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Si O 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Si O N Si N 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Si O N Si N 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,Si O N 薄膜,Si N 薄膜,电子回旋共振化学气相淀积0 引 言Si O N 、Si N 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Si N 、Si O N 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Si O N Si N 太阳电池双层减反射膜的研究。
1 实验方法Si O N Si N 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Si O N 薄膜的气源为:Si H 4(95%N 2),N 2O ;制备Si N 薄膜的气源为:Si H 4(95%A 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。
高效晶体硅太阳电池简介（1）PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究的高效电池。
它的结构如图2-13a所示，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％[26]。
由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化。
为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可。
然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低。
另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用电阻率低于0.5 Ωcm以下的硅材料。
为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂。
这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低。
后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配。
1990年在PERC结构和工艺的基础上，J.Zhao在电池的背面接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池，结构如图2.13b所示[27]。
定域掺硼的温度为900 ℃，时间为20 min，随后采用了drive-in step技术（1070 ℃，2 h）。
经过这样处理后背面接触孔处的薄层电阻可降到20 Ω/□以下。
孔间距离也进行了调整，由2 mm缩短为250 µm，大大减少了横向电阻。
如此，在0.5 Ωcm和2 Ωcm的p型硅片上制作的4 cm2的PERL电池的效率可达23-24％，比采用同样硅片制作的PERC电池性能有较大提高。
1993年该课题组对PERL电池进行改善，使其效率提高到24％，1998年再次提高到24.4％，2001年达到24.7％，创造了世界最高记录。
太阳电池用氮化硅薄膜及氢钝化研究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。
本文在系统综述当前太阳电池用氮化硅薄膜研究进展、前景和面临的问题的基础上，应用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）系统，以硅烷和氨气为气源制备了同时具有钝化作用和减反射作用的氮化硅薄膜；摸索了氮化硅薄膜相对最佳生长参数；研究了PECVD生长的氮化硅薄膜的基本物理化学性质以及在沉积的过程中，衬底温度、硅烷氨气流量比和射频功率对薄膜折射率和生长速率的影响；分别探明了氢等离子体和富氢氮化硅薄膜对太阳电池材料和器件性能的钝化作用，并就沉积薄膜后退火对电池材料和器件的影响做了初步的摸索，得到了一系列的实验结果，为开发我国自主知识产权的太阳电池工艺提供了有益的参考和指导。
本实验利用PECVD设备，制备了氮化硅薄膜，结果证实沉积的氮化硅薄膜减反射性质良好，透射率高，折射率2.1左右；薄膜表面相当平整，粗糙度大约3nm；薄膜属于非晶态，比较难晶化；薄膜的硅氮比在1.1:1至1.4:1左右，薄膜富硅；实验还研究了氮化硅薄膜的高温热稳定性，指出原始氮化硅薄膜中含有大量的氢，但是在高温处理后这些氢会从薄膜中逸失；同时，1000℃热处理可能使氮化硅薄膜发生龟裂。
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；在衬底温度300℃，射频功率20W和硅烷氨气流量比为1：3的条件下氮化硅薄膜的沉积速率大约为8.6纳米/分。
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。
通过测试氢等离子体钝化和氮化硅薄膜钝化的效果，实验还发现氢等离子体处理对多晶硅材料的少子寿命提高作用比较明显，但是这种提高作用与处理温度以及时间的关系不大；氮化硅薄膜中的氢对单晶硅的载流子迁移率提高有一定作用，但经过高温处理后这种作用消失；氮化硅薄膜能提高单晶硅和多晶硅的少子寿命，具有表面钝化和体钝化的双重作用；氢等离子体和氮化硅薄膜都能有效地提高单晶和多晶电池的短路电流密度，进而使电池效率有不同程度(绝对转换效率0.5%~2.9%)的提高；先沉积氮化硅薄膜再氢等离子体处理能得到更好的钝化效果。
半导体ndc薄膜成分一直是材料科学领域中一个备受关注的研究课题。
半导体ndc薄膜由多种元素组成，其成分的选择和比例对薄膜的性能具有重要影响。
通过对半导体ndc薄膜成分的深入研究，可以更好地了解其物理化学性质，为材料设计和应用提供重要依据。
半导体ndc薄膜被广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件等领域，其成分的选择对于薄膜的性能至关重要。
常见的半导体ndc薄膜成分包括氮化硅、氧化物、碳化物等。
这些成分在材料的制备过程中起着至关重要的作用，不同比例的成分可以调控薄膜的光电性能、机械性能等方面。
在半导体ndc薄膜成分的选择中，氮化硅是一种常用的材料。
氮化硅具有优异的化学稳定性和抗腐蚀性能，可在高温、高湿等恶劣环境中稳定工作。
氮化硅薄膜可以通过化学气相沉积、物理气相沉积等方法制备，具有良好的导电性和光学性能，广泛应用于集成电路、光学镀膜等领域。
除了氮化硅，氧化物也是一种常见的半导体ndc薄膜成分。
氧化锌、氧化铟锡等氧化物薄膜具有良好的电学性能和光学性能，被广泛应用于透明导电薄膜、光伏器件等领域。
氧化物薄膜的制备方法多样，可以通过溶液法、磁控溅射等技术实现，具有较高的制备效率和加工便利性。
此外，碳化物也是一种重要的半导体ndc薄膜成分。
碳化硅、碳化钼等碳化物薄膜具有优异的高温稳定性和机械性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
碳化物薄膜的制备方法多样，可以通过化学气相沉积、磁控溅射等技术实现，具有较高的结晶质量和成膜速度。
通过对半导体ndc薄膜成分的深入研究，我们可以更好地理解不同成分对薄膜性能的影响规律。
在薄膜的制备过程中，合理选择和调控成分比例可以有效提高薄膜的性能和稳定性，拓展其在电子器件、光伏器件等领域的应用。
随着材料科学和工程技术的不断发展，半导体ndc薄膜的成分设计和优化将进一步推动材料的创新和应用。
• 40•晶体硅太阳能电池表面钝化技术研究进展尹雨欣文章综述了晶体硅太阳能电池表面钝化技术的研究进展，主要包括SiN x 钝化、SiO 2钝化、SiO 2/SiN x 叠层钝化，Al 2O 3钝化以及TOP-Con 钝化接触，介绍了各钝化膜层的生长工艺、钝化原理及应用现状，讨论了各钝化膜层的优势与不足，并分析了太阳能电池表面钝化技术下一步发展的方向。
引言：高效率、低成本是太阳能电池研究最重要的两个方向。
对于晶体硅太阳能电池来说，随着晶体硅制造技术的提升，基体硅片的体载流子寿命不断提高，已经不再是制约电池效率提升的关键因素。
而电池表面的钝化对转换效率的影响越来越明显。
太阳能电池的生产过程中，基体硅片的成本占整个生产成本的比例最高，为降低生产成本，尽快实现光伏电价“平价上网”，提高市场竞争力，硅片薄化是必然的趋势，随之产生的问题就是电池表面复合严重。
这就为太阳能电池表面钝化技术提出了挑战，为了在硅片薄化的过程中仍然保持电池的高转化效率，对晶体硅太阳电池表面钝化技术的研究是必不可少的。
因此，无论是提高太阳能电池的转换效率，还是降低太阳能电池的生产成本，对于晶体硅太阳能电池表面钝化技术的研究都必不可少。
图1 晶体硅片表面状态示意图1.硅片表面特性表面复合是指在硅片表面发生的复合过程，硅片中的少数载流子寿命在很大程度上受到硅片表面状态的影响，因为硅片表面有以下3个特点：（1）从硅晶体内延伸到表面的晶格结构在表面中断，表面原子出现悬挂键，排列到边缘的硅原子的电子不能组成共价键，因此出现了成为表面态的表面能级，表面态中靠近禁带中心的能级是有效的表面复合中心；（2）硅片在切片过程中表面留下的切割损伤，造成很多缺陷和晶格畸变，增加了更多的复合中心；（3）硅片表面吸附的带正、负电荷的外来杂质，也会成为复合中心（见图1）。
2.表面钝化介质薄膜研究2.1 SiN x 薄膜钝化研究SiN x 薄膜的制备方法有多种，从工艺效果和工业化生产来考虑，目前应用于太阳能电池生产的制备方法主要是等离子增强化学气相沉积（PECVD ）法，PECVD 方法的过程是在较低气压下，利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上产生辉光放电，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的工艺气体，这些气体经一系列化学反应和等离子体反应，最终在样品表面形成固态薄膜。
收稿日期:2002211221 基金项目:国家自然科学基金项目(59976035);国家自然科学基金重大项目(50032010)文章编号:025420096(2004)0320341204PECV D 淀积氮化硅薄膜性质研究王晓泉,汪 雷,席珍强,徐 进,崔 灿,杨德仁(浙江大学硅材料国家重点实验室,杭州310027)摘 要:使用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD )在P 型硅片上沉积了氮化硅(SiNx )薄膜,使用薄膜测试仪观察了薄膜的厚度、折射率和反射光谱,利用扫描电子显微镜(SEM ),原子力显微镜(AFM )观察了截面和表面形貌,使用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR )和能谱仪(EDX )分析了薄膜的化学结构和成分。
最后,考察了薄膜在经过快速热处理过程后的热稳定性,并利用霍尔参数测试仪(Hall )比较了薄膜沉积前后载流子迁移率的变化。
关键词:太阳电池;PECVD ;氮化硅中图分类号:T K511+14 文献标识码:A0 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。
这是因为作为一种减反射膜,氮化硅不仅有着极好的光学性能(λ=63218nm 时折射率在118～215之间,而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率在211～2125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[1～3]。
1996年,Kyocera 公司通过生长氮化硅薄膜作为太阳电池的减反射膜和钝化膜在15cm ×15cm 的多晶硅太阳电池上达到了1711%的转换效率[4];A 1Hu Kbner 等人利用氮化硅钝化双面太阳电池的背表面使电池效率超过了20%[5]。
摘要减反射膜制备技术是太阳电池生产工艺中的关键技术之一。
用PECCD制备的SiNx:H膜，不仅具有减反射的效果而且能提供良好的钝化效果，从而提高太阳电池的转换效率。
由于多晶硅材料的缺陷较多且绒面制作比较困难，所以这对多晶硅太阳电池尤为重要此外。
这种方法还能满足工业化生产的要求（如和常规工艺兼容能够快速大批量地制备等），因此在多晶硅太阳电池所占市场份额逐年扩大的情况下，已成为了PV工业中采用的主流工艺之一。
SiNx:H膜的特性与沉积条件及沉积设备的关系非常密切，而膜的特性对太阳电池的性能也有不同的影响。
本文的主要工作就是研究在国产PD-I型PECVD 沉积台上，不同条件包括沉积条件及后道工艺如热处理等对SiNx:H膜的特性的影响以及薄膜对太阳电池的不同影响；并对结果进行了分析。
关键词：氮化硅 PECVD 氢钝化目录绪言 (3)1.PECVD SiN成膜基本原理 (4)2.薄膜的生长过程概述 (5)3.氢钝化简介 (6)4.氢在硅晶格中的行为及状态简介 (6)5.氢扩散模型 (7)6.减反膜(ARC)原理 (8)7.PECVD SiN减反射膜的优点 (10)参考文献 (11)绪言为了提高效率，必须钝化材料中具有电活性的杂质和缺陷，提高材料的品质。
已经证明PECVD 沉积的SiNx:H膜（在后面的部分用PECVD沉积的这种SiNx:H 膜一律采用SiN的形式简写）不仅能起到减反射膜的作用，也能起到表面钝化和体钝化的作用，是一种能大幅度提高多晶硅太阳电池效率的多功能材料。
由于对薄膜材料进行热处理能提高薄膜的稳定性，而且在普遍采用的太阳电池生产工艺中，一般也会有热处理工艺存在，因此研究SiN膜及在热处理条件下对多晶硅和薄膜本身的影响，有其现实的意义。
本文主要研究了不同沉积条件下SiN膜性能的变化以及对太阳电池的影响，同时，也研究了不同的退火条件对薄膜和太阳电池的影响，得出一些基本的实验数据，为太阳电池的生产和设计提供了参考。
