多年來(lái),，晶體硅太陽(yáng)電池以其較高的性價(jià)比占領(lǐng)了光伏市場(chǎng)約90%的份額。但是裸硅片的反射率較高,，當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池表面時(shí),，反射率高達(dá)33％，光損失較大,，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的載流子減少,，引起電池效率下降。因此減少光在電池表面的反射就變得很有必要,，根據(jù)薄膜干涉原理,，在電池表面鍍一層或多層薄膜，可以有效減少光的反射,，這種膜屬于減反膜[1,，2]。氮化硅薄膜具有高的化學(xué)穩(wěn)定性,、高電阻率,、絕緣性好、硬度高,、光學(xué)性能良好等特性,，在半導(dǎo)體器件、微電子工業(yè),、光電子工業(yè),、太陽(yáng)能電池等方面具有廣泛的應(yīng)用,。近年來(lái)，氮化硅薄膜作為太陽(yáng)能電池的減反射膜越來(lái)越引起人們的關(guān)注,。作為減反射膜,，氮化硅薄膜具有良好的光學(xué)性能[3]。如果將氮化硅薄膜設(shè)計(jì)成不同厚度的多層膜,，合理匹配各層之間的厚度和折射率,，就可以拓展電池對(duì)光的吸收，進(jìn)一步降低硅表面的光反射,，還可以使電池的轉(zhuǎn)換效率明顯提高,，同時(shí)也可以提高氮化硅膜對(duì)電池的鈍化作用。

　　目前現(xiàn)代規(guī)?；a(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池都用制作雙層氮化硅薄膜,，可以一定程度的擴(kuò)大薄膜的反射帶增加光吸收，但也存在一些問(wèn)題,，如鈍化效果差,、短波光吸收較少等。所以,，關(guān)于沉積三層氮化硅薄膜的研究逐漸展開(kāi),，實(shí)驗(yàn)證明，沉積三層氮化硅薄膜對(duì)提高電池的減反射和轉(zhuǎn)換效率都非常明顯,。

　　目前,，氮化硅薄膜的主要制備技術(shù)有等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）[1][4，9],、螺旋波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（HWP-CVD）[10],、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD），射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（RF-PECVD）,，電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ECR-PECVD）等[3],。其中，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）由于在制備大面積,、高均勻度薄膜時(shí)所呈現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)而成為制備氮化硅薄膜的主要方法之一[10],。

　　研究生產(chǎn)高效多晶硅太陽(yáng)電池沉積三層氮化硅薄膜的工藝，首先應(yīng)從其光學(xué)原理出發(fā),。由于在太陽(yáng)電池表面沉積薄膜是要能起到表面減反射的作用,，所以必須要使多層膜滿足折射率n的關(guān)系：

　　n1>n2>n3

　　在太陽(yáng)電池表面沉積的三層氮化硅薄膜的作用分別為：第一層氮化硅薄膜要沉積在電池上表面，這層薄膜的主要作用是鈍化硅片,，提高電池的少子壽命,，所以薄膜的折射率要大，致密性要好。第二層氮化硅膜是緩沖層,，覆蓋在第一層膜的上表面,。這層膜的作用是盡可能降低因第一層膜的高折射率而產(chǎn)生的高消光系數(shù)，可以削弱n1和n3界面間的反射,。因第一層膜的折射率n1遠(yuǎn)大于第三層膜的折射率n3,，所以中間要增加一個(gè)折射緩變層。第三層膜氮化硅膜沉積在第二層膜的上表面,。使三層氮化硅膜整體的等效厚度及折射率滿足晶體硅電池的減反射條件,，要同時(shí)盡可能降低薄膜間的消光系數(shù)，使更多的光透過(guò)該層進(jìn)入下面的各層中,。

　　三層氮化硅薄膜的互補(bǔ)作用對(duì)電池起到很好的減反射效果,，對(duì)提高電池的減反射和轉(zhuǎn)換效率都非常明顯,，存在最大問(wèn)題是大約有五分之一的電池表面整體顏色不均勻,，大大降低電池的合格率。為使三層氮化硅薄膜技術(shù)能在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，必須要解決電池表面色差的問(wèn)題,，保證產(chǎn)品的合格率和優(yōu)等品率。

　　2.1間斷性沉積三層氮化硅薄膜

　　用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）沉積三層氮化硅薄膜,，一般可使用氨氣（NH3）和硅烷（SiH4）作為等離子氣體源,。輝光放電將氨氣和硅烷電離，二者發(fā)生反應(yīng),，生成氮化硅薄膜沉積在冶金多晶硅電池表面,，反應(yīng)公式：

　　制備的氮化硅薄膜主要含有Si、N,、H等三種元素,。其中氨氣與硅烷的流量比決定了薄膜中三種元素的含量，對(duì)每層氮化硅薄膜的折射率和鈍化效果影響都很大,；而各層薄膜的沉積時(shí)間對(duì)膜厚和折射率影響也非常大[11],。

　　如果將一般的連續(xù)沉積三層氮化硅薄膜，改為間斷性沉積三層氮化硅薄膜技術(shù),，即：沉積每層薄膜后,，要有一定停頓時(shí)間，讓真空沉積室中剩余的氣體基本都能沉積,，可使薄膜結(jié)構(gòu)趨于完整,。同時(shí)，反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的氫元素,，可與多晶硅電池表面和體內(nèi)的懸掛鍵,、缺陷結(jié)合，形成電中性復(fù)合體,，降低電池的復(fù)合中心,，提高電池的少子壽命,，在一定程度上降低硅中晶界的活性稱為氫鈍化。良好的氫鈍化可增大電池的開(kāi)路電壓和短路電流,，提高電池的轉(zhuǎn)換效率,。

　　2.2調(diào)整沉積薄膜反應(yīng)氣體的流量比

　　根據(jù)每層氮化硅薄膜的作用，在沉積各層薄膜過(guò)程,，仔細(xì)調(diào)整反應(yīng)氣體（氨氣,，硅烷）的比例。第一層氮化硅是致密性要求很高,，所以要加大硅烷氣體的流量,，反應(yīng)可以產(chǎn)生充分的Si，使得此層薄膜能起到良好的表面鈍化效果,。

　　經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),，這種方法明顯改善了原來(lái)電池表面氮化硅膜色差較嚴(yán)重的問(wèn)題，生產(chǎn)的電池表面色差從20%降到3%以下,；電池平均轉(zhuǎn)換效率從17.01%提高至17.40%,；而三層氮化硅薄膜電池整體反射率要比雙層氮化硅薄膜的低，在650nm中心波長(zhǎng)處最低為0.621%,，短波范圍,，三層氮化硅薄膜電池的表面反射率有很大的改善[7]。

　　利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在晶體硅上沉積的三層氮化硅薄膜,，相比目前常見(jiàn)的雙層氮化硅薄膜,，其三層薄膜的互補(bǔ)作用對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池起到很好的減反射效果，明顯改善了電池對(duì)入射光的吸收,。而進(jìn)一步優(yōu)化工藝,，將三層薄膜的連續(xù)沉積薄膜改為間斷性沉積，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整沉積時(shí)間和反應(yīng)氣體的流量比,，可以使氮化硅薄膜的致密性大大提高,，且鈍化效果良好，明顯提高了多晶硅太陽(yáng)電池的少子壽命和降低電池的反向漏電流等性能,，且極大的改善了原本工藝中出現(xiàn)的電池表面氮化硅膜色差較嚴(yán)重的問(wèn)題,。

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韓菲1 李健2

1.燕京理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，2.內(nèi)蒙古大學(xué)理工學(xué)院

　　氮化硅薄膜作為表面介質(zhì)層在傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)電池制造中被廣泛應(yīng)用,它能夠很好地鈍化多晶硅片表面及體內(nèi)的缺陷和減少入射光的反射,。氮化硅膜層中硅的含量增高,折射率和消光系數(shù)均相應(yīng)增高,隨之氮化硅對(duì)光的吸收就會(huì)增強(qiáng),所以高折射率、高消光系數(shù)的薄膜不適合作為減反膜,但是相應(yīng)地增加硅的含量,表面鈍化作用呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)[1],。為了兼顧氮化硅膜層的鈍化和減反射效果,對(duì)于多晶太陽(yáng)電池普遍采用雙層氮化硅膜的減反射膜層,即先淀積一層高折射率的氮化硅可以更好地鈍化太陽(yáng)電池的表面,然后生長(zhǎng)低折射率的氮化硅用于降低表面反射率,從而有效的提高了太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率,。理論上采用多層氮化硅減反射膜層通過(guò)不斷降低折射率,能夠更好的鈍化太陽(yáng)電池表面和降低表面反射率[2]。本文研究的是利用PECVD制作三層氮化硅膜以及其對(duì)多晶太陽(yáng)電池的影響。

　　本實(shí)驗(yàn)采用156×156多晶硅片,電阻率1～3Ω·cm,厚度180um的P型硅片,所有硅片除PECVD工藝外,其它都經(jīng)過(guò)相同的處理過(guò)程,。首先硅片經(jīng)過(guò)HF和HNO3的混合溶液進(jìn)行制絨,然后經(jīng)過(guò)820℃～870℃的POCl3擴(kuò)散,接著進(jìn)行濕法刻蝕去背結(jié),。再經(jīng)過(guò)管式PECVD制作氮化硅減反射膜,PECVD過(guò)程中分別采用傳統(tǒng)雙層膜工藝和本文設(shè)計(jì)的三層膜工藝各做一組實(shí)驗(yàn),采用Sentech的SE400測(cè)試監(jiān)控氮化硅膜的折射率以及厚度。傳統(tǒng)雙層氮化硅膜工藝:第一層膜(與硅表面接觸的那一層)折射率為2.3左右,厚度為30nm,第二層膜折射率為2.0左右,厚度為55nm;本文設(shè)計(jì)的三層膜結(jié)構(gòu)為第一層膜折射率為2.35以上,厚度為10nm,第二層氮化硅薄膜的折射率為2.15左右,厚度為25nm,第三層氮化硅薄膜的折射率為2.0以內(nèi),厚度為50nm,。

　　PECVD鍍完膜厚,通過(guò)反射率測(cè)試儀分別對(duì)采用雙層和三層氮化硅膜工藝的實(shí)驗(yàn)片在波長(zhǎng)300～1200nm之間進(jìn)行反射率測(cè)試,用WT2000少子壽命測(cè)試儀分別對(duì)采用雙層和三層氮化硅膜工藝的實(shí)驗(yàn)片進(jìn)行少子壽命抽測(cè),抽測(cè)樣片數(shù)量為實(shí)驗(yàn)總片數(shù)的10%,。最后經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)印刷制作背電場(chǎng)及前后電極并進(jìn)行燒結(jié)做成電池片,在光照AM1.5,溫度25℃的條件分別測(cè)試兩組實(shí)驗(yàn)片的電性能。

　　通過(guò)反射率測(cè)試儀分別采用雙層氮化硅膜和三層氮化硅膜工藝所做實(shí)驗(yàn)片進(jìn)行反射率測(cè)試,波長(zhǎng)選擇300～1200nm,反射率曲線如圖1所示,?？梢钥闯鲈诙滩ú糠?300～500nm)三層氮化硅比雙層氮化硅膜具有更低的反射率?？赡苁怯捎谡凵渎蕪墓杵韺酉蛲庵饾u遞減三層氮化硅膜,能使入射的太陽(yáng)光在內(nèi)部多次反射和干涉,更大程度的增加了入射光的吸收,達(dá)到更好的減反射效果,。

　　通過(guò)WT2000少子壽命測(cè)試儀對(duì)雙層氮化硅膜和三層氮化硅膜兩種鍍膜工藝所做實(shí)驗(yàn)片鍍膜前后的少子壽命進(jìn)行監(jiān)測(cè),抽測(cè)樣片數(shù)量為實(shí)驗(yàn)總片數(shù)的10%,并計(jì)算出鍍膜前后少子壽命的增加量,根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)三層氮化硅膜鍍膜前后的少子壽命增加量比雙層氮化硅膜的高。采用雙層氮化硅膜工藝的實(shí)驗(yàn)片的少子壽命增加量的平均值為7.2us,采用三層氮化硅膜工藝的實(shí)驗(yàn)片少子壽命的增加量平均值為12.7us,。分析原因應(yīng)該是由于三層氮化硅膜底層的氮化硅膜層(即與硅片表面接觸的那層氮化硅膜層)對(duì)硅片表面鈍化和體內(nèi)鈍化的更好,所以鍍膜前后的少子壽命增加量比較大,少子壽命的提升有利于太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的提高,。

　　將雙層和三層氮化硅膜所做的太陽(yáng)電池分別進(jìn)行電性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中看出,三層膜的太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓比雙層膜的提高2mV,另外三層膜太陽(yáng)電池的短路電流也比雙層膜的提高了0.05A,。分析原因開(kāi)路電壓的提高應(yīng)該與三層氮化硅膜的少子壽命高于雙層膜,鈍化效果較好有關(guān);而短路電流的提升主要是由于三層膜的實(shí)驗(yàn)片短波部分反射率較雙層膜的低,從而增加了光的吸收,所以短路電流略有提高,。開(kāi)路電壓與短路電流的提升,最終使三層氮化硅膜多晶太陽(yáng)電池比傳統(tǒng)雙層膜的光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.15%。

　　在太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化中利用PECVD對(duì)多晶硅片進(jìn)行沉積氮化硅減反射膜,采用三層氮化硅膜工藝能更好的整合氮化硅膜層的減反射效果與體表面的鈍化效果,。更高的底層折射率的氮化硅膜具有更好的體表面鈍化效果,可以進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓,折射率逐漸降低的三層氮化硅膜層能更好的降低太陽(yáng)電池短波部分的反射率,提高太陽(yáng)電池的短路電流,批量實(shí)驗(yàn)表明三層氮化硅膜的多晶太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率較雙層膜的有所提升,所以多晶太陽(yáng)電池采用三層氮化硅減反射膜比雙層氮化硅減反射膜更有利于提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

　　[1]王曉泉,汪雷,席珍強(qiáng),等.PECVD淀積氮化硅薄膜性質(zhì)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2004年03期.

　　[2]毛贛如,原小杰.等離子體增強(qiáng)CVD氮化硅作硅太陽(yáng)電池的減反射膜[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1988(3):286-290.

孫占峰王偉

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