多晶硅太陽電池生產中PECVD的工藝與技術

王興榮/1.青海省聚能電力有限公司 2.身份證號碼:620421198701064169

多晶硅太陽電池生產中PECVD的工藝與技術

王興榮1.2/1.青海省聚能電力有限公司 2.身份證號碼:620421198701064169

太陽能是一種清潔的可再生能源。以光伏效應為基礎的太陽電池有著美好的應用前景。其中PECVD電池的制作工藝在高效低成本太陽電池的研究和生產中有著重要的地位。

PECVD等離子增強化學氣象沉積氮化硅減反射薄膜已經普遍應用于光伏工業中，目的是在晶體太陽電池表面形成減反射薄膜，同時達到了良好的鈍化作用。氮化硅薄膜的厚度和折射率對電池的性能都有重要的影響，以此來提高多晶硅電池轉換效率。

多晶硅太陽電池；表面結構；PECVD

目前眾多光伏企業都采用PECVD的方法在太陽能電池的表面沉積一層氮化硅減反射薄膜。這除了可以大大減少光線的反射率，它還起到了良好的表面鈍化和提鈍化效果，達到了提高電池的光電轉換效率和短路電流的目的。而氮化硅穩定的化學性質起到了抗腐蝕和阻擋金屬離子的目的，能夠為電池長期的保護。所以，高質量的氮化硅薄膜對太高電池的性能和質量都有重要作用。

1.PECVD的工作原理

化學氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)是反應物質在氣態條件下發生化學反應，生成固態物質沉積在加熱的固態基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。而PECVD是CVD的一種。

1.1 化學氣相沉積技術的方法：兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然后他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個很好的例子，它是由硅烷和氮反應形成的。半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，包括大范圍的絕緣材料，大多數金屬材料和金屬合金材料。

2.PECVD的原理

2.1 PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition） 等離子體增強化學氣相沉積 。等離子體：氣體在一定條件下受到高能激發，發生電離，部分外層電子脫落原子核，形成電子，正離子和中性粒子混合物組成的一種形態，這種形態就稱為等離子態即第四態。等離子體從宏觀來說也是電中性，但是在局部可以為非電中性。PECVD技術原理是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子化學活性很強，很容易發生反應，在硅片上沉積出所期望的薄膜。

2.2 PECVD薄膜沉積的微觀過程(等離子化學氣象沉積的主要過程）

等離子體化學氣象沉積（PECVD)技術是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態物質發生的化學反應，從而實現薄膜材料生長的一種新的制備技術。由于PECVD技術是通過反應氣體放點制備薄膜的，有效的利用了非平衡等離子體的反應特征，從根本上改變了反應體系的能量供給方式。

3.實驗

本實驗利用Centrotherm設備進行了實驗，并使用SE400型橢偏儀多薄膜的厚度和折射率進行了測量，實驗所用硅片為多晶硅。

3.1 PECVD的設備簡介

圖3 .1 是德國Centrotherm制造的管式PECVD設備圖。

管式OECVD主要的由工藝及電阻加熱爐，凈化推舟系統，氣路系統，電氣控制系統，計算機控制系統，真空系統，射頻系統等7大部分組成.

3.2 最佳氮化硅薄膜及其影星因素

最佳氮化硅薄膜：Si3N4膜的顏色隨著它的厚度的變化而變化，其理想的厚度是78～83nm之間，表面呈現的顏色是深藍色，Si3N4膜的折射率在1.9～2.1之間為最佳。其觀點轉換效率最高。

3.3 工藝條件和參數

PECVD工藝較為發雜，影響PECVD成膜均勻性和膜層折射率的參數很多 ，如溫度，高頻功率，沉寂壓力，SIH4流量，NH3流量，電極板間距等等。先選取以下條件：溫度：200～500℃，放電能力1～10eV，沉寂壓力：50～300Pa，壓力控制：閉環自動控制，沉積時間：30～300nm/min，裝片量：156mm ×156mm片方，144片/批或125mm ×125mm片方，168片/批。m ，回復真空時間RT→ 10 PA＜10min。

3.4 結果討論

折射率是影響電池轉換效率的關鍵因素，通過實驗我們發現折射率與溫度（t)，SI/N,膜厚，放電能力等各工藝參數均有一定的關系。在其他參數不變的情況下，僅改變溫度，其溫度與折射率的關系如圖 由圖可知溫度對折射率的影響并不大，溫度提高110℃，折射率僅提高0.03。在其他參數不變的情況下，僅改變NH3/SIH4比，其NH3/SIH4，比與折射率的關系如圖4，由圖可知，改變流量比折射率調高時非常明顯的，力量比影響的程度遠遠大于溫度對折射率的影響。

3.5 Si3N4膜的認識

Si3N4膜的顏色隨著它的厚度的變化而變化，其理想的厚度是73—77nm之間，表面呈現的顏色是深藍色，Si3N4膜的折射率在1.9—2.1之間為最佳，與酒精的折射率相乎，通常用酒精來測其折射率。

3.6 SiNx減反射機理

設 半導體，減反射膜，空氣的折射率分別為n2,n1,n0減反射膜厚度為d1,則反射率R為：

當上式分子為0.即 n0n2=n12 時，反射最小。對于電池片，n0=1,n2=3.87.則 n1=1.97.對于組件 n0=1.14,n2=3.87.則 n1=2.1.考慮到實際情況，一般選擇薄膜的折射率在2.0～2.1之間。

地面光譜能量峰值在0.5um，太陽能電池響應峰值在0.8-0.9um，減反射最好效果在0.6um左右(0.5um～0.9um)。當光學厚度等于四分之一波長時，反射率接近于零，即：

4.結束語

太陽能是人類未來的重要的綠色能源之一，具有非常巨大的開發優勢。硅材料儲量豐富，為地殼上出氧之外的豐度排第二。帶到26%之多。硅石是目前研究最透徹的半導體，已經形成多種成熟的工藝技術。然而現在已有的工業化生產的多晶硅太陽能電池的光電轉化效率為 1.6 距離我們的理想還有一定的距離 這還需要我們繼續努力為優化現有的工藝并開發更先進的工藝技術。

[1]施敏著．半導體器件物理與工藝（第二版）[M]．蘇州：蘇州大學出版社，2004，359—366.

[2]關旭東．硅集成電路工藝基礎[M]．北京：北京大學出版社，2003，122—156.