SiNx：H膜沉积压强与扩散薄层电阻的匹配性研究

摘要：

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在多晶硅片上生长SiNX：H膜，研究了不同沉积压强与SiNX：H膜折射率和钝化效果的关系。在沉积压强为1.4Torr时，SiNX：H膜的折射率和钝化效果均达到理想的范围。对于扩散层电阻为80Ω/□、SiNX：H膜的厚度为(83±2)nm、折射率在2.03时，制得的太阳电池开路电压和短路电流最高，电池效率达到17.8%。

0

引言

　　提高太阳电池的光谱响应，增加太阳电池对太阳光各波段的吸收和利用，是提高太阳能电池转化效率的一个重要方面。其中提高长波响应的方法主要是制作Al掺杂背场电池，硅铝合金与p型硅衬底形成的p p-高低结可以降低表面复合速率，铝的吸杂作用提高了体少子寿命，从而电池在长波近红外区的光谱响应增强。提高短波响应的方法主要有提高薄层电阻、在电池片受光面制减反射膜等。因此氮化硅被用来作为多晶硅太阳能电池的减反射和钝化膜。研究表明，当硅片扩散方阻改变时，与其最佳匹配的氮化硅减反射和钝化薄膜的成分和厚度也需要做相应调整，SiNX薄膜制备时的沉积压强则是影响其性能的重要因素之一。本文研究了反应压强对SiNX：H膜的折射率、钝化效果、反射率的影响，并分别对不同薄层电阻的扩散片，制得的多晶硅太阳电池的光谱响应进行了比较，得出随着薄层电阻的增大，短波响应的变化趋势有所提高，光谱响应的峰值向短波方向移动。当反应压力在1.4Torr，扩散薄层电阻为80Ω/□时，薄膜的光学性能和钝化效果之间的优化达到平衡，制得电池的性能最佳,电池效率平均达到17.8%。

1

实验

　　利用P型多晶硅片作为衬底，采用太阳能电池生产传统工艺流程。实验是在某太阳能电池公司晶硅生产线上进行的。硅片尺寸：156mm×156mm，电阻率：0．5～3Ω.cm，少子寿命：1.5～21μs，厚度：(220±20)μm。采用华铂管式PECVD设备沉积SiNX：H膜。SiNX：H薄膜的沉积温度、SiH4/NH3气体比率、沉积功率等参数保持不变，沉积压强在1.1Torr～1.6Torr的范围内变。SiNX：H膜的厚度均维持在(83±2)nm。采用德国CTE2000HT300-5扩散炉。分别制备出65、70、75、80、85Ω/□的扩散片。用PECVD沉积SiN减反射膜，在沉积压强1.4Torr下，沉积温度、沉积时间、氨气和硅烷气体比例一定的情况下，研究不同薄层电阻的硅片镀SiNX：H膜后的光谱响应。采用光谱响应测试设备(型号：EnlitechR-2011)测试不同电池的光谱响应。

2

结果与讨论

　　2.1沉积压强与折射率的关系

　　PECVD法制备SiNx：H薄膜，当沉积温度和SiH4/NH3反应比一定时，反应压强是影响SiNX：H膜折射率的重要制备条件。薄膜的折射率在一定程度上说明了膜的密度了结构，是SiNX：H膜的重要物理参数。本文在沉积温度400℃和SiH4/NH3比为1:7时，研究研究了沉积压强对于折射率的影响。随着沉积压强的从1.2Torr增加到1.6Torr，薄膜的折射率从2增加到2．21。折射率的大小主要跟SiNX：H膜中硅的含量具有一定的关系，如果薄膜中硅成分增大，则折射率增大；如果薄膜成分中硅成分减少，则折射率降低。本实验中SiNX：H薄膜折射率的降低，表明随着沉积压强的增加，薄膜中硅的成分增多。

　　2.2沉积压强与硅片少子寿命的关系

　　图2（本文图略）表示了沉积压强对硅片少子寿命的影响。从图中可以看出，沉积SiNX：H膜后硅片的少子寿命较扩散后的少子寿命(8.51μs)均有所提高，表明SiNX：H膜对硅片起到了良好的钝化效果。随着沉积压强从1.3Torr增加到1.4Torr，少子寿命从9.4μs增加到12.6μs，增加了34％，氢钝化效果明显提高。当沉积压强高于1.4Torr后，少子寿命的增加趋于平缓，氢钝化效果基本达到饱和。硅片表面沉积SiNX：H薄膜后，少子寿命的提高是因为SiNX：H薄膜中的氢能够对硅片起到表面钝化和体钝化的作用。表面钝化是指SiNX：H薄膜中的适量氢能够钝化硅片表面的悬挂键、断键等不饱和键，降低表面态密度，提高电池效率。体钝化是指SiNX：H薄膜中的氢原子进入多晶硅沉底的晶界等缺陷处来饱和悬挂键，减少悬挂键电子态。

　　随着气体压力的增加，沉底少子寿命的提高，可以解释为随沉积压强提高等离子体密度增加，粒子的能量和平均自由程相应增加，对硅片表面的轰击作用增强，加速了氢的分解和扩散，从而增加了氢对沉底的体内钝化效果，衬底少子寿命得以提高。然而当气体压力过高时，等离子体对于硅片表面的损伤损失进一步加大，引入新的缺陷态，而且氢含量过高，膜的致密性等也存在问题，所以钝化效果变差，衬底的少子寿命反而降低。

　　2.3沉积压强与反射率的关系

　　SiNx：H薄膜的减反射特性，关系到照射到太阳能电池表面的光进入电池内部的比例，是影响太阳能电池效率的一个重要因素。图3（本文图略）是反应沉积压强与镀膜后反射率的关系曲线图。可以看出，随着反应沉积压强增大，反射率也相应的增大。这是因为随SiNX：H薄膜中硅含量的增加，折射率n和消光系数k均相应增高。消光系数k增高，氮化硅的光吸收就会增强，从而减反射特性就会变差。当沉积压强高于1.4Torr后，反射率显著增大，而表面钝化效果趋于稳定，所以1.4Torr是理想的沉积压强。

3

结论　　

　　(1)利用管式PECVD技术在不同沉积压强下制备了SiNX：H膜。随着沉积压强的增加，薄膜的折射率增大。

　　(2)沉积压强增加，硅片的少子寿命增加，钝化效果提高。当沉积压强高于1.4Torr时，少子寿命反而降低。

　　王敬蕊 苏树兵 诸葛霞