利用PECVD技術(shù)來提高晶體硅太陽能電池生產(chǎn)

為了提高晶體硅太陽能電池的效率，通常需要減少太陽電池正表面的反射，還需要對晶體硅表面進(jìn)行鈍化處理，以降低表面缺陷對于少數(shù)載流子的復(fù)合作用。

硅的折射率為3.8，如果直接將光滑的硅表面放置在折射率為1.0的空氣中，其對光的反射率可達(dá)到30%左右。人們使用表面的織構(gòu)化降低了一部分反射，但是還是很難將反射率降得很低，尤其是對多晶硅，使用各向同性的酸腐蝕液，如果腐蝕過深，會影響到PN結(jié)的漏電流，因此其對表面反射降低的效果不明顯。因此，考慮在硅表面與空氣之間插一層折射率適中的透光介質(zhì)膜，以降低表面的反射，在工業(yè)化應(yīng)用中，SiNx膜被選擇作為硅表面的減反射膜，SiNx膜的折射率隨著x值的不同，可以從1.9變到2.3左右，這樣比較適合于在3.8的硅和1.0的空氣中進(jìn)行可見光的減反射設(shè)計(jì)，是一種較為優(yōu)良的減反射膜。

另一方面，硅表面有很多懸掛鍵，對于N 型發(fā)射區(qū)的非平衡載流子具有很強(qiáng)的吸引力，使得少數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合作用，從而減少電流。因此需要使用一些原子或分子將這些表面的懸掛鍵飽和。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含氫的SiNx膜對于硅表面具有很強(qiáng)的鈍化作用，減少了表面不飽和的懸掛鍵，減少了表面能級。

綜合來看，SiNx膜被制備在硅的表面起到兩個(gè)最用，其一是減少表面對可見光的反射；其二，表面鈍化作用。

二 PECVD技術(shù)的分類

用來制備SiNx膜的方法有很多種，包括：化學(xué)氣相沉積法（CVD法）、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD法）、低壓化學(xué)氣相沉積法（LPCVD法）。在目前產(chǎn)業(yè)上常用的是PECVD法。

PECVD法按沉積腔室等離子源與樣品的關(guān)系上可以分成兩種類型：

直接法：樣品直接接觸等離子體，樣品或樣品的支撐體就是電極的一部分。

間接法：或稱離域法。待沉積的樣品在等離子區(qū)域之外，等離子體不直接打到樣品表面，樣品或其支撐體也不是電極的一部分。

直接法又分成兩種：

（1）管式PECVD系統(tǒng)：即使用像擴(kuò)散爐管一樣的石英管作為沉積腔室，使用電阻爐作為加熱體，將一個(gè)可以放置多片硅片的石墨舟插進(jìn)石英管中進(jìn)行沉積。這種設(shè)備的主要制造商為德國的Centrotherm公司、中國的第四十八研究所、七星華創(chuàng)公司。

（2）板式PECVD系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個(gè)石墨或碳纖維支架上，放入一個(gè)金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個(gè)放電回路，在腔室中的工藝氣體在兩個(gè)極板之間的交流電場的作用下在空間形成等離子體，分解SiH4中的Si和H，以及NH3種的N形成SiNx沉積到硅表面。這種沉積系統(tǒng)目前主要是日本島津公司在進(jìn)行生產(chǎn)。

間接法又分成兩種：

（1）微波法：使用微波作為激發(fā)等離子體的頻段。微波源置于樣品區(qū)域之外，先將氨氣離化，再轟擊硅烷氣，產(chǎn)生SiNx分子沉積在樣品表面。這種設(shè)備目前的主要制造商為德國的RothRau公司。

（2）直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進(jìn)一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也不與等離子體接觸。這種設(shè)備由荷蘭的OTB公司生產(chǎn)。

目前，在中國微波法PECVD系統(tǒng)占據(jù)市場的主流，而管式PECVD系統(tǒng)也占據(jù)不少份額，而島津的板式系統(tǒng)只有5~6條生產(chǎn)線在使用。直流法PECVD系統(tǒng)還沒有進(jìn)入中國市場。

除了上述幾種模式的PECVD系統(tǒng)外，美國的Applied Material公司還開發(fā)了磁控濺射PECVD系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用磁控濺射源轟擊高純硅靶，在氨氣的氣氛中反應(yīng)濺射，形成SiNx分子沉積到樣品表面。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不使用易爆的硅烷氣，安全性提高很多，另外沉積速率很高。

如果按照PECVD系統(tǒng)所使用的頻率范圍，又可將其分成以下幾類：

■ 0 Hz：直流間接法——OTB公司

■ 40 KHz：Centrotherm公司管式直接法PECVD和Applied Material公司的磁控濺射系統(tǒng)

■ 250 kHz：島津公司的板式直接法系統(tǒng)

■ 440 kHz：Semco公司的板式直接法

■ 460 kHz：Centrotherm公司管式直接法

■ 13.6 MHz：Semco公司和MVSystem公司的板式直接法系統(tǒng)

■ 2450 MHz：RothRau公司的板式間接法系統(tǒng)。

三 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

各種方法都有其有缺點(diǎn)：從大的方面講，直接PECVD法對樣品表面有損傷，會增加表面少子的復(fù)合，但是也正是由于其對表面的轟擊作用，可以去除表面的一些自然氧化層，使得表面的雜質(zhì)原子得到抑制，另外直接法可以使得氫原子或氫離子更深入地進(jìn)入到多晶硅晶界中，使得晶界鈍化更充分。

使用不同頻率的PECVD系統(tǒng)，也各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）頻率越高均勻面積越小，越難于達(dá)到大面積均勻性。

（2）頻率越低對硅片表面的損傷越嚴(yán)重。

（3）頻率越低離子進(jìn)入硅片越深，越有利于多晶硅晶界的鈍化。

我們將不同頻率的PECVD方法在電路控制難度的比較列于表1中。

表1 各種頻率的PECVD技術(shù)的電路控制難度

各種不同的技術(shù)的沉積特性的比較列于表2

表2 各種PECVD方法的沉積特性比較

沉積薄膜的均勻性是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，目前市場上太陽電池標(biāo)準(zhǔn)訂的越來越高，盡管有些色差片的效率很高，也只能按照B級片處理。各種設(shè)備的標(biāo)稱均勻性列于表3。

表3 各種PECVD法的均勻性比較

沉積的均勻性與電極和腔室的設(shè)計(jì)很有關(guān)系。管式PECVD系統(tǒng)由于其石墨舟中間鏤空，因此利用了硅片作為電極的一部分，因此輝光放電的特性就與硅片表面的特性有了一定的關(guān)系，比如硅片表面織構(gòu)化所生成的金子塔尖端的狀態(tài)就對等離子體放電產(chǎn)生影響，而目前硅片的電導(dǎo)率的不同也影響到等離子場的均勻性。另外管式PECVD的氣流是從石英管一端引入，這樣也會造成工藝氣體分布的不均勻。

板式PECVD系統(tǒng)使用了襯底板作為電極，而且采用勻氣的Shower系統(tǒng)，但是由于襯底板在長期加熱后會有稍微的翹曲，從而造成平行板電極間距的不一致，也會造成片間不均勻。另外，等離子體直接法在大面積沉積時(shí)會造成由于高頻波長所帶來的附加的不均勻性。

各種方法制備的薄膜的質(zhì)量也略有不同，原則上講，由于直接法中的等離子體直接作用于硅片表面，因此均勻性要好一些，而間接法等離子體是離子離化后形成SiNx擴(kuò)散到硅片表面的，薄膜的質(zhì)量較為酥松，而磁控濺射由于其工作方式的原因，薄膜最為酥松。對于致密的薄膜，其鈍化特性和減反射特性都要優(yōu)越得多。幾種PECVD技術(shù)的薄膜質(zhì)量的比較列于表4中。

表4 各種PECVD技術(shù)制備的薄膜質(zhì)量

當(dāng)然，這種比較也是在某些特定的沉積條件下的一般性的比較，改變沉積條件可以改變薄膜的特性。

四 結(jié)論

目前，產(chǎn)業(yè)化的SiNx鍍膜技術(shù)還在不斷的發(fā)展，每一種技術(shù)都有其特性點(diǎn)，也都有其不足。太陽電池向著新型特種結(jié)構(gòu)和工藝的方向發(fā)展，對氮化硅膜提出了一些新的要求。

例如，有一種新型太陽電池要求雙面鍍膜，正面鍍氮化硅，背面鍍二氧化硅和氮化硅，這種情況下，靈活的微波間接法就有較大的優(yōu)勢。另一些技術(shù)要求在制備出氮化硅薄膜后還進(jìn)行濕法光化學(xué)金屬鍍膜工藝，這對氮化硅膜的密度和質(zhì)量要求高了很多，因此，直接法特別是管式直接法就有了很大的優(yōu)勢。

總之，各種方法必須適應(yīng)這些新的要求，才能更好的發(fā)展下去。