． 1 ～2． 2 5 之间) 和化学性能，还能对质量较差的硅片起到表面和体内钝化作用，提高电池的短路电流。

因此，采用氮化硅薄膜作为晶体硅太阳电池的减反射膜已经成为光伏界的研究热点。

1 . 氮化硅薄膜的光学性质1 .1实验本实验采用2cm×2cm×400um的单面抛光的P型<100>Cz硅片，在沈阳科仪中心PECVD400型真空薄膜生长系统中生长氮化硅薄膜。

氮化硅薄膜制备过程如下：实验前使用乙醇和丙酮超声清洗样品15min以去除油污，然后用1号液(H20：H202：NH3·H20=5：1：1)和2号液(H20：H2O2：HCl=5：1：1)清洗，最后再使用5％稀氢氟酸(HF)漂洗5min以去除氧化层，去离子水洗净烘干后放人反应室。

采用硅烷(10％氮气稀释)和高纯氨气作为反应气体沉积氮化硅薄膜，其中沉积薄膜的生长参数如下：气体流量为硅烷30sccm、氨气60sccm、工作气压30Pa、射频频率 13．5MHz、沉积时间10min。

沉积薄膜后，采用传统的退火炉和新兴的快速热退火炉进行了氩气保护下不同时间和温度下的退火比较，并测试了薄膜退火前后的厚度、折射率。

基于光伏电站中光伏组件的PID现象及其解决措施讨论摘要：PID效应又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。

相关研究和数据表明，PID效应与组件构成、封装材料、所处环境温度、湿度和电压有着紧密的联系。

本文主要对光伏电站中光伏组件的PID现象及其解决措施进行讨论。

关键词：镀膜工艺封装材料接地系统 PID 光伏前言：随着光伏行业的不断发展，光伏电站的应用越来越广泛。

其中，组件的PID效应作为影响电站发电量的重要因素之一，受到了业界的广泛关注。

研究表明，由于高效电池技术的应用，硅片扩散深度、硅片扩散后方块电阻较之前都有明显提升。

加之晶体硅光伏组件的电路与其接地金属边框之间存在较高的电势差，从而造成了光伏组件高达70％的输出功率衰减。

一、光伏电站中光伏组件PID现象的形成机理电池是PID现象发生的根本所在，而其现象则通过组件表现出来。

发生PID问题跟组件使用环境有很重要的关系，其活跃程度与温度、湿度有关，同时组件表面的导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体污染程度也与组件功率衰减相关联。

在实际发电现场，PID现象已经被观察到，并有大量的实际案例发生，已经给当前电站的稳定可靠运行带来较大的损失或风险。

到目前为止，业内比较认可的PID衰减机理是：组件电极与边框之间由于存在较高的偏置电压，导致其在合适的条件下，玻璃表面会形成一层导电的正离子膜，该导电的离子膜即形成了模拟电场，在该电场的作用下，玻璃表面的钠离子会通过EVA迁移至电池表面或到达电池发射极的位置，PN结因此被破坏，串联电阻增大，并联电阻减小，组件ＥＬ照射时电池变黑变暗。

此外，德国弗朗霍夫及TUV等研究机构还提出了形成PID的原因是由于玻璃表面钠离子迁移至电池内部，钠离子在电场的作用下迁移至扩散结的位置，由于钠离子的存在使得电池内部载流子与之形成一个内建电场，从而限制了载流子的输出，最终引起组件功率衰减。