太阳能电池PECVD工艺参数对生长氮化硅薄膜影响的研究

摘要：氮化硅膜是对提高太阳能电池光电转换效率有重要作用的减反射膜。文章介绍了氮化硅膜的钝化作用和减反射作用，陈述了PECVD生长的氮化硅薄膜的基本性质，以156mm×156mm型号的多晶硅太阳电池片为例，结合实际测量数据，分析了在淀积过程中温度、硅烷氨气流量比和射频功率等工艺参数对氮化硅薄膜的生长及其性质的影响。

关键词：PECVD；工艺参数；氮化硅膜；太阳能电池

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0014-02

太阳能是一种绿色环保的新能源，制备氮化硅（Si3N4）减反射膜是制造高效率太阳能电池的重要环节。氮化硅膜通常采用PECVD技术生成。PECVD又称等离子体增强化学气相淀积，淀积过程中，硅烷氨气流量比、射频功率、温度、淀积时间等工艺参数的变化对氮化硅薄膜的生长均有影响。

1 氮化硅膜在太阳能电池中的作用

通常SiNx中的Si/N值为0.75，即Si3N4，而实际PECVD淀积氮化硅的化学计量比会随工艺的不同而变化，Si/N变化的范围在0.75～2之间。PECVD的氮化硅薄膜中，除了含有Si和N元素，一般还包含一定比例的氢，即SixNyHz或SiNx︰H。

利用PECVD技术在硅片表面淀积的氮化硅薄膜，可以使薄膜前后两个表面产生的反射光相互干扰，从而抵消反射光，达到减反射的效果，增加对太阳光的吸收，提高光生电流密度，从而提高电池的转换效率。同时，氮化硅膜中的H降低了表面复合速率，带来更小的暗电流和更高的开路电压，提高了光电转换效率。另外高温瞬时退火会断裂一些Si-H、N-H键，游离出来的H与缺陷及晶界处的悬挂键结合，减少了界面态密度和复合中心，达到对电池的钝化效果。

2 氮化硅膜的PECVD法制备

CVD（全称为Chemical Vapor Deposition）即化学气相沉积。CVD技术主要有以下几种：APCVD（常压，700℃～1000℃）、LPCVD（低压，750℃）、PECVD（等离子体增强型，300℃～450℃）。

氮化硅是在半导体技术中常用的一种钝化材料。制作氮化硅的方法很多，其中PECVD技术由于反应气体简单、灵活性高、温度要求低、淀积速率快等优点而被广泛采用。制备Si3N4薄膜的化学反应方程式为：SiH4＋NH3Si3N4＋H2。

氮化硅薄膜的基本制备方法是：采用低温等离子体作能量源，将样品置于低压辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法淀积的薄膜厚度在80nm左右，这样厚度的薄膜具有良好的光学特性。

3 影响氮化硅膜生长的工艺参数

PECVD生长氮化硅薄膜涉及到的主要工艺参数有：时间、温度、气体流量、压力、射频功率、脉冲开关时间。下面主要针对气体流量比、射频功率、温度、淀积时间、压强五个因素进行分析：

3.1 NH3与SiH4流量比

当NH3流量增加，薄膜生长速率加快，但随着膜层中H含量的上升，膜层中Si-H键、N-H键的数量也随之增多，氮化硅膜质地变得疏松。如果提高氨气流量，则会使膜中富含N元素，从而导致膜的绝缘性下降。同样，硅烷流量的增大将提升膜中Si元素的含量，这也会使膜的绝缘性变差。若气体流量比过大，会使反应室内气体浓度增加，气体分子平均自由程变小，淀积到表面的反应生成物减少，导致淀积速率随流量增加反而减少。

3.2 射频功率

随着射频功率的增大，反应加速，氮化硅薄膜生长速率加快。射频功率继续加大，极板间的电压更大，基片上的氮化硅膜在轰击作用的影响下变得更加结实和致密，随着功率再进一步提高，就出现了类似“溅射”的现象，阻碍了氮化硅膜的继续生长。高射频功率将带来高腐蚀速率。因此适当降低功率不仅可以减少基片表面损伤，获得均匀且致密的膜层，也使得反应更易于控制。

3.3 温度因素

在PECVD生长氮化硅薄膜的过程中，基片表面存在等离子体的沉积和挥发两种机制，随着温度的升高，沉积机制占主导，但随着温度继续升高，两种机制逐渐平衡，当温度继续升到某一临界值以后平衡被打破，挥发大于沉积，导致高温下淀积生长薄膜的速率有所下降。

3.4 淀积时间

淀积时间通常应结合其他工艺参数进行设置，淀积时间太短，膜厚及折射率达不到要求，淀积时间太长，则会造成工艺气体的浪费，增加工艺成本，同时也会影响淀积膜的质量，而由于膜层中存在的机械应力问题，当膜厚过厚时，薄膜会开裂甚至剥落。

3.5 反应压强

过低的压强将导致薄膜淀积速率变慢，生长出的氮化硅膜的折射率也较低。较大的压强可以增大薄膜的淀积速率，但是会造成均匀性差的问题，容易产生干涉条纹。

4 实验数据分析

基于上文分析，为了在不降低淀积速率的基础上获得较好的氮化硅膜的厚度、质量、反射率等特性，我们采用淀积两层膜的方法。这样不仅减少了对基片表面的损伤，而且双层膜可以减少氢离子的溢出，从而获得更好的钝化效果，这对太阳能电池片的电性能有较大改善。

以156×156mm型号多晶硅太阳电池片为片源，取40片样品，淀积前的工序均采用正常工艺，为了消除前段工序影响，采用混批处理分成两组，每组约20片，膜厚控制在85nm、折射率为2.07。测试数据如下：

双层膜：反射率5.06%、最低点波长708nm、Uoc0.607mV、Isc8.384mA、FF76.98、Eta16.09。

单层膜：反射率6.00%、最低点波长710nm、Uoc0.605mV、Isc8.342mA、FF76.75、Eta15.93。

从实验数据看来，双层膜比单层膜反射率高约0.09%，双层膜对短波的减反射效果比单层膜好。

（说明：Uoc表示开路电压，Isc表示短路电流，填充因子FF为UmaxImax与UocIsc的比值，Eta表示入射太阳能转化为有效电能的效率。）

5 结语

采用PECVD技术生长太阳能电池氮化硅减反射膜时，影响氮化硅膜生长的工艺参数有气体流量比、射频功率、温度、镀膜时间、压强等。经过分析发现薄膜淀积速率随气体流量比的增大而增大；随射频功率的增大先增大后减小；随温度的升高先升高后下降；反应气体必须处于低真空下，而且其真空度只允许在一个较窄的范围内变动；淀积时间不易过长，否则易造成膜层开裂剥落。通过双层膜样品的淀积、测量和分析，发现双层膜工艺不仅可以降低氮化硅膜的反射率，还可以获得更好的钝化效果。

参考文献

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[2] 胡晨明，R.M.怀特．太阳电池[M]．北京：北京大学出版社，1990．

[3] Harold J.Hovel．太阳电池[M]．四机部第六研究所，1982.

[4] 沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术[M]．北京：化学工业出版社，2005．

作者简介：韩萌（1980-），女，江苏南京人，南京信息职业技术学院讲师，硕士，研究方向：微电子；罗群霞（1988-），女，江苏江阴人，江阴鑫辉太阳能有限公司工程师，研究方向：微电子；张渊（1963-），女，江苏南京人，南京信息职业技术学院副教授，研究方向：光电子。