管式PECVD法沉积的SiyNx/SiOxNy叠层膜的研究

王贵梅，许志卫，靳迎松，朱少杰，王少丽

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积的氮氧化硅(SiOxNy，下文简写为“SiON”)薄膜在带隙宽度、折射率、应力方面均可调整[1]。SiON薄膜的制备方式为：在常规的PECVD工序中，引入反应气体N2O，与NH3和SiH4发生反应，从而生成SiON薄膜。通过改变反应气体N2O、NH3和SiH4的流量配比及沉积时间，即可改变SiON薄膜的膜层组分及膜厚[2]。在太阳电池钝化层制备过程中，氮化硅(SiyNx，下文简写为“SiN”)薄膜与SiON薄膜的膜层设置较为关键，二者有多种搭配组合方式，除了需要与实际产线相匹配之外，还需要考虑将太阳电池的电性能与光伏组件的CTM(用于表征因封装造成的光伏组件输出功率损失程度)均达到最优状态，从而确定最佳的SiN薄膜与SiON薄膜的膜层设置方案。

本文采用管式PECVD法，以SiH4、NH3、N2O作为反应气体制备SiON薄膜，利用椭偏仪测试薄膜的膜厚及折射率，从中找出最优膜厚及折射率控制标准；然后结合SiN薄膜已有的制备工艺，制备出SiN/SiON叠层膜，并对SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜的光学性能，以及分别采用这2种薄膜的太阳电池的电性能进行了分析，以期可以通过采用此叠层膜大幅改善太阳电池钝化膜的特性，从而提升太阳电池的光电转换效率和抗电势诱导衰减(PID)性能。

1 实验准备

1.1 实验材料及仪器

采用尺寸为158.75 mm×158.75 mm 的p型直拉单晶硅片，厚度为180 μm，电阻率为0.4～1.1 Ω·cm。利用管式PECVD设备在硅片上分别沉积SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜。

利用EMPro-PV椭偏仪测试薄膜的膜厚和折射率；利用RC反射仪测试薄膜的反射率；利用WAVELABS-SINUS-200设备检测成品太阳电池的电性能；利用WCT120测试成品太阳电池的反向饱和电流密度J0；利用QEX10测试成品太阳电池的量子效率QE。

1.2 实验方法

在硅片正面镀制不同反应气体流量配比下的SiN/SiON叠层膜，镀膜顺序依次为：硅片→第1层为SiN薄膜→第2层为SiN薄膜→第3层为SiN薄膜→第4层为SiON薄膜→第5层为SiON薄膜。

通过调整各个膜层的反应气体流量配比，使第1层的SiN薄膜达到提高界面态钝化的效果，膜厚约为15 nm；使第2层与第3层的SiN薄膜起到降低叠层膜整体折射率、减少消光、增加光透射率、增大光吸收率的作用；使第4层与第5层SiON薄膜起到进一步降低叠层膜的反射率、增大其光吸收率的作用。

在SiN/SiON叠层膜的制备过程中，对镀膜时间进行控制，以便得到合适的膜厚，从而使制备的SiN/SiON叠层膜在光学性能与电性能方面均优于SiN薄膜，使其表现出更好的减反射与钝化效果。

2 结果与讨论

2.1 膜层的膜厚、折射率及反射率数据

采用管式PECVD法制备SiON薄膜时，可通过调节反应气体流量配比改变薄膜的折射率：若SiH4的流量高，则SiON薄膜的折射率高；由于SiON薄膜中的Si主要来源于SiH4，O主要来源于N2O，因此增加N2O的流量，可降低SiON薄膜的折射率，此时薄膜的成分趋近于SiO2；若增加NH3和SiH4的流量，可提高SiON薄膜的折射率，此时薄膜的成分会趋近于SiN[3]。

为研究SiN薄膜与SiON薄膜的光学性能，选取实验硅片20片，然后通过控制SiN薄膜和SiON薄膜的镀膜时间、脉冲比等参数，制备分别镀有SiN薄膜和SiN/SiON叠层膜的太阳电池各10片，测试这2种膜层的膜厚、折射率及反射率数据，然后取平均值。测试结果如表1所示。

表1 2种膜层的膜厚、折射率及反射率数据对比Table 1 Comparison of film thickness，refractive index and reflectance data of two types of coatings

由表1可知，相较于SiN薄膜，SiN/SiON叠层膜中增加了O含量，膜层的稳定性和透明性会更好[4]，因此相对于SiN薄膜的反射率为2.11%，SiN/SiON叠层膜的反射率降至1.80%。

SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜在不同波长范围内的反射率曲线如图1所示。

由图1可知，在370～460 nm的短波波段内，SiN/SiON叠层膜的反射率明显低于SiN薄膜的反射率，在中长波波段(600～1100 nm)内，这2种膜层的反射率之间的差异不大。综上，SiN/SiON叠层膜在短波波段具有明显的反射率优势。

图1 SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜在不同波长范围内的反射率曲线Fig. 1 Reflectance curves of SiN film and SiN/SiON laminated film in different wavelength ranges

利用PC1D软件对在硅片上制备的SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜的光学性能情况进行模拟，模拟结果如表2所示。

表2 SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜的光学性能对比Table 2 Comparison of optical performance of SiN film and SiN/SiON laminated film

由表2可知，相较于SiN薄膜，SiN/SiON叠层膜在反射率和光吸收率方面均具有优势；且在SiN/SiON叠层膜工艺下硅基的光吸收率为98.50%，比SiN薄膜工艺下硅基的光吸收率提升了0.90%。

2.2 太阳电池的J0数据

取功率档相同的太阳电池，其中，采用SiN薄膜的太阳电池(下文简称为“常规太阳电池”)10片，采用SiN/SiON叠层膜的太阳电池(下文简称为“SiN/SiON叠层太阳电池”)10片，分别测试这2种太阳电池的准中性区基区和发射极区中复合产生的反向饱和电流密度J01和由空间电荷区中复合产生的反向饱和电流密度J02，测试结果如图2所示。

图2 2种太阳电池的J01和J02对比Fig. 2 Comparison of J01 and J02 of two kinds of solar cells

由图2可知，SiN/SiON叠层膜太阳电池的J01与J02均比采用SiN薄膜的常规太阳电池的低，这主要与SiN/SiON叠层膜中SiN薄膜和SiON薄膜界面处的界面态密度均较低有关[5]，使太阳电池表面的钝化效果得到提高，从而降低了其J01与J02。

2.3 太阳电池的QE数据

取功率档相同的常规太阳电池和SiN/SiON叠层膜太阳电池各2片，利用QEX10测试这4片太阳电池的QE，并绘制其QE曲线，具体如图3所示。

图3 4片太阳电池的QE曲线Fig. 3 QE curve of four pieces of solar cells

由图3可知，SiN/SiON叠层膜太阳电池在300～460 nm波段的QE较高，表现出了优秀的短波响应能力。原因可能归因于2个方面：一方面，由于SiN/SiON叠层膜较好的减反射效果增加了硅基的光吸收率，这与SiN/SiON叠层膜在短波波段的反射率优势相吻合；另一方面，SiN/SiON叠层膜拥有较好的钝化效果及较低的界面态密度，使发射极附近的表面复合和结区复合更少。以上2种原因综合提高了SiN/SiON叠层膜太阳电池在短波波段的QE[6]。

2.4 太阳电池的电性能数据

取功率档相同的常规太阳电池和SiN/SiON叠层膜太阳电池各1200片，对这2种太阳电池的电性能进行测试，然后取平均值。以常规太阳电池的电性能数据为基准值，计算得到SiN/SiON叠层膜太阳电池的电性能数据变化情况，具体如表3所示。

表3 相较于常规太阳电池的电性能数据，SiN/SiON叠层膜太阳电池电性能数据的变化情况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叠层膜太阳电池的Eta比采用SiN薄膜的常规太阳电池的Eta高0.07%，Voc高0.5 mV，Isc高45 mA。综合前文中SiN/SiON叠层膜的反射率数据，以及采用该叠层膜的太阳电池的J01、J02和QE数据可以发现，SiN/SiON叠层膜太阳电池Eta的提升主要是得益于SiN/SiON叠层膜的光透射率的增加和薄膜自吸收系数降低所带来的硅基光吸收率的提升，以及界面态密度的降低和钝化效果的增强。

2.5 光伏组件的PID数据

通常，在制备SiN/SiON叠层膜太阳电池中的SiN/SiON叠层膜时，膜层顺序是将SiON薄膜镀在叠层的最外层，但由于太阳电池制成光伏组件后会叠加上封装材料的反射，致使采用该种叠层膜的太阳电池难以展现出其短路电流的优势，导致最终封装得到的光伏组件的输出功率损失偏高。而本文实验制备的SiN/SiON叠层膜是将2层SiON薄膜镀在SiN层的外面，使最外层的SiON薄膜的折射率比次外层SiON薄膜的折射率低，提升了叠层膜整体的减反射效果。

分别将常规太阳电池和SiN/SiON叠层膜太阳电池制成相应的光伏组件(下文将这2种光伏组件分别简称为“常规光伏组件”和“SiN/SiON叠层膜光伏组件”)，然后对这2种光伏组件的电性能和CTM进行测试，CTM的值越高表明光伏组件的输出功率越高。测试结果如表4所示。

表4 2种光伏组件的电性能和CTM测试结果Table 4 Electrical performance and CTM test results of 2 kinds of PV modules

从表4中可以看出，相较于常规光伏组件，SiN/SiON叠层膜光伏组件的CTM值更大，表现更为优秀。

从上述常规光伏组件和SiN/SiON叠层膜光伏组件中分别选取标称功率相同的光伏组件各5块，进行PID测试。PID测试时，在光伏组件上施加-1500 V的电压，在高温、高湿(85 ℃，85%RH)的条件下[7]，测试196 h。在此过程中，光伏组件的输出功率会随着时间的推移显著下降，因此对测试前、后光伏组件的输出功率进行统计，并计算得到光伏组件的输出功率损失PL数据，然后取平均值，结果如表5所示。

表 5 PID测试后2种光伏组件的PL数据Table 5 PL values of two kinds of PV modules after PID test

由表5可知，PID测试后，SiN/SiON叠层膜光伏组件的PL为1.95%，与常规光伏组件的PL(2.51%)相比，抗PID性能提升了约22%。这主要是因为SiN/SiON叠层膜有较好的致密性和表面钝化效果，从而有效阻挡了Na+侵入太阳电池，减弱了PID效果[8]。

3 结论

本文利用管式PECVD设备沉积了SiN薄膜和SiN/SiON叠层膜，分别测试了这2种膜层的光学性能，并对比了采用SiN薄膜的太阳电池及采用SiN/SiON叠层膜的太阳电池的电性能；对采用这2种膜层的光伏组件在PID测试后的输出功率损失情况进行了测试。结果显示：SiN/SiON叠层膜能够增加光的吸收率，提升太阳电池的短波响应能力，利用SiON薄膜低界面态密度可减少复合、增强钝化的特性，使采用SiN/SiON叠层膜的太阳电池的光电转换效率比采用SiN薄膜的太阳电池的光电转换效率提高了0.07%；利用SiN/SiON叠层膜抗氧化、抗钠离子的特性，提升了光伏组件的抗PID性能，相较于采用SiN薄膜的光伏组件，采用SiN/SiON叠层膜的光伏组件的抗PID性能提升了22%。