[摘要]为改善晶体硅太阳电池表面存在的问题，利用等离子增强化学气相沉积法在晶体硅上沉积的三层氮化硅薄膜，对晶体硅太阳能电池起到很好的减反射效果，明显改善了电池对入射光的吸收。将三层薄膜的连续沉积改为间断性沉积，可以使氮化硅薄膜的致密性大大提高，并极大的改善了原本工艺中出现的电池表面色差较严重的问题。
多年来，晶体硅太阳电池以其较高的性价比占领了光伏市场约90%的份额。但是裸硅片的反射率较高，当太阳光照射到太阳能电池表面时，反射率高达33％，光损失较大，导致太阳能电池产生的载流子减少，引起电池效率下降。因此减少光在电池表面的反射就变得很有必要，根据薄膜干涉原理，在电池表面镀一层或多层薄膜，可以有效减少光的反射，这种膜属于减反膜[1，2]。氮化硅薄膜具有高的化学稳定性、高电阻率、绝缘性好、硬度高、光学性能良好等特性，在半导体器件、微电子工业、光电子工业、太阳能电池等方面具有广泛的应用。近年来，氮化硅薄膜作为太阳能电池的减反射膜越来越引起人们的关注。作为减反射膜，氮化硅薄膜具有良好的光学性能[3]。如果将氮化硅薄膜设计成不同厚度的多层膜，合理匹配各层之间的厚度和折射率，就可以拓展电池对光的吸收，进一步降低硅表面的光反射，还可以使电池的转换效率明显提高，同时也可以提高氮化硅膜对电池的钝化作用。
目前现代规模化生产晶体硅太阳电池都用制作双层氮化硅薄膜，可以一定程度的扩大薄膜的反射带增加光吸收，但也存在一些问题，如钝化效果差、短波光吸收较少等。所以，关于沉积三层氮化硅薄膜的研究逐渐展开，实验证明，沉积三层氮化硅薄膜对提高电池的减反射和转换效率都非常明显。
目前，氮化硅薄膜的主要制备技术有等离子增强化学气相沉积法（PECVD）[1][4，9]、螺旋波等离子体增强化学气相沉积（HWP-CVD）[10]、低压化学气相沉积（LPCVD），射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD），电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PECVD）等[3]。其中，等离子增强化学气相沉积法（PECVD）由于在制备大面积、高均匀度薄膜时所呈现出来的优势而成为制备氮化硅薄膜的主要方法之一[10]。
1三层氮化硅薄膜的作用和结构
研究生产高效多晶硅太阳电池沉积三层氮化硅薄膜的工艺，首先应从其光学原理出发。由于在太阳电池表面沉积薄膜是要能起到表面减反射的作用，所以必须要使多层膜满足折射率n的关系：
n1>n2>n3
在太阳电池表面沉积的三层氮化硅薄膜的作用分别为：第一层氮化硅薄膜要沉积在电池上表面，这层薄膜的主要作用是钝化硅片，提高电池的少子寿命，所以薄膜的折射率要大，致密性要好。第二层氮化硅膜是缓冲层，覆盖在第一层膜的上表面。这层膜的作用是尽可能降低因第一层膜的高折射率而产生的高消光系数，可以削弱n1和n3界面间的反射。因第一层膜的折射率n1远大于第三层膜的折射率n3，所以中间要增加一个折射缓变层。第三层膜氮化硅膜沉积在第二层膜的上表面。使三层氮化硅膜整体的等效厚度及折射率满足晶体硅电池的减反射条件，要同时尽可能降低薄膜间的消光系数，使更多的光透过该层进入下面的各层中。
2沉积三层氮化硅薄膜的新工艺———间断性沉积
三层氮化硅薄膜的互补作用对电池起到很好的减反射效果，对提高电池的减反射和转换效率都非常明显，存在最大问题是大约有五分之一的电池表面整体颜色不均匀，大大降低电池的合格率。为使三层氮化硅薄膜技术能在产业化应用，必须要解决电池表面色差的问题，保证产品的合格率和优等品率。
2.1间断性沉积三层氮化硅薄膜
用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）沉积三层氮化硅薄膜，一般可使用氨气（NH3）和硅烷（SiH4）作为等离子气体源。辉光放电将氨气和硅烷电离，二者发生反应，生成氮化硅薄膜沉积在冶金多晶硅电池表面，反应公式：
制备的氮化硅薄膜主要含有Si、N、H等三种元素。其中氨气与硅烷的流量比决定了薄膜中三种元素的含量，对每层氮化硅薄膜的折射率和钝化效果影响都很大；而各层薄膜的沉积时间对膜厚和折射率影响也非常大[11]。
如果将一般的连续沉积三层氮化硅薄膜，改为间断性沉积三层氮化硅薄膜技术，即：沉积每层薄膜后，要有一定停顿时间，让真空沉积室中剩余的气体基本都能沉积，可使薄膜结构趋于完整。同时，反应会产生大量的氢元素，可与多晶硅电池表面和体内的悬挂键、缺陷结合，形成电中性复合体，降低电池的复合中心，提高电池的少子寿命，在一定程度上降低硅中晶界的活性称为氢钝化。良好的氢钝化可增大电池的开路电压和短路电流，提高电池的转换效率。
2.2调整沉积薄膜反应气体的流量比
根据每层氮化硅薄膜的作用，在沉积各层薄膜过程，仔细调整反应气体（氨气，硅烷）的比例。第一层氮化硅是致密性要求很高，所以要加大硅烷气体的流量，反应可以产生充分的Si，使得此层薄膜能起到良好的表面钝化效果。
经测试发现，这种方法明显改善了原来电池表面氮化硅膜色差较严重的问题，生产的电池表面色差从20%降到3%以下；电池平均转换效率从17.01%提高至17.40%；而三层氮化硅薄膜电池整体反射率要比双层氮化硅薄膜的低，在650nm中心波长处最低为0.621%，短波范围，三层氮化硅薄膜电池的表面反射率有很大的改善[7]。
3结语
利用等离子增强化学气相沉积法在晶体硅上沉积的三层氮化硅薄膜，相比目前常见的双层氮化硅薄膜，其三层薄膜的互补作用对晶体硅太阳能电池起到很好的减反射效果，明显改善了电池对入射光的吸收。而进一步优化工艺，将三层薄膜的连续沉积薄膜改为间断性沉积，通过仔细调整沉积时间和反应气体的流量比，可以使氮化硅薄膜的致密性大大提高，且钝化效果良好，明显提高了多晶硅太阳电池的少子寿命和降低电池的反向漏电流等性能，且极大的改善了原本工艺中出现的电池表面氮化硅膜色差较严重的问题。
参考文献：点击原文链接
韩菲1 李健2
1.燕京理工学院机电工程学院，2.内蒙古大学理工学院
对比：三层氮化硅减反射膜的工艺
摘要:本文研究了通过等离子气相沉积(PECVD)在多晶硅片上制作三层氮化硅减反射膜层,设计的折射率逐渐减小的三层氮化硅膜层能更好的钝化多晶硅片的体表面和减小光的反射,提高了多晶太阳电池的开路电压和短路电流,从而有效的提高了多晶太阳电池的光电转换效率。
氮化硅薄膜作为表面介质层在传统晶硅太阳电池制造中被广泛应用,它能够很好地钝化多晶硅片表面及体内的缺陷和减少入射光的反射。氮化硅膜层中硅的含量增高,折射率和消光系数均相应增高,随之氮化硅对光的吸收就会增强,所以高折射率、高消光系数的薄膜不适合作为减反膜,但是相应地增加硅的含量,表面钝化作用呈现增强趋势[1]。为了兼顾氮化硅膜层的钝化和减反射效果,对于多晶太阳电池普遍采用双层氮化硅膜的减反射膜层,即先淀积一层高折射率的氮化硅可以更好地钝化太阳电池的表面,然后生长低折射率的氮化硅用于降低表面反射率,从而有效的提高了太阳电池的光电转换效率。理论上采用多层氮化硅减反射膜层通过不断降低折射率,能够更好的钝化太阳电池表面和降低表面反射率[2]。本文研究的是利用PECVD制作三层氮化硅膜以及其对多晶太阳电池的影响。
本实验采用156×156多晶硅片,电阻率1～3Ω·cm,厚度180um的P型硅片,所有硅片除PECVD工艺外,其它都经过相同的处理过程。首先硅片经过HF和HNO3的混合溶液进行制绒,然后经过820℃～870℃的POCl3扩散,接着进行湿法刻蚀去背结。再经过管式PECVD制作氮化硅减反射膜,PECVD过程中分别采用传统双层膜工艺和本文设计的三层膜工艺各做一组实验,采用Sentech的SE400测试监控氮化硅膜的折射率以及厚度。传统双层氮化硅膜工艺:第一层膜(与硅表面接触的那一层)折射率为2.3左右,厚度为30nm,第二层膜折射率为2.0左右,厚度为55nm;本文设计的三层膜结构为第一层膜折射率为2.35以上,厚度为10nm,第二层氮化硅薄膜的折射率为2.15左右,厚度为25nm,第三层氮化硅薄膜的折射率为2.0以内,厚度为50nm。
PECVD镀完膜厚,通过反射率测试仪分别对采用双层和三层氮化硅膜工艺的实验片在波长300～1200nm之间进行反射率测试,用WT2000少子寿命测试仪分别对采用双层和三层氮化硅膜工艺的实验片进行少子寿命抽测,抽测样片数量为实验总片数的10%。最后经过丝网印刷制作背电场及前后电极并进行烧结做成电池片,在光照AM1.5,温度25℃的条件分别测试两组实验片的电性能。
通过反射率测试仪分别采用双层氮化硅膜和三层氮化硅膜工艺所做实验片进行反射率测试,波长选择300～1200nm,反射率曲线如图1所示。可以看出在短波部分(300～500nm)三层氮化硅比双层氮化硅膜具有更低的反射率。可能是由于折射率从硅片表层向外逐渐递减三层氮化硅膜,能使入射的太阳光在内部多次反射和干涉,更大程度的增加了入射光的吸收,达到更好的减反射效果。
通过WT2000少子寿命测试仪对双层氮化硅膜和三层氮化硅膜两种镀膜工艺所做实验片镀膜前后的少子寿命进行监测,抽测样片数量为实验总片数的10%,并计算出镀膜前后少子寿命的增加量,根据统计发现三层氮化硅膜镀膜前后的少子寿命增加量比双层氮化硅膜的高。采用双层氮化硅膜工艺的实验片的少子寿命增加量的平均值为7.2us,采用三层氮化硅膜工艺的实验片少子寿命的增加量平均值为12.7us。分析原因应该是由于三层氮化硅膜底层的氮化硅膜层(即与硅片表面接触的那层氮化硅膜层)对硅片表面钝化和体内钝化的更好,所以镀膜前后的少子寿命增加量比较大,少子寿命的提升有利于太阳电池开路电压的提高。
将双层和三层氮化硅膜所做的太阳电池分别进行电性能测试,结果见表1。从表1中看出,三层膜的太阳电池的开路电压比双层膜的提高2mV,另外三层膜太阳电池的短路电流也比双层膜的提高了0.05A。分析原因开路电压的提高应该与三层氮化硅膜的少子寿命高于双层膜,钝化效果较好有关;而短路电流的提升主要是由于三层膜的实验片短波部分反射率较双层膜的低,从而增加了光的吸收,所以短路电流略有提高。开路电压与短路电流的提升,最终使三层氮化硅膜多晶太阳电池比传统双层膜的光电转换效率提高了0.15%。
在太阳电池的产业化中利用PECVD对多晶硅片进行沉积氮化硅减反射膜,采用三层氮化硅膜工艺能更好的整合氮化硅膜层的减反射效果与体表面的钝化效果。更高的底层折射率的氮化硅膜具有更好的体表面钝化效果,可以进一步提高太阳电池的开路电压,折射率逐渐降低的三层氮化硅膜层能更好的降低太阳电池短波部分的反射率,提高太阳电池的短路电流,批量实验表明三层氮化硅膜的多晶太阳电池转换效率较双层膜的有所提升,所以多晶太阳电池采用三层氮化硅减反射膜比双层氮化硅减反射膜更有利于提高太阳电池的光电转换效率。
[1]王晓泉,汪雷,席珍强,等.PECVD淀积氮化硅薄膜性质研究[J].太阳能学报,2004年03期.
[2]毛赣如,原小杰.等离子体增强CVD氮化硅作硅太阳电池的减反射膜[J].太阳能学报,1988(3):286-290.
孙占峰王伟
西安黄河光伏科技股份有限公司
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