板式PECVD氮化硅薄膜工艺研究.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期板式 氮化硅薄膜工艺研究邹臻峰谢湘洲赵增超(湖南红太阳光电科技有限公司 湖南 长沙)【摘摘要要】本文采用微波等离子增强化学气相沉淀技术在单晶硅衬体上高速沉积一层氮化硅薄膜 通过对比实验系统研究了沉积压强、气体流量、微波功率、温度等工艺参数对氮化硅薄膜沉积速率、折射率的影响分析其产生机理 通过优化氮化硅沉积的工艺参数采用分步沉积氮化硅工艺测试对比两者内量子效应和光谱反射率得出分步沉积氮化硅工艺在 短波段反射率更低进一步降低了氮化硅薄膜对光的反射率 同时在 的长波段内量子效应增强表明提升氮化硅薄膜的钝化效果最终实现晶硅太阳能电池效率提升 为优化生产工艺奠定了良好基础【关关键键词词】氮氮化化硅硅 薄薄膜膜【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】().【】.【】作者简介:邹臻峰()男湖南娄底本科高级工程师研究方向:光伏太阳能晶硅电池 技术和扩散技术 引言随着传统能源不断耗竭短缺以及带来的温室效应环境污染加剧恶化各国聚焦于新能源的研发应用 光伏太阳能作为一种新能源因其可再生、无污染在国内外得以迅猛发展 目前国内太阳能电池生产中采用等离子增强化学气相 沉淀()法制备氮化硅薄膜的设备主要分为 大类型:直接式管式炉和间接式板式型 板式 相比管式炉具有薄膜均匀性好、对样品表面损伤轻、优良的表面钝化、沉积速率快等优势适合于工业大规模生产和制备高效单晶硅太阳能电池 国内早已有一系列文献报道了 制备氮化硅薄膜的工艺研究李攀等采用直接式管式炉通过高低射频制备低应力氮化硅薄膜李婷婷等同样采用直接式管式炉通过功率和压强优化得到致密性高的富硅氮化硅薄膜 但是在采用离域间接法板式 沉积氮化硅薄膜工艺方面国内很少有文献涉及 本文旨在研究不同工艺参数下沉积氮化硅薄膜对其生长速率和折射率的影响以期达到指导生产和优化工艺的目的 氮化硅薄膜概述氮化硅薄膜作为一种多功能材料在光伏太阳能晶硅电池上作为一种减反射和钝化薄膜具有不可替代的作用 采用 法制备的氮化硅薄膜具备晶硅太阳能电池减反射膜层的多方面优势:()优良的减反射光学性能其折射率随着/比能在 宽范围内变化对以硅为衬体的太阳能电池组件吸收光谱具有较理想的折射率匹配()极优的钝化效果:薄膜中的氢原子对晶硅电池表面缺陷、体缺陷、界面悬挂键填充饱和大大降低少数载流子在硅表面的复合速率和体复合速率同时:薄膜中储存的正电荷密度达/以上对晶硅电池 发射极具有电场钝化作用()良好的热稳定性和化学稳定性能有效阻挡、等碱金属离子和水汽渗入 目前采用 法制备氮化硅薄膜已普遍应用于生产硅太阳能电池的减反射层 实验过程实验选取 型单晶硅在()制备金字塔经过磷扩散等离子刻蚀边缘和 去除表面的磷硅玻璃 设备使用德国 公司生产的氮化硅沉积系统 组微波源等离子频率为 沉积使用气体为硅烷()和氨气()在不同工艺压强、微波峰值功率、硅烷氨气流量比下沉积氮化硅薄膜采用 椭偏仪测试信息记录材料 年 月 第 卷第 期其膜厚、折射率 采用 太阳能电池/测试仪测试成品太阳能电池内量子与反射率 间接法板式 原理间接法板式 氮化硅沉积系统采用微波作为激励将 气体电离成等离子体 被激励的等离子体通过一根狭窄的石英管进入反应器撞击 使其电离反应并沉积到样品上 反应器两端的磁控系统使其等离子密度集中增强其密度使得沉积速率更快 同时由于样品远离了等离子体使样品表面损伤大大减少见图 图 间接法板式 原理图 不同沉积参数对薄膜性质的影响()工艺压强对薄膜性质的影响图 是不同工艺压强对沉积速率和折射率的影响从折射率与压强的曲线中可以看出在一定条件下随着工艺压强的增大折射率呈单调递增关系 而沉积速率随着工艺压强的增大逐渐降低图 压强对沉积速率和折射率的影响()不同气体流量比对薄膜性质的影响在硅烷气体流量不变的条件下改变氨气流量观察不同气体流量比对沉积速率和折射率的影响见图 从气体流量比(/)与压强的曲线中可以看出折射率随着气体流量比的增大而线性降低沉积速率随着流量比的增加单调递增()沉积功率对薄膜性质的影响图 是不同沉积功率对沉积速率和折射率的影响从图中可以看出在一定条件下随着沉积功率的增加沉图 气体流量比(/)对沉积速率和折射率的影响积速率逐渐升高折射率逐渐降低图 功率对沉积速率和折射率的影响 ()沉积温度对薄膜性质的影响图 是不同沉积温度对沉积速率和折射率的影响从图中可以看出在一定条件下随着沉积温度的增加沉积速率呈现降低趋势而折射率逐渐升高图 温度对沉积速率和折射率的影响 优化后的工艺方案和电性能效率对比通过一系列优化实验最终得出的工艺方案见表 并对成品晶硅电池的电性能效率进行对比见表 结果讨论图 中沉积速率随工艺压强的增大而线性降低主要原因是当反应室压力增加电子与气体粒子的碰撞机会增多电子温度降低气体分子被激发和电离的活性粒子数降低从而降低沉积速率 在等离子体中电子和离子做热运动 假设它们的速率服从麦克斯韦分布取电子热运动速率为 质量为 则电子温度 用式()、式()定义:信息记录材料 年 月 第 卷第 期表 分步沉积工艺工艺配方氨气/硅烷/压力/功率/温度/膜厚/折射率 表 成品晶硅电池的电性能效率对比实验编号转换效率/开路电压/短路电流/串联电阻/填充因子/并联电阻/反向暗电流/计数 ()()式()中 为常数 为电场强度 为损失系数 为压力 从式中可以看出电子温度 正比于/同时在高的工艺压强下活性粒子之间更易发生重组减少了参与氮化硅薄膜化学沉积的有效离子流从而降低了沉积氮化硅薄膜的沉积速率 而折射率随着工艺压强的增大而增大其机理为压强增大和 电离的化学反应平衡被打破使沉积的薄膜中 含量更高 等在大规模工业生产中采用微波等离子增强化学气相沉淀技术沉积氮化硅薄膜从而在太阳能电池上实现了表面钝化和体钝化从化学反应机理上解释了这一现象 假设在靠近石英管的周围对于氨气主要的化学反应为式():()而距离石英管较远一点的硅烷气体主要的化学反应为式()式():()()()()在较高的工艺压强条件下等离子被束缚在石英管的周围区域同时在距离石英管较远的区域电子的密度低于低压时的电子密度从而在高压条件下抑制了化学反应()和()的发生概率促进了化学反应()和()发生 最终导致了沉积的薄膜中 含量的增加如图 所示随着薄膜中硅含量的增加折射率线性增加 而由于氨气流量的增加沉积速率增大 在化学反应中反应速率的增加主要由物质传输和能量传输来决定 当在能量传输(足够大)一定的条件下化学反应速率随物质传输的增加而增大如图 所示在一定条件下薄膜沉积速率随着微波功率的增大而增加主要原因是在物质传输一定的条件下能量传输对化学反应速率起着主导作用 微波功率的增大增加了化学反应中的能量传输促进了化学反应向正反应方向进行在一定条件下折射率伴随着功率的增大而略微有所下降其机理为随着微波功率增加电离的等离子体数量增多 在一定范围内随着微波功率的增加氨气电离度的增幅高于硅烷(氨气的一级电离能:硅烷的一级电离能:)表现为相对更多的氨气电离参与化学沉积故而折射率有小幅度的下降 等曾对多晶硅太阳能电池中含 层 的表面钝化和体钝化结合进行研究发现在微波启动时氨气与硅烷气体电离采用残余气体分析仪监测得出氨气的电离利用率为 而硅烷的电离利用率为 随着微波功率的增加氨气电离度增幅相比硅烷电离度增幅更为显著如图 所示沉积速率随工艺温度的上升而降低主要原因为温度升高电子、离子动能增加运动加剧加速彼此之间的碰撞 电子、原子、离子等粒子在衬体表面吸附、沉积、分离运动是一个动态平衡的过程当温度上升加速了各类粒子在衬体表面的分离运动造成有效沉积的等离子数量的减少 高越等研究了氮化硅减反射膜制备工艺对组织结构及折射率的影响发现沉积温度从 到 保持其他工艺参数不变的条件下沉积在基片表面的硅原子基团迁移速率变大氮化硅致密性提高同时测得氮化硅折射率上升而折射率随着沉积温度的上升而小幅度增大其主要原因为温度上升离子之间的撞击加剧增加了 和气体的二次电离、多次电离的概率使沉积的氮化硅薄膜中 原子的含量降低从而使其折射率有所增大实验氮化硅沉积工艺对电池转换效率的提高在电性能上主要表现为开路电压和短路电流的增加 开路电压的增加主要因为采用分步沉积氮化硅底层氮化硅折射率的增加增加了氮化硅薄膜中的 键从而增强了氮化硅薄膜对太阳能电池表面的钝化性能而电池短路电流的增加主要因为采用双层减反射膜相比单层氮化硅薄膜进一步降低了光在晶硅太阳能电池表面的反射通过电池量子对比测试可以得出采用分步沉积工艺的实验组相比对比组在 短波段和 长波段内量子效应均有所提高尤其在短波段提升较为明显 在分步沉积氮化硅实验组中长波段的光信息记录材料 年 月 第 卷第 期谱响应提升再次验证了钝化性能的提升如图 所示而实验组短波段的光谱响应明显增强结合 组样品反射率的对比可知分步沉积工艺实验组相比对比组在 的反射率更低进而再次验证两者电性能对比中短路电流提升这一结果如图 所示图 电池内量子效应对比图 电池沉积氮化硅薄膜反射率对比 结语本文采用德国 板式 设备沉积制备氮化硅薄膜对各个工艺参数对氮化硅薄膜沉积速率和折射率的影响进行一系列实验研究和理论分析获得了如下研究结果:()在一定范围内氮化硅薄膜沉积速率随着气体流量的增大、微波功率的提高线性增大随着沉积温度和沉积压强的增大而逐渐下降 ()氮化硅薄膜折射率随着/比的增大而线性降低随着工艺压强的增大而线性增加在一定范围内当微波功率提高氮化硅薄膜折射率逐渐下降温度提高氮化硅薄膜折射率趋向提高()通过优化后采用分步沉积氮化硅工艺实现晶硅太阳能电池效率提升 【参考文献】朱敏.浅析太阳能在我国建筑领域的应用及发展.中国集体经济():.常艳霞.太阳能光伏发电的现状与前景.化工设计通讯 ():.李攀 张倩 夏金松 等.氮化硅薄膜性质及工艺研究.光学仪器 ():.李婷婷 周炳卿 闫泽飞.射频功率和沉积压强对富硅薄膜微结构的影响.内蒙古科技大学学报():.()/.:.:/./././:/.:.高越 王宙 付传起 等.氮化硅减反射膜制备工艺对组织结构及折射率影响的研究.真空科学与技术学报():.():.(上接第 页)帅英王献彪翟红侠.甲醛还原制备超细球形银粉的工艺研究.化工新型材料():.谈发堂王辉王维等.球形导电银粉的形貌与粒径控制.电子元件与材料():.梁敏唐霁楠林保平.电子材料用球形超细银粉的制备.中国粉体技术():.刘朋文明芬.超细银粉的制备及其粒径表征的研究.中国粉体工业():.丰荣娟李敏刘家祥.化学还原法制备小粒径金纳米粒子.材料工程():.刘锦涛马运柱刘文胜等.多形貌纳米银粒子的制备工艺研究.功能材料():.李雪飞 马飞文 陈京 等.银粉填充环氧树脂基导电高分子复合材料研究.全国高分子学术论文报告会.杨海鲸.超细银粉的制备及研究.昆明:昆明理工大学.大迫将也 中野谷太郎 球状銀粉 :株式会社.牟翔.填充型导电涂料的制备与电性能的研究.成都:电子科技大学.大坪 賢 明 平 田 等.球 状 銀 粉 製 造 方 法 :株式会社.