多晶硅太阳电池生产中PECVD的工艺与技术

王兴荣/1.青海省聚能电力有限公司 2.身份证号码:620421198701064169

多晶硅太阳电池生产中PECVD的工艺与技术

王兴荣1.2/1.青海省聚能电力有限公司 2.身份证号码:620421198701064169

太阳能是一种清洁的可再生能源。以光伏效应为基础的太阳电池有着美好的应用前景。其中PECVD电池的制作工艺在高效低成本太阳电池的研究和生产中有着重要的地位。

PECVD等离子增强化学气象沉积氮化硅减反射薄膜已经普遍应用于光伏工业中，目的是在晶体太阳电池表面形成减反射薄膜，同时达到了良好的钝化作用。氮化硅薄膜的厚度和折射率对电池的性能都有重要的影响，以此来提高多晶硅电池转换效率。

多晶硅太阳电池；表面结构；PECVD

目前众多光伏企业都采用PECVD的方法在太阳能电池的表面沉积一层氮化硅减反射薄膜。这除了可以大大减少光线的反射率，它还起到了良好的表面钝化和提钝化效果，达到了提高电池的光电转换效率和短路电流的目的。而氮化硅稳定的化学性质起到了抗腐蚀和阻挡金属离子的目的，能够为电池长期的保护。所以，高质量的氮化硅薄膜对太高电池的性能和质量都有重要作用。

1.PECVD的工作原理

化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。而PECVD是CVD的一种。

1.1 化学气相沉积技术的方法：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。

2.PECVD的原理

2.1 PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition） 等离子体增强化学气相沉积 。等离子体：气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外层电子脱落原子核，形成电子，正离子和中性粒子混合物组成的一种形态，这种形态就称为等离子态即第四态。等离子体从宏观来说也是电中性，但是在局部可以为非电中性。PECVD技术原理是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在硅片上沉积出所期望的薄膜。

2.2 PECVD薄膜沉积的微观过程(等离子化学气象沉积的主要过程）

等离子体化学气象沉积（PECVD)技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生的化学反应，从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术。由于PECVD技术是通过反应气体放点制备薄膜的，有效的利用了非平衡等离子体的反应特征，从根本上改变了反应体系的能量供给方式。

3.实验

本实验利用Centrotherm设备进行了实验，并使用SE400型椭偏仪多薄膜的厚度和折射率进行了测量，实验所用硅片为多晶硅。

3.1 PECVD的设备简介

图3 .1 是德国Centrotherm制造的管式PECVD设备图。

管式OECVD主要的由工艺及电阻加热炉，净化推舟系统，气路系统，电气控制系统，计算机控制系统，真空系统，射频系统等7大部分组成.

3.2 最佳氮化硅薄膜及其影星因素

最佳氮化硅薄膜：Si3N4膜的颜色随着它的厚度的变化而变化，其理想的厚度是78～83nm之间，表面呈现的颜色是深蓝色，Si3N4膜的折射率在1.9～2.1之间为最佳。其观点转换效率最高。

3.3 工艺条件和参数

PECVD工艺较为发杂，影响PECVD成膜均匀性和膜层折射率的参数很多 ，如温度，高频功率，沉寂压力，SIH4流量，NH3流量，电极板间距等等。先选取以下条件：温度：200～500℃，放电能力1～10eV，沉寂压力：50～300Pa，压力控制：闭环自动控制，沉积时间：30～300nm/min，装片量：156mm ×156mm片方，144片/批或125mm ×125mm片方，168片/批。m ，回复真空时间RT→ 10 PA＜10min。

3.4 结果讨论

折射率是影响电池转换效率的关键因素，通过实验我们发现折射率与温度（t)，SI/N,膜厚，放电能力等各工艺参数均有一定的关系。在其他参数不变的情况下，仅改变温度，其温度与折射率的关系如图 由图可知温度对折射率的影响并不大，温度提高110℃，折射率仅提高0.03。在其他参数不变的情况下，仅改变NH3/SIH4比，其NH3/SIH4，比与折射率的关系如图4，由图可知，改变流量比折射率调高时非常明显的，力量比影响的程度远远大于温度对折射率的影响。

3.5 Si3N4膜的认识

Si3N4膜的颜色随着它的厚度的变化而变化，其理想的厚度是73—77nm之间，表面呈现的颜色是深蓝色，Si3N4膜的折射率在1.9—2.1之间为最佳，与酒精的折射率相乎，通常用酒精来测其折射率。

3.6 SiNx减反射机理

设 半导体，减反射膜，空气的折射率分别为n2,n1,n0减反射膜厚度为d1,则反射率R为：

当上式分子为0.即 n0n2=n12 时，反射最小。对于电池片，n0=1,n2=3.87.则 n1=1.97.对于组件 n0=1.14,n2=3.87.则 n1=2.1.考虑到实际情况，一般选择薄膜的折射率在2.0～2.1之间。

地面光谱能量峰值在0.5um，太阳能电池响应峰值在0.8-0.9um，减反射最好效果在0.6um左右(0.5um～0.9um)。当光学厚度等于四分之一波长时，反射率接近于零，即：

4.结束语

太阳能是人类未来的重要的绿色能源之一，具有非常巨大的开发优势。硅材料储量丰富，为地壳上出氧之外的丰度排第二。带到26%之多。硅石是目前研究最透彻的半导体，已经形成多种成熟的工艺技术。然而现在已有的工业化生产的多晶硅太阳能电池的光电转化效率为 1.6 距离我们的理想还有一定的距离 这还需要我们继续努力为优化现有的工艺并开发更先进的工艺技术。

[1]施敏著．半导体器件物理与工艺（第二版）[M]．苏州：苏州大学出版社，2004，359—366.

[2]关旭东．硅集成电路工艺基础[M]．北京：北京大学出版社，2003，122—156.