晶體硅太陽電池減反射膜的研究

摘要：在太陽電池表面形成一層減反射薄膜是提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較可行且降低成本的方法。應用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)系統(tǒng)，采用SiH4和NH3氣源以制備氮化硅薄膜。研究探索了PECVD生長氮化硅薄膜的基本物化性質(zhì)以及在沉積過程中反應壓強、反應溫度、硅烷氨氣流量比和微波功率對薄膜性質(zhì)的影響。通過大量實驗，分析了氮化硅薄膜的相對最佳沉積參數(shù)，并得出制作戰(zhàn)反射膜的優(yōu)化工藝。
關鍵詞：太陽電池；PECVD減反射；氮化硅薄膜

0 引言
太陽能光伏技術是將太陽能轉(zhuǎn)化為電力的技術，其核心是半導體物質(zhì)的光電效應。最常用的半導體材料是硅。光伏電池由P型和N型半導體構成，一個為正極，一個為負極。陽光照射在半導體上時，兩極交界處產(chǎn)生電流，陽光強度越大，電流就越強。太陽能光伏系統(tǒng)不僅只在強烈陽光下運作，在陰天也能發(fā)電。晶體硅是當前太陽能光伏電池的主流。目前晶體硅電池光電轉(zhuǎn)換效率可以達到20％，并已實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。除效率外，光伏電池的厚度也很重要。薄的硅片(wafer)意味著較少的硅材料消耗，從而可降低成本。在查閱了大量國內(nèi)外相關文獻，并結合我國對晶體硅太陽電池技術開發(fā)的迫切需要，在制備太陽電池減反射膜(氮化硅薄膜)的工藝中，對氣體流量比、微波功率、沉積壓強和溫度對減反射膜性質(zhì)的影響進行了研究，通過大量有效的工作及一系列工藝數(shù)據(jù)，得出了制作減反射膜，分析了氮化硅薄膜的相對最佳沉積參數(shù)和優(yōu)化工藝。

1 減反射膜原理
在了解減反射薄膜原理之前，要先了解幾個簡單的概念：第一，光在兩種媒質(zhì)界面上的振幅反射系數(shù)為(1-ρ)／(1+ρ)，其中ρ為界面處兩折射率之比。第二，若反射光存在于折射率比相鄰媒質(zhì)更低的媒質(zhì)內(nèi)，則相移為180°；若該媒質(zhì)的折射率高于相鄰媒質(zhì)的折射率，則相移為零。第三，光因受薄膜上下兩個表面的反射而分成2個分量，這2個分量將按如下方式重新合并，即當它們的相對相移為180°時，合振幅便是2個分量振幅之差；稱為兩光束發(fā)生相消干涉。

如圖1所示膜有2個界面就有2個矢量，每個矢量表示一個界面上的振幅反射系數(shù)。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則每個界面上的反射系數(shù)都為負值，這表明相位變化為180°。當膜層的相位厚度為180°時，即膜層的光學厚度為某一波長的1／4時，則2個矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，則對該波長而言；2個矢量將完全抵消，于是反射率為零。鍍制有減反射薄膜的太陽電池的反射率R為：

式中：R1，R2分別為外界介質(zhì)與膜和膜與硅表面上的菲涅爾反射系數(shù)；△為膜層厚度引起的位相角。其中：

式中：n，n0，nSi分別為外界介質(zhì)、膜層和硅的折射率；λ入射光的波長；d為膜層的實際厚度；nd膜層的光學厚度。當波長λ0為光的垂直入射時，


因此，完善的單層減反射薄膜條件是膜層的光學厚度為1／4波長，其折射率為基片和入射媒質(zhì)折射率相乘積的平方根。