PECVD法制備氮化硅減反射膜和減反射膜在太陽能電池中的應(yīng)用

1、PECVD法制備氮化硅減反射膜和減反射膜在太陽能電池中的應(yīng)用 作者:何萬雄 班級(jí)：光伏材料加工與應(yīng)用 指導(dǎo)老師：冷新莉 學(xué)號(hào)：49 摘要隨著不可再生資源的減少，環(huán)境污染的加重，世界人民為了生存、為了發(fā)展，更為了保護(hù)我們的地球。不得不尋找新的能源、可再生資源，所以取代這些 能源的將是風(fēng)能、核能、太陽能等。而太陽能是未來最清潔、安全和可靠的能源，發(fā)達(dá)國家正在把太陽能的開發(fā)利用作為能源革命主要內(nèi)容長(zhǎng)期規(guī)劃，光伏產(chǎn)業(yè)正日益成為國際上繼IT、微電子產(chǎn)業(yè)之后又、爆炸式發(fā)展的行業(yè)。利用太陽能的最佳方式是光伏轉(zhuǎn)換，就是利用光伏效應(yīng)，使太陽光射到硅材料上產(chǎn)生直流直接發(fā)電。以硅材料的應(yīng)用開發(fā)形成的產(chǎn)業(yè)鏈條稱之為“

2、光伏產(chǎn)業(yè)”,包括太陽電池的生產(chǎn)、相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的制造等。隨著太陽能電池的大量生產(chǎn)，面對(duì)的問題也越來越多，電池效率的轉(zhuǎn)化卻很低很低，隨之就是成本大，利潤(rùn)小。人們又不得尋找讓電池提高轉(zhuǎn)化效率的材料（減反射膜）。減反射膜制備技術(shù)是太陽能電池生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能減少入射光的反射，增加光的吸收，從而增加光生載流子的數(shù)量，提高短路電流，進(jìn)而提高太陽電池的效率。由于多晶硅不能像單晶硅太陽電池一樣，能在受光面進(jìn)行完美的結(jié)構(gòu)化，起到減反射的效果，所以減反射膜的作用就顯得尤為重要。如果這層膜不僅能起到減少光損失的作用，也能起到表面鈍化和體鈍化的效果的話，對(duì)太陽電池的效率的提高和成本的降低有很多益處。雖然熱生長(zhǎng)的

3、SiO也能起到表面鈍化和減反射的作用，但是由于二氧化硅表面鈍化是一個(gè)高溫工藝過程，通常的鈍化溫度都在800 以上，高溫過程易使半導(dǎo)體襯底產(chǎn)生缺陷，少子壽命下降，這對(duì)于太陽電池及硅材料尤為突出，并且引起襯底濃度的再分布；另一方面和太陽電池減反射膜要求的最佳折射率相比，二氧化硅的折射率偏低。近幾年的研究說明，用低溫（250450 ）PECVD法沉積SiN做多晶硅太陽電池的光學(xué)減反射膜是進(jìn)一步提高多晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。關(guān)鍵字：太陽能電池 減反射膜 反射膜材料 PECVD一 薄膜的生長(zhǎng)過程概述薄膜的生長(zhǎng)過程直接影響到薄膜的結(jié)構(gòu)以及它最終的性能。像其他材料的相變問題一樣，總可以把薄膜的生長(zhǎng)過

4、程大致劃分為兩個(gè)階段，即新相形核與薄膜生長(zhǎng)階段。在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開始凝聚到襯底表面上，從而開始了所謂的形核階段。首先形成了均勻細(xì)小，而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)。我們有時(shí)又形象的將這些原子團(tuán)稱之為島。這些比臨界核心尺寸小的小島接受新的原子開始長(zhǎng)大，而島的數(shù)目則很快達(dá)到飽和。小島像夜珠一樣通過相互合并而擴(kuò)大，而突出的襯底表面上又形成新的島。這一小島形成與合并的過程不斷進(jìn)行，直到孤立的小島之間相互連接成片，最后只留下一些孤立的空洞，并逐漸被后沉積的原子所填充。薄膜的生長(zhǎng)可被分為三種模式：（1）島狀生長(zhǎng)模式：這一生長(zhǎng)模式表明，被沉積物質(zhì)的原子或分子更傾向于自己相互間結(jié)合起來，而避免

5、與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的侵潤(rùn)性較差。（2）層狀生長(zhǎng)模式：當(dāng)被沉積物質(zhì)與襯底之間侵潤(rùn)性很好時(shí)，被沉積物質(zhì)的原子更傾向與襯底原子鍵合。因此，薄膜從形核階段開始即采取二維擴(kuò)展模式。顯然，只要在隨后的過程中，沉積物原子間的鍵合傾向仍大于形成表面的傾向，則薄膜生長(zhǎng)將一直保持這層狀生長(zhǎng)模式。（3）中間生長(zhǎng)模式：在層狀-島狀中間生長(zhǎng)模式中，在最開始一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制比較復(fù)雜， SiN生長(zhǎng)屬于此類。二 減反射1.減反射膜的定義建反射膜又稱增透膜，它的主要功能是減少透鏡、棱鏡、平面鏡等光的學(xué)表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減

6、少或消除系統(tǒng)的雜散光。最簡(jiǎn)單的增透膜是單層膜，它是鍍?cè)诠鈱W(xué)零件表面上的一層折射率較低的薄膜、如果膜層的光學(xué)厚度是某一波長(zhǎng)的四分之一，相鄰兩束的的廣程恰好為 ，即振動(dòng)方向相反，疊加的結(jié)果使光學(xué)表面對(duì)該波的反射率減少。適當(dāng)選擇膜層折射率，這時(shí)光學(xué)表面的反射光可以完全消除。一般情況下，采用單層增透膜很難達(dá)到理想的增透效果。為了在單波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)零反射，或在較寬的光譜區(qū)達(dá)到好的增投效果，往往采用雙層、三層甚至更多層的減反射膜。減反射膜是應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大的一種光學(xué)薄膜。因此，它至今是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究課題，研究的重點(diǎn)是尋找新的材料，設(shè)計(jì)新的膜系，改進(jìn)淀積工藝，使之用最少的層數(shù)，最簡(jiǎn)單、最為穩(wěn)定的工藝，

7、獲得盡可能高的成品率，達(dá)到最理想的效果。對(duì)激光薄膜來說，減反射膜是激光損傷大的薄弱環(huán)節(jié)，如何提高他的破壞強(qiáng)度也是人們最關(guān)心問題之一。2 減反射膜原理光照射到平面的硅片上，其中一部分被反射，即使對(duì)絨面的硅表面，由于入射光產(chǎn)生多次反射而增加了吸收，但也有約11%的反射損失。在其上覆蓋一層減反射膜層，可大大降低光的反射，圖示出四分之一波長(zhǎng)減反射膜的原理。從第二個(gè)界面返回到第一個(gè)界面的反射光與第一個(gè)界面的反射光相位查180，所以前者在一定程度上抵消了后者。當(dāng)一束光垂直入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，入射光的一部分會(huì)被反射，剩余的部分則投射到半導(dǎo)體中，可能激發(fā)電子-空穴對(duì)，產(chǎn)生光生電流。如果我們不考慮擴(kuò)散層的影響，

8、垂直入射時(shí)，可以應(yīng)用透明介質(zhì)表面的公式計(jì)算硅片表面的反射率R：式中，n為外界質(zhì)的折射率，在真空或大氣等于1，若表面有硅橡膠取1.4；n為硅的折射率，由于色散，硅的折射率對(duì)于不同波長(zhǎng)的光數(shù)值是不同的。但一般在可見光范圍，裸露硅表面的反射率超過30%。為了減少反射損失，通常在太陽電池表面制作減反射膜。由于在這個(gè)介質(zhì)膜的兩個(gè)界面上的反射光相互干涉，可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)降低反射率。此時(shí)反射率由下式：式中，r和r分別是外界介質(zhì)-膜和膜-硅界上的涅爾反射系數(shù)， 為膜層3 減反射膜的市場(chǎng)價(jià)格（混批）E20#188反射膜：1350元 rw75xx反射膜：300元RW125XX反射膜：550元 E6SL#18

9、8XX反射膜：1150元 E20#100反射膜：450元 E20#75XX反射膜：300元37W01XX反射膜：79元三 PECVD1 PECVD原理PECVD技術(shù)原理是利用低溫等離子體做能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。PECVD方法區(qū)別于其它CVD方法的特點(diǎn)在于等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學(xué)氣相沉積過程所需的激活能。電子與氣象分子的碰撞可以促進(jìn)氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，生成活性很高的各種化學(xué)集團(tuán)，因而顯著降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，

10、使得原來需要在高溫下才能進(jìn)行的CVD過程得以在低溫下實(shí)現(xiàn)。2 PECVD的特點(diǎn)PECVD的一個(gè)基本特征是實(shí)現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫(450).因此帶來的好處。 節(jié)省能源，降低成本 提高產(chǎn)能 減少了高溫導(dǎo)致的硅片中少子壽命衰減3 PECVD的種類直接式：基片位于一個(gè)電極上，直接接觸等離子體，樣品或樣品的支撐體就是電極的一部分。間接式：基片在等離子區(qū)域之外，等離子體不直接打到樣品表面，樣品或其 支撐體也不是電極的一部分。四 減反射膜在太陽電池中的應(yīng)用1 影響電池效率的因素太陽電池的效率是表征太陽電池內(nèi)在特性的重要標(biāo)志，它與光譜輻照度、溫度以以及電池的厚度，微電子參數(shù)等有著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，其理論極限效

11、率又材料的禁帶寬度、吸收系數(shù)、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。所以為了提高電池效率，在電池上涂了減反射膜來提高電池效率。2 SiNx電池的應(yīng)用物理和化學(xué)性質(zhì)：l 結(jié)構(gòu)細(xì)致，硬度大l 能抵御堿金屬離子的侵蝕l 介電強(qiáng)度高l 耐濕性好l 而一般的酸堿，除HF和HPOSI/N比對(duì)薄膜性質(zhì)的影響l 電阻率隨X增加而降低l 折射率N隨X增加而增加l 腐蝕速率隨密度增繼而降低SINX的優(yōu)點(diǎn)l 優(yōu)良的表面鈍化效果l 高效的光學(xué)減反射性能l 低溫工藝l 含氫SIN:H可以對(duì)MC-SI提供體鈍化3 減反射膜性能的驗(yàn)證我們要選擇合適的減反射膜參數(shù)，應(yīng)先決定薄膜的折射率，然后才是膜厚。根據(jù)上述結(jié)果，可以看出，由于射頻功率對(duì)折射率的影響小，所以應(yīng)該首先確定溫度和流量比。關(guān)于減反射膜的最優(yōu)參數(shù)，對(duì)于只有單層減反射膜的電池，最佳的SIN膜參數(shù)應(yīng)為折射率1.98，厚度850埃左右。我們根據(jù)這個(gè)結(jié)果，最終在325左右，應(yīng)用流量比1：2，功率大約40W左右制備了符合要求的SIN膜。為了驗(yàn)證所制作的SIN膜的減反射膜效果。我們測(cè)試了不同絨面的硅片本身的反射率和鍍膜后的反射率，圖A為鍍反射膜前，圖B為反射膜后：從圖中我們可以看出，雖然在多晶硅片已經(jīng)制作了絨面，但是硅片的反射率仍在20%以上；而鍍膜后反射率