管式PECVD法沉積的SiyNx/SiOxNy疊層膜的研究

王貴梅，許志衛，靳迎松，朱少杰，王少麗

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法沉積的氮氧化硅(SiOxNy，下文簡寫為“SiON”)薄膜在帶隙寬度、折射率、應力方面均可調整[1]。SiON薄膜的制備方式為：在常規的PECVD工序中，引入反應氣體N2O，與NH3和SiH4發生反應，從而生成SiON薄膜。通過改變反應氣體N2O、NH3和SiH4的流量配比及沉積時間，即可改變SiON薄膜的膜層組分及膜厚[2]。在太陽電池鈍化層制備過程中，氮化硅(SiyNx，下文簡寫為“SiN”)薄膜與SiON薄膜的膜層設置較為關鍵，二者有多種搭配組合方式，除了需要與實際產線相匹配之外，還需要考慮將太陽電池的電性能與光伏組件的CTM(用于表征因封裝造成的光伏組件輸出功率損失程度)均達到最優狀態，從而確定最佳的SiN薄膜與SiON薄膜的膜層設置方案。

本文采用管式PECVD法，以SiH4、NH3、N2O作為反應氣體制備SiON薄膜，利用橢偏儀測試薄膜的膜厚及折射率，從中找出最優膜厚及折射率控制標準；然后結合SiN薄膜已有的制備工藝，制備出SiN/SiON疊層膜，并對SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜的光學性能，以及分別采用這2種薄膜的太陽電池的電性能進行了分析，以期可以通過采用此疊層膜大幅改善太陽電池鈍化膜的特性，從而提升太陽電池的光電轉換效率和抗電勢誘導衰減(PID)性能。

1 實驗準備

1.1 實驗材料及儀器

采用尺寸為158.75 mm×158.75 mm 的p型直拉單晶硅片，厚度為180 μm，電阻率為0.4～1.1 Ω·cm。利用管式PECVD設備在硅片上分別沉積SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜。

利用EMPro-PV橢偏儀測試薄膜的膜厚和折射率；利用RC反射儀測試薄膜的反射率；利用WAVELABS-SINUS-200設備檢測成品太陽電池的電性能；利用WCT120測試成品太陽電池的反向飽和電流密度J0；利用QEX10測試成品太陽電池的量子效率QE。

1.2 實驗方法

在硅片正面鍍制不同反應氣體流量配比下的SiN/SiON疊層膜，鍍膜順序依次為：硅片→第1層為SiN薄膜→第2層為SiN薄膜→第3層為SiN薄膜→第4層為SiON薄膜→第5層為SiON薄膜。

通過調整各個膜層的反應氣體流量配比，使第1層的SiN薄膜達到提高界面態鈍化的效果，膜厚約為15 nm；使第2層與第3層的SiN薄膜起到降低疊層膜整體折射率、減少消光、增加光透射率、增大光吸收率的作用；使第4層與第5層SiON薄膜起到進一步降低疊層膜的反射率、增大其光吸收率的作用。

在SiN/SiON疊層膜的制備過程中，對鍍膜時間進行控制，以便得到合適的膜厚，從而使制備的SiN/SiON疊層膜在光學性能與電性能方面均優于SiN薄膜，使其表現出更好的減反射與鈍化效果。

2 結果與討論

2.1 膜層的膜厚、折射率及反射率數據

采用管式PECVD法制備SiON薄膜時，可通過調節反應氣體流量配比改變薄膜的折射率：若SiH4的流量高，則SiON薄膜的折射率高；由于SiON薄膜中的Si主要來源于SiH4，O主要來源于N2O，因此增加N2O的流量，可降低SiON薄膜的折射率，此時薄膜的成分趨近于SiO2；若增加NH3和SiH4的流量，可提高SiON薄膜的折射率，此時薄膜的成分會趨近于SiN[3]。

為研究SiN薄膜與SiON薄膜的光學性能，選取實驗硅片20片，然后通過控制SiN薄膜和SiON薄膜的鍍膜時間、脈沖比等參數，制備分別鍍有SiN薄膜和SiN/SiON疊層膜的太陽電池各10片，測試這2種膜層的膜厚、折射率及反射率數據，然后取平均值。測試結果如表1所示。

表1 2種膜層的膜厚、折射率及反射率數據對比Table 1 Comparison of film thickness，refractive index and reflectance data of two types of coatings

由表1可知，相較于SiN薄膜，SiN/SiON疊層膜中增加了O含量，膜層的穩定性和透明性會更好[4]，因此相對于SiN薄膜的反射率為2.11%，SiN/SiON疊層膜的反射率降至1.80%。

SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜在不同波長范圍內的反射率曲線如圖1所示。

由圖1可知，在370～460 nm的短波波段內，SiN/SiON疊層膜的反射率明顯低于SiN薄膜的反射率，在中長波波段(600～1100 nm)內，這2種膜層的反射率之間的差異不大。綜上，SiN/SiON疊層膜在短波波段具有明顯的反射率優勢。

圖1 SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜在不同波長范圍內的反射率曲線Fig. 1 Reflectance curves of SiN film and SiN/SiON laminated film in different wavelength ranges

利用PC1D軟件對在硅片上制備的SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜的光學性能情況進行模擬，模擬結果如表2所示。

表2 SiN薄膜與SiN/SiON疊層膜的光學性能對比Table 2 Comparison of optical performance of SiN film and SiN/SiON laminated film

由表2可知，相較于SiN薄膜，SiN/SiON疊層膜在反射率和光吸收率方面均具有優勢；且在SiN/SiON疊層膜工藝下硅基的光吸收率為98.50%，比SiN薄膜工藝下硅基的光吸收率提升了0.90%。

2.2 太陽電池的J0數據

取功率檔相同的太陽電池，其中，采用SiN薄膜的太陽電池(下文簡稱為“常規太陽電池”)10片，采用SiN/SiON疊層膜的太陽電池(下文簡稱為“SiN/SiON疊層太陽電池”)10片，分別測試這2種太陽電池的準中性區基區和發射極區中復合產生的反向飽和電流密度J01和由空間電荷區中復合產生的反向飽和電流密度J02，測試結果如圖2所示。

圖2 2種太陽電池的J01和J02對比Fig. 2 Comparison of J01 and J02 of two kinds of solar cells

由圖2可知，SiN/SiON疊層膜太陽電池的J01與J02均比采用SiN薄膜的常規太陽電池的低，這主要與SiN/SiON疊層膜中SiN薄膜和SiON薄膜界面處的界面態密度均較低有關[5]，使太陽電池表面的鈍化效果得到提高，從而降低了其J01與J02。

2.3 太陽電池的QE數據

取功率檔相同的常規太陽電池和SiN/SiON疊層膜太陽電池各2片，利用QEX10測試這4片太陽電池的QE，并繪制其QE曲線，具體如圖3所示。

圖3 4片太陽電池的QE曲線Fig. 3 QE curve of four pieces of solar cells

由圖3可知，SiN/SiON疊層膜太陽電池在300～460 nm波段的QE較高，表現出了優秀的短波響應能力。原因可能歸因于2個方面：一方面，由于SiN/SiON疊層膜較好的減反射效果增加了硅基的光吸收率，這與SiN/SiON疊層膜在短波波段的反射率優勢相吻合；另一方面，SiN/SiON疊層膜擁有較好的鈍化效果及較低的界面態密度，使發射極附近的表面復合和結區復合更少。以上2種原因綜合提高了SiN/SiON疊層膜太陽電池在短波波段的QE[6]。

2.4 太陽電池的電性能數據

取功率檔相同的常規太陽電池和SiN/SiON疊層膜太陽電池各1200片，對這2種太陽電池的電性能進行測試，然后取平均值。以常規太陽電池的電性能數據為基準值，計算得到SiN/SiON疊層膜太陽電池的電性能數據變化情況，具體如表3所示。

表3 相較于常規太陽電池的電性能數據，SiN/SiON疊層膜太陽電池電性能數據的變化情況Table 3 Comparison with electrical performance data of conventional solar cells，changes of electrical performance data of SiN/SiON laminated film solar cells

由表3可知，SiN/SiON疊層膜太陽電池的Eta比采用SiN薄膜的常規太陽電池的Eta高0.07%，Voc高0.5 mV，Isc高45 mA。綜合前文中SiN/SiON疊層膜的反射率數據，以及采用該疊層膜的太陽電池的J01、J02和QE數據可以發現，SiN/SiON疊層膜太陽電池Eta的提升主要是得益于SiN/SiON疊層膜的光透射率的增加和薄膜自吸收系數降低所帶來的硅基光吸收率的提升，以及界面態密度的降低和鈍化效果的增強。

2.5 光伏組件的PID數據

通常，在制備SiN/SiON疊層膜太陽電池中的SiN/SiON疊層膜時，膜層順序是將SiON薄膜鍍在疊層的最外層，但由于太陽電池制成光伏組件后會疊加上封裝材料的反射，致使采用該種疊層膜的太陽電池難以展現出其短路電流的優勢，導致最終封裝得到的光伏組件的輸出功率損失偏高。而本文實驗制備的SiN/SiON疊層膜是將2層SiON薄膜鍍在SiN層的外面，使最外層的SiON薄膜的折射率比次外層SiON薄膜的折射率低，提升了疊層膜整體的減反射效果。

分別將常規太陽電池和SiN/SiON疊層膜太陽電池制成相應的光伏組件(下文將這2種光伏組件分別簡稱為“常規光伏組件”和“SiN/SiON疊層膜光伏組件”)，然后對這2種光伏組件的電性能和CTM進行測試，CTM的值越高表明光伏組件的輸出功率越高。測試結果如表4所示。

表4 2種光伏組件的電性能和CTM測試結果Table 4 Electrical performance and CTM test results of 2 kinds of PV modules

從表4中可以看出，相較于常規光伏組件，SiN/SiON疊層膜光伏組件的CTM值更大，表現更為優秀。

從上述常規光伏組件和SiN/SiON疊層膜光伏組件中分別選取標稱功率相同的光伏組件各5塊，進行PID測試。PID測試時，在光伏組件上施加-1500 V的電壓，在高溫、高濕(85 ℃，85%RH)的條件下[7]，測試196 h。在此過程中，光伏組件的輸出功率會隨著時間的推移顯著下降，因此對測試前、后光伏組件的輸出功率進行統計，并計算得到光伏組件的輸出功率損失PL數據，然后取平均值，結果如表5所示。

表 5 PID測試后2種光伏組件的PL數據Table 5 PL values of two kinds of PV modules after PID test

由表5可知，PID測試后，SiN/SiON疊層膜光伏組件的PL為1.95%，與常規光伏組件的PL(2.51%)相比，抗PID性能提升了約22%。這主要是因為SiN/SiON疊層膜有較好的致密性和表面鈍化效果，從而有效阻擋了Na+侵入太陽電池，減弱了PID效果[8]。

3 結論

本文利用管式PECVD設備沉積了SiN薄膜和SiN/SiON疊層膜，分別測試了這2種膜層的光學性能，并對比了采用SiN薄膜的太陽電池及采用SiN/SiON疊層膜的太陽電池的電性能；對采用這2種膜層的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失情況進行了測試。結果顯示：SiN/SiON疊層膜能夠增加光的吸收率，提升太陽電池的短波響應能力，利用SiON薄膜低界面態密度可減少復合、增強鈍化的特性，使采用SiN/SiON疊層膜的太陽電池的光電轉換效率比采用SiN薄膜的太陽電池的光電轉換效率提高了0.07%；利用SiN/SiON疊層膜抗氧化、抗鈉離子的特性，提升了光伏組件的抗PID性能，相較于采用SiN薄膜的光伏組件，采用SiN/SiON疊層膜的光伏組件的抗PID性能提升了22%。