利用PECVD技術(shù)來(lái)提高晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)

1、利用PECVD技術(shù)來(lái)提高晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中科院電工研究所 王文靜一 引言為了提高晶體硅太陽(yáng)能電池的效率，通常需要減少太陽(yáng)電池正表面的反射，還需要對(duì)晶體硅表面進(jìn)行鈍化處理，以降低表面缺陷對(duì)于少數(shù)載流子的復(fù)合作用。另一方面，硅表面有很多懸掛鍵，對(duì)于N 型發(fā)射區(qū)的非平衡載流子具有很強(qiáng)的吸引力，使得少數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合作用，從而減少電流。因此需要使用一些原子或分子將這些表面的懸掛鍵飽和。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含 氫的SiNx膜對(duì)于硅表面具有很強(qiáng)的鈍化作用，減少了表面不飽和的懸掛鍵，減少了表面能級(jí)。綜合來(lái)看，SiNx膜被制備在硅的表面起到兩個(gè)最用，其一是減少表面對(duì)可見(jiàn)光的反射；其二，表面鈍化作用。二 PECVD技

2、術(shù)的分類用來(lái)制備SiNx膜的方法有很多種，包括：化學(xué)氣相沉積法（CVD法）、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD法）、低壓化學(xué)氣相沉積法（LPCVD法）。在目前產(chǎn)業(yè)上常用的是PECVD法。PECVD法按沉積腔室等離子源與樣品的關(guān)系上可以分成兩種類型：直接法：樣品直接接觸等離子體，樣品或樣品的支撐體就是電極的一部分。 間接法：或稱離域法。待沉積的樣品在等離子區(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。直接法又分成兩種：（1）管式PECVD系統(tǒng)：即使用像擴(kuò)散爐管一樣的石英管作為沉積腔室，使用電阻爐作為加熱體，將一個(gè)可以放置多片硅片的石墨舟插進(jìn)石英管中進(jìn)行沉積。這種設(shè)備的主

3、要制造商為德國(guó)的Centrotherm公司、中國(guó)的第四十八研究所、七星華創(chuàng)公司。（2）板式PECVD系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個(gè)石墨或碳纖維支架上，放入一個(gè)金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個(gè)放電回 路，在腔室中的工藝氣體在兩個(gè)極板之間的交流電場(chǎng)的作用下在空間形成等離子體，分解SiH4中的Si和H，以及NH3種的N形成SiNx沉積到硅表面。這 種沉積系統(tǒng)目前主要是日本島津公司在進(jìn)行生產(chǎn)。間接法又分成兩種：（1）微波法：使用微波作為激發(fā)等離子體的頻段。微波源置于樣品區(qū)域之外，先將氨氣離化，再轟擊硅烷氣，產(chǎn)生SiNx分子沉積在樣品表面。這種設(shè)備目前的主要制造商為德國(guó)的Roth

4、&Rau公司。（2）直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進(jìn)一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也不與等離子體接觸。這種設(shè)備由荷蘭的OTB公司生產(chǎn)。目前，在中國(guó)微波法PECVD系統(tǒng)占據(jù)市場(chǎng)的主流，而管式PECVD系統(tǒng)也占據(jù)不少份額，而島津的板式系統(tǒng)只有56條生產(chǎn)線在使用。直流法PECVD系統(tǒng)還沒(méi)有進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。除了上述幾種模式的PECVD系統(tǒng)外，美國(guó)的Applied Material公司還開(kāi)發(fā)了磁控濺射PECVD系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用磁控濺射源轟擊高純硅靶，在氨氣的氣氛中反應(yīng)濺射，形成SiNx分子沉積到樣品表面。這 種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不使用易爆的硅烷氣，安全性提高很多，另外沉積速率很高。如果按照PECVD系統(tǒng)所

5、使用的頻率范圍，又可將其分成以下幾類： 0 Hz：直流間接法OTB公司 40 KHz：Centrotherm公司管式直接法PECVD和Applied Material公司的磁控濺射系統(tǒng) 250 kHz：島津公司的板式直接法系統(tǒng) 440 kHz：Semco公司的板式直接法 460 kHz：Centrotherm公司管式直接法 13.6 MHz：Semco公司和MVSystem公司的板式直接法系統(tǒng) 2450 MHz：Roth&Rau公司的板式間接法系統(tǒng)。三 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較各種方法都有其有缺點(diǎn)：從大的方面講，直接PECVD法對(duì)樣品 表面有損傷，會(huì)增加表面少子的復(fù)合，但是也正是由于其對(duì)表

6、面的轟擊作用，可以去除表面的一些自然氧化層，使得表面的雜質(zhì)原子得到抑制，另外直接法可以使得 氫原子或氫離子更深入地進(jìn)入到多晶硅晶界中，使得晶界鈍化更充分。使用不同頻率的PECVD系統(tǒng)，也各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）頻率越高均勻面積越小，越難于達(dá)到大面積均勻性。（2）頻率越低對(duì)硅片表面的損傷越嚴(yán)重。（3）頻率越低離子進(jìn)入硅片越深，越有利于多晶硅晶界的鈍化。 我們將不同頻率的PECVD方法在電路控制難度的比較列于表1中。表1 各種頻率的PECVD技術(shù)的電路控制難度各種不同的技術(shù)的沉積特性的比較列于表2表2 各種PECVD方法的沉積特性比較沉積薄膜的均勻性是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，目前市場(chǎng)上太陽(yáng)電池標(biāo)準(zhǔn)訂的越

7、來(lái)越高，盡管有些色差片的效率很高，也只能按照B級(jí)片處理。各種設(shè)備的標(biāo)稱均勻性列于表3。表3 各種PECVD法的均勻性比較沉積的均勻性與電極和腔室的設(shè)計(jì)很有關(guān)系。管式PECVD系統(tǒng)由于其石墨舟中間鏤空，因此利用了硅片作為電極的一部分，因此輝光放電的特性就與硅片表面 的特性有了一定的關(guān)系，比如硅片表面織構(gòu)化所生成的金子塔尖端的狀態(tài)就對(duì)等離子體放電產(chǎn)生影響，而目前硅片的電導(dǎo)率的不同也影響到等離子場(chǎng)的均勻性。另外 管式PECVD的氣流是從石英管一端引入，這樣也會(huì)造成工藝氣體分布的不均勻。板式PECVD系統(tǒng)使用了襯底板作為電極，而且采用勻氣的Shower系統(tǒng)，但是由于襯底板在長(zhǎng)期加熱后會(huì)有稍微的翹曲，從

8、而造成平行板電極間距的不一致，也會(huì)造成片間不均勻。另外，等離子體直接法在大面積沉積時(shí)會(huì)造成由于高頻波長(zhǎng)所帶來(lái)的附加的不均勻性。各種方法制備的薄膜的質(zhì)量也略有不同，原則上講，由于直接法中的等離子體直接作用于硅片表面，因此均勻性要好一些，而間接法等離子體是離子離化后形成 SiNx擴(kuò)散到硅片表面的，薄膜的質(zhì)量較為酥松，而磁控濺射由于其工作方式的原因，薄膜最為酥松。對(duì)于致密的薄膜，其鈍化特性和減反射特性都要優(yōu)越得多。 幾種PECVD技術(shù)的薄膜質(zhì)量的比較列于表4中。表4 各種PECVD技術(shù)制備的薄膜質(zhì)量當(dāng)然，這種比較也是在某些特定的沉積條件下的一般性的比較，改變沉積條件可以改變薄膜的特性。 四 結(jié)論目前，產(chǎn)業(yè)化的SiNx鍍膜技術(shù)還在不斷的發(fā)展，每一種技術(shù)都有其特性點(diǎn)，也都有其不足。太陽(yáng)電池向著新型特種結(jié)構(gòu)和工藝的方向發(fā)展，對(duì)氮化硅膜提出了一些新的要求。例如，有一種新型太陽(yáng)電池要求雙面鍍膜，正面鍍氮化硅，背面鍍二氧化