晶体硅太阳电池减反射膜的研究

几种能够作为减反射薄膜的材料和它的折射率列 在 表 １ 中 ，可 供 参 考 ：
图 ２ 镀 膜 前 的 硅 片
图３ ８０ｎｍ 左右的 ＳｉＮ 薄膜
图４ ６５ｎｍ 左右的 ＳｉＮ 薄膜
３ 实 验 与 讨 论 本研究使 用 德 国 ＲＯＴＨ＆ＲＡＵ 科 学 仪 器 研 制 中
心制造的 ＰＥＣＶＤ－ＳｉＮＡｌ型 设 备 制 备 不 同 厚 度 的 ＳｉＮ
关 键 词 ：太 阳 电 池 ；ＰＥＣＶＤ；减 反 射 ；氮 化 硅 薄 膜 中 图 分 类 号 ：ＴＮ９１９－３４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４－３７３Ｘ（２０１１）１２－０１４５－０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ
如 图 １ 所 示 膜 有 ２ 个 界 面 就 有 ２ 个 矢 量 ，每 个 矢 量 表示一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率 低于基片的 折 射 率，则 每 个 界 面 上 的 反 射 系 数 都 为 负 值，这 表 明 相 位 变 化 为 １８０°。 当 膜 层 的 相 位 厚 度 为 １８０°时，即 膜 层 的 光 学 厚 度 为 某 一 波 长 的 １／４ 时，则 ２个矢量的方向完全相反，合矢量便 有 最 小 值。 如 果 矢 量的模相等，则对该波长而言，２ 个矢量 将 完 全 抵 消，于
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｆｉｌｍｓ ｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｄｏａｂｌｅ ｗａｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｌｓｏ ｄｅｂａｓｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ．Ｔｈｅ ＰＥＣＶＤ （Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｃｔａｎｔｓ ｏｆ ｓｉｌａｎｅ ａｎｄ ａｍｍｏｎｉａ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ＳｉＮ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｓｉｌａｎｅ ｏｖｅｒ ａｍｍｏｎｉａ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｏｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉ－ ｍｉｚｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｔｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｌｅｎｔｙ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｅｎｍｅｎｔｓ．
Ｒ１
＝ｎｎ００
－ｎ ＋ｎ
，Ｒ２
＝ ｎｎ－＋ｎｎＳＳｉｉ，Δ
＝
４πｎｄ λ
式中：ｎ，ｎ０，ｎＳｉ 分别为 外 界 介 质、膜 层 和 硅 的 折 射 率；λ
入射光的波长；ｄ 为膜层的 实 际 厚 度；ｎｄ 膜 层 的 光 学 厚
度 。当 波 长λ０
为 光 的 垂 直 入 射 时，若ｎｄ
＝
λ０ ４
，则
Ｒ
摘 要：在太阳电池表 面 形 成 一 层 减 反 射 薄 膜 是 提 高 太 阳 电 池 的 光 电 转 换 效 率 比 较 可 行 且 降 低 成 本 的 方 法 。 应 用 ＰＥＣＶＤ（等离子体增强化学气相沉积）系统，采用 ＳｉＨ４ 和 ＮＨ３ 气源以制备氮化硅薄膜。研 究 探 索 了 ＰＥＣＶＤ 生 长 氮 化 硅 薄 膜的基本物化性质以及在沉积过程中反应压强、反应温度、硅烷氨气流量 比 和 微 波 功 率 对 薄 膜 性 质 的 影 响 。 通 过 大 量 实 验， 分 析 了 氮 化 硅 薄 膜 的 相 对 最 佳 沉 积 参 数 ，并 得 出 制 作 减 反 射 膜 的 优 化 工 艺 。
图 １ 减 反 射 膜 引 起 的 光 学 干 涉
２ 减 反 射 薄 膜 的 材 料
要 想 将 光 电 池 对 光 反 射 引 起 的 损 失 减 至 最 小 ，因 此
必须使反射系数ρ 最 小，如 上 分 析，对 单 层 减 反 射 薄 膜 必须满足：
Baidu Nhomakorabea
ｎｄ ＝λ／４ ｎ ＝ （ｎ０ ×ｎＳｉ）１／２
收 稿 日 期 ：２０１１－０１－０５ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７６０２０）；陕 西 省 教
育 厅 基 金 资 助 项 目 （１１２Ｚ０５１）
膜，分析 了 氮 化 硅 薄 膜 的 相 对 最 佳 沉 积 参 数 和 优 化 工艺。
１ 减 反 射 膜 原 理
在 了 解 减 反 射 薄 膜 原 理 之 前 ，要 先 了 解 几 个 简 单 的 概念：第 一，光 在 两 种 媒 质 界 面 上 的 振 幅 反 射 系 数 为 （１－ρ）／（１＋ρ），其中ρ为界面处 两 折 射 率 之 比。 第 二， 若 反 射 光 存 在 于 折 射 率 比 相 邻 媒 质 更 低 的 媒 质 内 ，则 相 移为１８０°；若该媒质的 折 射 率 高 于 相 邻 媒 质 的 折 射 率， 则 相 移 为 零 。 第 三 ，光 因 受 薄 膜 上 下 两 个 表 面 的 反 射 而 分成２个分量，这２ 个 分 量 将 按 如 下 方 式 重 新 合 并，即 当 它 们 的 相 对 相 移 为１８０°时 ，合 振 幅 便 是２ 个 分 量 振 幅 之 差 ；称 为 两 光 束 发 生 相 消 干 涉 。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ；ＰＥＣＶＤ；ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；ＳｉＮ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ
０ 引 言
太 阳 能 光 伏 技 术 是 将 太 阳 能 转 化 为 电 力 的 技 术 ，其 核心是半导体物质的光电效应。最常用的半导体材料 是硅。光伏电池由 Ｐ 型 和 Ｎ 型 半 导 体 构 成，一 个 为 正 极，一个为负极。阳光 照 射 在 半 导 体 上 时，两 极 交 界 处 产生电流，阳光强度 越 大，电 流 就 越 强。 太 阳 能 光 伏 系 统 不 仅 只 在 强 烈 阳 光 下 运 作 ，在 阴 天 也 能 发 电 。 晶 体 硅 是当前太阳能光伏电池的主流。目前晶体硅电池光电 转换效率 可 以 达 到 ２０％，并 已 实 现 大 规 模 生 产 。 ［１］ 除 效率外，光伏电 池 的 厚 度 也 很 重 要。 薄 的 硅 片 （ｗａｆｅｒ） 意 味 着 较 少 的 硅 材 料 消 耗 ，从 而 可 降 低 成 本 。 在 查 阅 了 大量国内外相 关 文 献 ［２－６］，并 结 合 我 国 对 晶 体 硅 太 阳 电池技术开 发 的 迫 切 需 要，在 制 备 太 阳 电 池 减 反 射 膜 （氮 化 硅 薄 膜 ）的 工 艺 中 ，对 气 体 流 量 比 、微 波 功 率 、沉 积 压 强 和 温 度 对 减 反 射 膜 性 质 的 影 响 进 行 了 研 究 ，通 过 大 量有效的工 作 及 一 系 列 工 艺 数 据，得 出 了 制 作 减 反 射
（３）
对 硅 光 电 池 来 讲，如 果 光 直 接 从 空 气 射 入 电 池， ｎ０＝１，ｎＳｉ＝３．８，则 折 射 率 为 １．９ 时 的 介 质 膜 为 最 佳 ，但 是 它 仅 仅 对 特 定 波 长 的 单 色 光 为 最 佳 ，对 于 一 般 的 复 色 光 源 ，邻 近 特 定 波 长 的 光 ，在 确 定 的 介 质 材 料 和 厚 度 下 ， 由于条件不完全满足，反 射 光 只 可 能 部 分 地 被 抵 消，虽 然ρ 有 所 增 大 ，但 对 波 长 较 远 的 光 ，起 不 到 减 反 射 作 用 ， 因此在设计中应选取适当的ｎ１ 材料和制作 合 适 的 膜 厚 ｔ，才 能 使 其 波 长 落 在 光 源 辐 射 最 强 的 波 长 附 近 。
ＺＨＡＯ Ｐｉｎｇ１，ＭＡ Ｘｉａｏ－ｙｕａｎ２，ＺＯＵ Ｍｅｉ－ｌｉｎｇ２
（１．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔ ＆ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｅｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｙｉｎ ２１４４００，Ｃｈｉｎａ）
第 １２ 期
赵 萍 等 ：晶 体 硅 太 阳 电 池 减 反 射 膜 的 研 究
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薄膜。 测试设备用：ＳＥＮＴＥＣＨ 生产 ＳＥ－４００ＡＤＶ 的激光
偏振仪；ＳＥＭＩＬＡＢ 生 产 的 ＷＴ－２０００ 的 少 子 寿 命 测 试仪。
２０１１ 年 ６ 月 １５ 日 第 ３４ 卷 第 １２ 期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｊｕｎ．２０１１ Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．１２
晶体硅太阳电池减反射膜的研究
赵 萍１，麻 晓 园２，邹 美 玲２
（１．西安邮电学院 电子工程学院，陕西 西安 ７１０１２１；２．江阴浚鑫科技有限公司，江苏 江阴 ２１４４００）
度 为 １／４ 波 长 ，其 折 射 率 为 基 片 和 入 射 媒 质 折 射 率 相 乘
积的平方根。
表 １ 几 种 作 减 反 射 薄 膜 材 料 的 折 射 率
材料
折射率
材料
折射率
ＭｇＦ２ ＳｉＯ２ Ａｌ２Ｏ３ ＳｉＯ ＺｎＳ
１．３～１．４ １．４～１．５ １．８～１．９ １．８～１．９ ２．３～２．４
ＳｉＮ ＴｉＯ２ Ｔａ２Ｏ３ Ｎｂ２Ｏ３
１．９ ２．３ ２．１～２．３ ２．２～２．３
由于氮化硅的折射率为１．９，是很 理 想 的 减 反 射 膜 材 料 ，所 以 研 究 中 采 用 的 就 是 这 种 材 质 的 减 反 射 膜 。 氮
化 硅 薄 膜 的 折 射 率 高 ，其 中 晶 态 氮 化 硅 薄 膜 的 折 射 率 为
１４６
现代电子技术
２０１１ 年 第 ３４ 卷
是反射率为零。镀制有减反射薄膜的太阳电池的反射
率 Ｒ［５］为：
Ｒ
＝
Ｒ２１ ＋Ｒ２２ ＋２Ｒ１Ｒ２ｃｏｓΔ １＋Ｒ２１ ＋Ｒ２２ ＋２Ｒ１Ｒ２ｃｏｓΔ
（１）
式中：Ｒ１，Ｒ２ 分别 为 外 界 介 质 与 膜 和 膜 与 硅 表 面 上 的
菲涅尔反射系数；Δ 为膜层厚度引起的位相角。其中：
＝
Ｒ２１ ＋Ｒ２２ ＋２Ｒ１Ｒ２ｃｏｓΔ 可变为： １＋Ｒ２１ ＋Ｒ２２ ＋２Ｒ１Ｒ２ｃｏｓΔ
（ ） Ｒλ０ ＝
ｎ２ －ｎ０ ×ｎＳｉ ２ ｎ２ ＋ｎ０ ×ｎＳｉ
若要求 Ｒλ０ ＝０时，则：
ｎ ＝ 槡ｎ０ｎＳｉ
（２）
因 此 ，完 善 的 单 层 减 反 射 薄 膜 条 件 是 膜 层 的 光 学 厚
２．０；非晶态氮化硅薄 膜 的 折 射 率 会 在 其 左 右 一 定 范 围 内波动。氮化硅薄膜的厚度和颜色有对 应 关 系，如 表 ２ 所示。
表 ２ 氮 化 硅 颜 色 与 厚 度 的 关 系
ｎｍ
颜色
厚度
颜色
厚度
颜色
厚度
硅本色 褐色
黄褐色 红色
深蓝色 蓝色
淡蓝色
０～２０ ２０～４０ ４０～５０ ５５～７３ ７３～７７ ７７～９３ ９３～１００
很淡蓝色 １００～１１０ 硅本色 １１０～１２０ 淡黄色 １２０～１３０ 黄色 １３０～１５０ 橙黄色 １５０～１８０ 红色 １８０～１９０ 深红色 １９０～２１０
蓝色 蓝绿色 浅绿色 橙黄色
２１０～２３０ ２３０～２５０ ２５０～２８０ ２８０～３００
厚度可用椭圆偏振仪精确测量。在能够估计厚度 范 围 的 情 况 下 ，可 根 据 氮 化 硅 薄 膜 的 颜 色 和 表 中 所 列 的 颜 色 进 行 比 较，以 此 来 确 定 氮 化 硅 膜 的 大 约 厚 度。 图２～ 图 ４ 分 别 为 镀 膜 前、８０ ｎｍ 左 右 ＳｉＮ 薄 膜 和 ６５ｎｍ左右的 ＳｉＮ 薄膜图示。