等离子体预处理对于太阳能电池性能的影响

李小玄 孙占峰 王伟 罗飞 孙涛 王宝磊

摘 要：在这个研究中，我们验证等离子体预处理对太阳能电池性能的影响，也就是SiNx：H层的性能。我们发现预处理的时间对于沉积物SiNx：H层影响比较小，较短的PECVD预处理时间，其钝化作用相对于长时间预处理更加有效。同时，预处理时间在300秒范围内对于太阳能板的效率起着次要作用。

关键词：太阳能板；钝化；PECVD；SiNx：H

1 介绍

表面钝化对于提高太阳能电池的转换效率至关重要。很多绝缘层（电介质）被运用到表面钝化的研究中，例如Al2O3[1-2]， a-Si[3]， SiC-H[4-5]， SiO2[6]等等。SiNx：H 表层具有减反射和钝化的作用[1]，在优化硅片表面已经成为了现代光伏技术中非常重要的部分。

SiNx：H薄膜不仅可以降低反射率减少光学损失，同时，因其含有大量的等离子体氢，降低了晶体硅表面杂质和缺陷的电活性，起到了优越的表面钝化和体钝化的作用[2]。SiNx：H目前可以通过等离子体增强化学气相沉积制做出来。因此大多数光伏生产商利用微波远程或者高频直接式反应器[3]。

等离子预处理是大多数提高钝化效果最普遍的一种处理方法。在太阳能电池等离子体预处理中，预处理气体一般采用NH3，Ar，和H2。NH3等离子预处理可以影响界面态密度[4]，其反应机理尚未明确。在这个课题中，我们将验证和讨论，在沉积物之前采用NH3的等离子预处理对硅片表面的影响和它对氮化硅膜层以及电性能的影响。

2 实验

用型号156mm×156mm，厚度200um和电阻率为1-3Ω·cm掺硼的P型多晶硅片。实验硅片除了PECVD预处理的时间不同，其余都经过一样的处理过程。首先，硅片被HF和HNO3的混合溶液腐蚀形成绒面。第二步，制绒后的硅片在850度，在液态源POCl3下进行扩散。接着，经过HF溶液蚀刻、清洗。清洗后，SiNx：H膜层就会通过等等离子体化学气相沉积（PECVD - RF 40 KHz）沉积在晶片的前表面上，SiH4 和 NH3在450度下作为气体源。在沉积SiNx：H层之前，其上表面被NH3作预处理，沉积SiNx：H 使用不同预处理时间。在膜层沉积之后，采用WT2000-PVN 测量少数载流子的寿命（图）。同时，使用准静态光电导系统测量有效少数载流子寿命、开路电压和饱和电流密度。通过测量结果研究SiNx：H膜层对硅片的钝化特性。用光谱仪测量表面反射率，用椭偏仪测量SiNx：H膜层的厚度和折射率。前表面和背表面的金属接触通过网版印刷银和铝浆通过烧结炉进行烧结。最后做成电池片。在光照AM1.5的条件测出电流电压特性。

3 实验结果和讨论

首先，研究PECVD预处理对多晶硅电池转换效率的影响。

图1

图1是在预处理时间300s以内（取点20-280间隔20），随着预处理时间的缩短电池转换效率（△EFF）的变化趋势。图1 指出，最好的转换效率在小于20秒的范围内得到，但是转换效率变化较小（≤0.06%）， 转换效率差小于0.1%。所有的△EFF值从 20秒到280秒预处理时间对比300秒的基础判定值来说，小于基础判定值的能量转换效率。这证明预处理时间（300秒范围内）对电池的转换效率影响不大。同时，较短的预处理时间可以缩短镀膜过程。对比用300秒预处理时间，减少预处理时间最高可以节省总过程12%的时间。

通过计算得出不同SiNx：H涂层的厚度和折射率变化的百分比，以预处理时间300秒作为基础值。SiNx：H膜层的厚度和折射率通过激光椭偏仪测得。根据图2可知，在预处理时间较短的时候，与300秒的预处理基础值相比较氮化硅膜的厚度和折射率改变不明显，波动在3% 和1%。它指出预处理时间对SiNx：H膜层的特性起较小影响。

进一步研究预处理时间对多晶硅片的影响，通过对镀膜后硅片少子寿命的测试，图3 显示，增加预处理时间少数载流子寿命的变化趋势。随着预处理时间的缩短，少子寿命测试呈增大趋势，特别是预处理时间20s的时候，少子寿命值最大，与图1结论一致，即在预处理时间20s时，电池转换效率最高。

图3

我们通过WCT120测量不同时间的预处理时间制成的电池片的有效载流子的寿命、开路电压和饱和电流密度，数据如表1所示。从表1可以看出，预处理时间短的电池片寿命比预处理时间长的寿命长，预处理时间短的饱和电流密度较小。因此，可以推断出经过较短时间预处理比长时间预处理对硅片的表面钝化效果更好。这种结果可能是因为硅片在预处理过程中会经受离子碰撞，而较短时间的预处理破坏性较小导致的[5]，另外经过较短时间预处理电池的开路电压较大。因此较短的预处理时间可以缩短镀膜时间以及形成较好的表面钝化特性。

表1 在不同时间长度的PECVD预处理下电池各性能数据

4 结束语

本文研究了PECVD预处理时间对硅太阳能电池的SiNx：H 膜层的结构特性影响，经过不同时间的预处理，我们通过测量有效少数载流子的寿命、开路电压和饱和电流密度可以反应出SiNx：H膜层的钝化效果。从实验结果可以看出，预处理时间对SiNx：H膜层结构性质影响不大，但是硅片表面的钝化作用在较短的PECVD预处理时间下更加显著，而它在300秒范围内的预处理时间里对电池的转换效率起着影响不大。

参考文献

[1]Alexander Hauser， Markus Spiegel， Peter Fath， Ernst Bucher， Influence of an ammonia activation prior to the PECVD SiN deposition on the solar cell performance Solar Energy Materials & Solar Cells 75 （2003） 357-362.

[2]王晓泉.PECVD淀积氮化硅薄膜性质研究[J].太阳能学报，2004，25（3）：341-344

[3]李琼，陈永兴.PECVD氮化硅薄膜的制备和研究[J].湖南大学学报，1996，23（1）：42

[4]Aberle AG. Surface passivation of crystalline silicon solar cells： a review. Progress in Photovoltaics： Research and Applications 8 （2000） 473-487.

[5]Chen Z， Rohatgi A， Ruby D. Silicon surface and bulkdefect passivation by low temperature PECVD oxidesand nitrides. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion， Hawaii，1994，1331-1334.