PECVD氮化硅薄膜工艺参数研究

第３１卷第５期２０１１年９月

云南师范大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹｕｎｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔ

Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．５

Ｓｅｔ．２０１１ＰＥＣＶＤ氮化硅薄膜工艺参数研究＊

张树明１，２，　廖华１＊，　何京鸿１，　尹云坤３，　胡俊涛３，　罗群２（１云南师范大学太阳能研究所，云南昆明６５００９２；２昆明医学院，云南昆明６５００３２；

３云南天达光伏科技股份有限公司，云南昆明６５００９２）

摘　要：　根据太阳电池组件的结构和封装材料特性，设计出硅太阳电池片减反射薄膜的最佳厚度和折射率，利用泰勒公式进行优化ＰＥＣＶＤ制备氮化硅薄膜的工艺参数。通过实验，找出适合中电４８所工业生产用管式ＰＥＣＶＤ制备氮化硅薄膜的工艺参数。

关键词：　ＰＥＣＶＤ氮化硅减反射膜；工艺参数；优化

中图分类号：　ＴＫ５１３ 文献标识码：　Ａ 文章编号：　１００７－９７９３（２０１１）０５－００２８－０５

１　引　言

效率更高、成本更低的太阳电池是光伏人永远追求的目标。集减反射膜和钝化膜于一身的ＰＥＣＶＤ氮化硅薄膜相比传统工艺减少了工艺流程，在低温（４０００Ｃ以下）制备并易于大规模生产而引起光伏界广泛瞩目，ＰＥＣＶＤ设备也因此成为太阳电池生产线的核心设备之一。由于ＰＥＣＶＤ沉积氮化硅薄膜对太阳电池组件吸收光谱具有较理想的折射率匹配，厚度容易控制，减反射效果非常明显，大大增加了太阳电池对太阳光谱的吸收利用；同时对太阳电池的表面态和体内缺陷有较好的钝化作用，提高了电池的开路电压和短路电流，对提高太阳电池的效率有非常明显的贡献；另外，氮化硅薄膜有非常好的热稳定性和化学稳定性，能有效阻挡可移动离子和水汽渗入［１，２，５］，对延长器件的使用寿命极为有利。

等离子体增强化学气相沉积，简称ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ），是

一种射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术［３］，其技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，然后通入适量的反应气体，气体在电场作用下离化，形成等离子体，经过一系列化学反应，在样品表面形成固态薄膜。目前，有大量的文献报道了ＰＥＣＶＤ的进展状况，大多是对实验室的研究结果进行了报道，企业由于商业保密需要而不愿公开发表自己的真实数据，所以很难在文献上见到生产线上的研究结果。本文对在国内占有一定市场份额的中电４８所管式ＰＥＣＶＤ镀膜设备进行镀膜实验，目的是研究、探索出一套适合工业生产的镀膜工艺参数。

２　薄膜的光学设计

减反射薄膜的光学性能主要是由它的厚度和折射率决定，在设计减反射膜时必须考虑组件的结构和封装材料的光学性质。常规封装的太阳电池结构为：玻璃／ＥＶＡ／ＳｉＮＸ减反射膜／电池片／ＥＶＡ／ＴＰＴ，其太阳电池表面以上光学结构和等

＊收稿日期：２０１１－０３－２３

作者简介：张树明（１９６４－），男，陕西汉中人，硕士，讲师，主要从事光伏科学与工程方面研究．通讯作者：廖华，博士，研究员．

效界面如图１所示

。图１　太阳电池的光学结构及其等效图Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　Ｏｐ

ｔｉｃａｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＳｏｌａｒＣｅｌｌ　ａｎｄ　Ｉｔ＇ｓ　

Ｓｋｅｔｃｈ三层薄膜组合光学系统的特征矩阵为：

［］

ＢＣ＝∏３ｊ＝１ｃｏｓδｊｉηｊｓｉｎδｊ

ｉη

ｊｓｉｎδｊｃｏｓδ熿燀燄燅烅烄烆烍烌烎ｊ１ηｊ＋［］

１其中ｊ＝１，２，３

理想的单层增透薄膜厚度条件是其光学厚度

具有四分之一波长的整数倍［４］

。如果玻璃、ＥＶＡ

的封装厚度为λ０／４（λ０是中心波长）

的奇数倍而ＳｉＮｘ薄膜的厚度为λ０／４时，该光学系统有最小反射率，其特征矩阵变为

［］

ＢＣ

＝

０

ｉｎ１ｉｎ１熿燀

燄燅００ｉｎ２ｉｎ２熿燀燄燅００ｉｎ３ｉｎ３熿燀燄燅

０×

１ｎ［］

Ｓ

＝

－

ｉｎ２ｎＳｎ１ｎ－ｉ

ｎ１ｎ３

ｎ熿燀

燄

燅２ 式中，ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎＳ分别是玻璃、

ＥＶＡ、氮化硅膜、硅基电池片的折射率。

系统的组合光学导纳

Ｙ＝ＣＢ＝ｎ２１ｎ２

３

ｎ２

２ｎＳ

系统的反射率为

Ｒ＝

ｎ０－Ｙｎ０＋（）Ｙ

２

＝ｎ０ｎ２２ｎＳ－ｎ２１ｎ２３ｎ０ｎ２２ｎＳ＋ｎ２１ｎ（）

２

３

２

常规的封装材料，ｎ１＝１．３８，ｎ２＝１．４９，ｎＳ＝

３．８。设ｎ３＝

ｎ，则　Ｒ（ｎ）＝

８．４３６　３８－１．９０４　

４ｎ２８．４３６　３８＋１．９０４　

４ｎ（）

２

２

由于Ｒ（ｎ）存在最小值，

求得减反射薄膜的理想折射率为

ｎ＝８．４３６　３８１．槡

９０４　

４≈２．

１此时，薄膜的光学厚度为中心波长的１／４，

若取中心波长λ０＝６３５ｎｍ，求得薄膜的厚度ｄ＝７６ｎｍ．即薄膜的折射率为２．１、厚度为７６ｎｍ时，

对波长为６３５ｎｍ的光获得理想的减反射效果。

３　工艺参数优化方法

氮化硅薄膜在太阳电池上的作用是减反射和

钝化，因此薄膜的品质可以这样定义：

Ｇ＝ｄ＋ｎ＋τ

式中，Ｇ表示薄膜的品质，ｄ为薄膜的厚度，ｎ为折射率，τ为少子寿命。

影响成膜的主要因素有反应气体流量比、衬底温度、反应室气压、淀积时间、射频频率及功率六个因素。但由于设备的功率源频率设定在１３．５６ＭＨｚ

，电源又极为昂贵，功率源已设定为８５０Ｗ，为避免在调节电源功率的过程中造成损坏，本研究仅对ＮＨ３／ＳｉＨ４流量比（ｒ，ｓｃｃｍ）

、衬底温度（Ｔ，０

Ｃ）、反应室气压（ｐ，

Ｐａ）、淀积时间（ｔ，ｓ

）四个参数进行研究。因此，薄膜的品质可以表示成这四个参数的函数，即

Ｇ＝Ｇ（ｒ，Ｔ，ｐ，ｔ）＝ｄ（ｒ，Ｔ，ｐ，

ｔ）＋ｎ（ｒ，Ｔ，ｐ，ｔ）＋τ（ｒ，Ｔ，ｐ，ｔ）用泰勒公式近似表示为：

Ｇ（ｒ，Ｔ，ｐ，ｔ）＝Ｇ（ｒ０，Ｔ０，ｐ０，ｔ０）＋ Ｇ（ｒ０，Ｔ０，ｐ０，ｔ０） ｒ（ｒ－ｒ０）＋ Ｇ（ｒ０，Ｔ０，ｐ０，ｔ０） Ｔ（Ｔ－Ｔ０）＋ Ｇ（ｒ０，Ｔ０，ｐ０，ｔ０） ｐ

（ｐ－ｐ０）＋ Ｇ（ｒ０，Ｔ０，ｐ０，ｔ０）

ｔ（ｔ－ｔ０）分别找出影响薄膜品质的ｄ、ｎ、τ的主要因素，就可对本设备的工艺参数进行优化。

４　实　验

实验采用１２５ｍｍ×１２５ｍｍ　Ｐ型＜１００＞Ｃｚ硅片，实验前用５％稀释氢氟酸浸泡１０ｍｉｎ以去除氧化层，

利用氢氧化钠溶液进行绒面制备，清洗烘干后用作基底材料。高纯ＳｉＨ４和ＮＨ３作反应气源，工业Ｎ２用作清洗气路和稀释尾气。沉积设备为中电４８所生产的管式ＰＥＣＶＤ的生产线专

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ＥＣＶＤ氮化硅薄膜工艺参数研究