太陽電池沉積條件對(duì)氮化硅薄膜性能的影響

太陽電池沉積條件對(duì)氮化硅薄膜性能的影響

0pecvd氮化硅薄膜隨著結(jié)晶技術(shù)的發(fā)展和硅氮膜的廣泛應(yīng)用，硅太陽池成為21世紀(jì)照明市場(chǎng)的主力軍。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PlasmaEnhancedChemicalVapourDeposition,簡(jiǎn)稱PECVD)制備的氮化硅薄膜作為鈍化層,具有良好的絕緣性,致密性,穩(wěn)定性并能有效地阻止B、P、Na、As、Sb、Ge、Al、Zn等雜質(zhì)的擴(kuò)散,尤其是對(duì)Na+。有實(shí)驗(yàn)表明,氮化硅薄膜對(duì)Na+擴(kuò)散有很強(qiáng)的屏蔽作用。在600℃下熱擴(kuò)散22h后,Na+擴(kuò)散長(zhǎng)度小于200,而在相同條件下Na+貫穿了SiO2薄膜,在硅和二氧化硅的界面上出現(xiàn)了Na+堆積。因此,用氮化硅薄膜作鈍化膜可以大大減輕Na+對(duì)器件的不良影響。作為減反射膜,氮化硅不僅具有良好的光學(xué)性能和化學(xué)性能,還能對(duì)硅片起到表面和體內(nèi)鈍化作用,全面提高電池的電學(xué)特性。PECVD氮化硅薄膜中除了Si-N成分以外,還含有相當(dāng)可觀的氫和氧。薄膜的含H量較高,可達(dá)20~30%(原子百分?jǐn)?shù))。過高的含H量對(duì)膜的結(jié)構(gòu)、密度、折射率、應(yīng)力及腐蝕速率等均有不利影響。但適量的H會(huì)對(duì)表面起鈍化作用。硅和氮化硅界面處電荷的表面態(tài)密度很高。這種表面態(tài)對(duì)表面附近運(yùn)送中的載流子會(huì)起到陷阱或復(fù)合中心的作用。氫鈍化能有效降低表面復(fù)合速率,增加少子壽命,從而提高太陽電池效率。雖然一系列文獻(xiàn)都報(bào)道了PECVD制備的氮化硅薄膜能夠有效降低表面復(fù)合速率,增加少子壽命,從而提高太陽電池的效率,但采用PECVD沉積薄膜的過程中,硅烷和氨氣的何種配比對(duì)于鈍化有最佳效果,國(guó)內(nèi)目前還沒有系統(tǒng)的研究。本工作利用橢圓偏振儀、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)衰減法(QSSPCD)、X射線光電子能譜(XPS)、紅外吸收光譜(IR)、反射譜等多種測(cè)量方法,研究了不同硅烷和氨氣配比條件所沉積氮化硅薄膜的性能,以及沉積溫度對(duì)于氮化硅性能的影響,優(yōu)化出最佳的氣體流量和沉積溫度,在多晶硅太陽電池上沉積了氮化硅薄膜,比較了沉積前后電池的各項(xiàng)性能,確認(rèn)經(jīng)氮化硅鈍化后電池效率提高了40%以上,電池的短路電流也提高了30%以上,對(duì)于電池的開路電壓也提高很大。1少子路徑能譜分析1.1實(shí)驗(yàn)條件1.2實(shí)驗(yàn)過程1)實(shí)驗(yàn)中用PECVD在硅片上制備了氮化硅薄膜。并用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)衰減法(QSSPCD)、橢圓偏振儀、紅外吸收光譜(IR)、X射線光電子能譜儀等手段,測(cè)量了少子壽命、薄膜厚度、折射率、氫含量、Si/N比、反射譜等參數(shù)。2)多晶硅太陽電池制備用下述工藝過程制備具有氮化硅薄膜的多晶硅太陽電池,硅片清洗→擴(kuò)散制結(jié)→做鋁背場(chǎng)→做上下電極→沉積氮化硅薄膜,并測(cè)量它的電學(xué)特性。2結(jié)果2.1關(guān)于氮和硅的比較2.1.1不同硅烷和氨氣配比下的硅薄膜厚度圖1是在單晶硅襯底上,固定反應(yīng)時(shí)間為5.5min,溫度為360℃,以不同硅烷和氨氣配比所沉積氮化硅薄膜厚度的變化。從圖1可以看出,隨著硅烷和氨氣配比的加大,沉積氮化硅薄膜的速度有明顯變化,薄膜厚度成比例增長(zhǎng)。2.1.2硅烷和氨氣配比對(duì)硅薄膜性能的影響圖2是在單晶硅襯底上,固定反應(yīng)時(shí)間為5.5min,溫度為360℃,以不同硅烷和氨氣配比沉積氮化硅薄膜后折射率的變化。從圖2中可以觀察到,隨著硅烷和氨氣比率的加大,所沉積的氮化硅薄膜的折射率也逐漸加大,SiH4∶NH3在7:1時(shí)達(dá)到最佳值2.0。2.1.3單晶硅的少子壽命圖3是固定反應(yīng)時(shí)間為5.5min,溫度為360℃,在單晶硅和多晶硅上分別沉積不同配比的氮化硅后所測(cè)得少子壽命。從圖3中可以清楚的看出,SiH4∶NH3在5∶1時(shí),單晶硅的少子壽命達(dá)到最大值,繼續(xù)加大硅烷和氨氣的比率,少子壽命又有明顯的下降。比較圖3中的兩條曲線可以知道,硅烷和氨氣在5∶1時(shí),單晶硅和多晶硅沉積的氮化硅薄膜都獲得最高的少子壽命。2.1.4sih4與nh3配比對(duì)氫含量的影響圖4為使用美國(guó)Nicolet公司的670FT-IR紅外光譜儀測(cè)得紅外吸收光譜。圖中,強(qiáng)度最高的是830cm-1的Si-N伸縮振動(dòng)峰。Si-O伸縮振動(dòng)峰在1080cm-1。其它兩個(gè)吸收峰都和氫有關(guān),N-H伸縮振動(dòng)峰在3330cm-1,Si-H伸縮振動(dòng)峰在2160cm-1。根據(jù)W.A.LanfordandMJ.Rand的方法,在SiH4與NH3的配比分別為2:1,3∶1,4∶1,5∶1,6∶1,7∶1六個(gè)條件下,氫含量分別為:幾乎為0;1.52×1017cm-2;2.08×1017cm-2;3.26×1017cm-2;3.15×1017cm-2;以及3.67×1017cm-2。隨著硅烷于氨氣比例的加大,氫含量總體呈緩慢上升的趨勢(shì),只有在SiH4與NH3的配比為6∶1時(shí)出現(xiàn)反常,可能是由于氣流不穩(wěn)定造成的。2.1.5氣體流量對(duì)碳化硅薄膜si/n的影響使用英國(guó)VG公司的MKⅡ的光電子能譜儀測(cè)量了薄膜中的Si/N,圖5表示了氣體流量對(duì)氮化硅薄膜中Si/N的影響,從下圖可以看出,在SiH4∶NH3小于5∶1時(shí),Si/N趨于常值0.75,即所生成的氮化硅為Si3N4,是正常配比,繼續(xù)加大SiH4于NH3的比例,則趨向于富硅。2.1.6隨著si和n的變化圖6是氮化硅薄膜的折射率隨Si/N的變化,從圖中可以觀察到,折射率隨Si/N的增加而增加。2.1.7反射率和波長(zhǎng)的變化圖7、8是在單晶硅和多晶硅上,以不同配比沉積氮化硅薄膜的反射率。由圖可知,隨著硅烷和氨氣配比的加大,對(duì)于單晶硅和多晶硅,反射率都呈下降趨勢(shì)。在SiH4∶NH3為5∶1時(shí),反射率出現(xiàn)極小。從圖中可以看出對(duì)于吸收波長(zhǎng)在600~1000nm之間的太陽電池,氮化硅薄膜是優(yōu)質(zhì)的減反射膜。從以上分析可以得出結(jié)論:在SiH4∶NH3為5∶1時(shí)是沉積氮化硅薄膜的最佳條件,在此比例下,薄膜中的H含量、少子壽命以及反射率都達(dá)到最佳值,而且薄膜的折射率也達(dá)到1.833,接近最佳折射率2.0。2.2單晶硅和聚合物少子壽命在以上配比研究中,采用的沉積溫度為360℃,為了優(yōu)化沉積溫度獲得良好的表面鈍化,又進(jìn)行了以下研究。從圖中可以看出在220℃~260℃,單晶硅和多晶硅少子壽命提高都不大,而在260~360℃,少子壽命都急劇增大,繼續(xù)升高溫度,少子壽命增幅又趨于平緩?？梢?提高沉積溫度對(duì)于增加單晶硅和多晶硅的少子壽命都有作用,可能是溫度的升高有助于減少Si/SiNX界面的界面態(tài),減少表面復(fù)合,從而提高樣品的表觀少子壽命。2.3電池性能指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)中使用的多晶硅電池面積為1×1cm2,上電極是Ti/Pd/Ag,背面是Al背場(chǎng)。采用以上研究的最佳沉積條件,即SiH4∶NH3=5∶1,沉積溫度為360℃,時(shí)間為5.5min。在沉積氮化硅薄膜前后,多晶硅電池各項(xiàng)性能指標(biāo)變化如下表3所示。由表3可以看出電池的各項(xiàng)性能都有所提高,經(jīng)計(jì)算沉積氮化硅薄膜后提高多晶硅太陽電池的效率達(dá)40%以上,電池的短路電流提高了30%以上,對(duì)于電池的開路電壓提高也很大。3氮化硅薄膜的沉積和硬化本文采用橢圓偏振儀、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)衰減法(QSSPCD)、X射線光電子能譜(XPS)、紅外吸收光譜(IR)、反射譜多種測(cè)量方法,研究了不同硅烷和氨氣配比下所沉積氮化硅薄膜的厚度,折射率,氫含量以及Si/N比,發(fā)現(xiàn)在SiH4∶NH3為5∶1時(shí)是沉