氮化硅薄膜光学性质的研究

氮化硅薄膜光学性质的研究摘要：氮化硅薄膜具有优良的光学性能，常用作太阳能电池表面的减反射材料。采用传统的退火炉和快速热退火炉进行了不同时间和温度下的退火比较，并研究了退火对薄膜光学性能的影响。研究发现：氮化硅薄膜经热处理后厚度降低，折射率先升高后降低。

关键词：太阳能电池；氮化硅薄膜；热处理

引言

由于有着良好的绝缘性，致密性，稳定性和对杂质离子的掩蔽能力，氮化硅薄膜作为一种高效器件表面的钝化层已被广泛应用在半导体工艺中。人们同时发现，在多晶硅太阳电池表面生长高质量氮化硅薄膜不仅可以十分显著地提高多晶硅太阳电池的转换效率，而且还可以降低生产成本。作为一种减反射膜，氮化硅不仅有着极好的光学性能(λ =6 3 2 ． 8 n m时折射率在 1 . 8 ～2． 5之间，而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率在 2 ． 1 ～2． 2 5 之间) 和化学性能，还能对质量较差的硅片起到表面和体内钝化作用，提高电池的短路电流。因此，采用氮化硅薄膜作为晶体硅太阳电池的减反射膜已经成为光伏界的研究热点。

1 . 氮化硅薄膜的光学性质

1 .1实验

本实验采用2cm×2cm×400um的单面抛光的P型<100>Cz硅片，在沈阳科仪中心PECVD400型真空薄膜生长系统中生长氮化硅薄膜。氮化硅薄膜制备过程如下：实验前使用乙醇和丙酮超声清洗样品15min以去除油污，然后用1号液(H20：

H202：NH3·H20=5：1：1)和2号液(H

20：H

2

O

2

：HCl=5：1：1)清洗，最后再使用

5％稀氢氟酸(HF)漂洗5min以去除氧化层，去离子水洗净烘干后放人反应室。采用硅烷(10％氮气稀释)和高纯氨气作为反应气体沉积氮化硅薄膜，其中沉积薄膜的生长参数如下：气体流量为硅烷30sccm、氨气60sccm、工作气压30Pa、射频频率 13．5MHz、沉积时间10min。沉积薄膜后，采用传统的退火炉和新兴的快速热退火炉进行了氩气保护下不同时间和温度下的退火比较，并测试了薄膜退火前后的厚度、折射率。

1.2结果和讨论

1.2.1热处理对薄膜厚度和折射率的影响

沉积薄膜后分别使用快速热处理炉和常规热处理炉进行了不同温度和不同时间的热处理，用薄膜测试仪测试样品的厚度和折射率，其结果如图1和图2所示。从图1和图2中可以看出，不管是快速热处理还是常规热处理，随着退火温度的升高，薄膜都出现了厚度降低的现象，而且在低于800℃时折射率会随之增加，但是当温度升至1000℃时折射率会发生突降。薄膜厚度随着退火温度升高而降低是因为在较高的温度下退火时，薄膜中的Si—H键和N—H键被打开，H 大量逸出，薄膜更加致密化，所以折射率也相应上升。但是在退火温度高于1000℃时可能薄膜被高温严重破坏，4种处理条件下均显示出折射率急剧降低，同时膜厚也降低，减反射性能下降。这说明为了保证减反射膜不受损害，氮化硅薄膜在沉积完之后应该避免800℃以上的温度处理。

从图l、图2还可以看出，薄膜在经历RTP和常规热处理的过程中，影响薄膜性质的主要因素是温度而不是时间，不同的处理时间得到的结果基本一致。说明薄膜的致密化在很短时间内就完成了，以后随着时间增加，致密化将越来越趋于饱和状态。从样品的表面形貌上发现，1000℃RTP处理后的薄膜表面部分出现了肉眼可见的裂纹，而常规热处理和400℃、600℃和800℃RTP处理的薄膜中却没有出现。这是因为和常规热处理相比，RTP处理有非常高的升温速率(约150℃，s)，如此大的热冲击和高温会引发薄膜在缺陷处产生裂纹。这说明在太阳电池的后续工艺中，应该尽量避免1000℃左右的高温处理，否则对太阳电池有致命的损害。

3.结论

研究表明：氮化硅薄膜经热处理后厚度降低，折射率升高，但温度达到1000℃时折射率急剧下降。利用氮化硅薄膜制作太阳能电池时要注意避免1000℃左右的高温处理，以免对太阳电池造成伤害，浪费资源。

4.氮化硅薄膜太阳能电池的应用与发展

近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的

把握。氮化硅薄膜太阳能电池可用于建筑表面、发电站、汽车、飞机等以获取储存能量备用，节约能源。

参考文献

【1】赵富鑫，魏彦章．太阳电池及其应用[ M] ．第 1版长沙：国防工业出版社．1 9 8 5 ．1 7 6 —1 7 7 ．

【2】龚灿锋, 席珍强, 王晓泉, 等. 热处理对氮化硅薄膜光学和电学性能的影响 [J ]. 太阳能学报, 2006 , 27 (3)