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太阳能光伏技术是将太阳能转化为电力的技术,其核心是半导体物质的光电效应。最常用的半导体材料是硅。光伏电池由P型和N型半导体构成,一个为正极,一个为负极。阳光照射在半导体上时,两极交界处产生电流,阳光强度越大,电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作,在阴天也能发电。晶体硅是当前太阳能光伏电池的主流。目前晶体硅电池光电转换效率可以达到20%,并已实现大规模生产。除效率外,光伏电池的厚度也很重要。薄的硅片(wafer)意味着较少的硅材料消耗,从而可降低成本。在查阅了大量国内外相关文献,并结合我国对晶体硅太阳电池技术开发的迫切需要,在制备太阳电池减反射膜(氮化硅薄膜)的工艺中,对气体流量比、微波功率、沉积压强和温度对减反射膜性质的影响进行了研究,通过大量有效的工作及一系列工艺数据,得出了制作减反射膜,分析了氮化硅薄膜的相对最佳沉积参数和优化工艺。
1 减反射膜原理
在了解减反射薄膜原理之前,要先了解几个简单的概念:第一,光在两种媒质界面上的振幅反射系数为(1-ρ)/(1+ρ),其中ρ为界面处两折射率之比。第二,若反射光存在于折射率比相邻媒质更低的媒质内,则相移为180°;若该媒质的折射率高于相邻媒质的折射率,则相移为零。第三,光因受薄膜上下两个表面的反射而分成2个分量,这2个分量将按如下方式重新合并,即当它们的相对相移为180°时,合振幅便是2个分量振幅之差;称为两光束发生相消干涉。
如图1所示膜有2个界面就有2个矢量,每个矢量表示一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于基片的折射率,则每个界面上的反射系数都为负值,这表明相位变化为180°。当膜层的相位厚度为180°时,即膜层的光学厚度为某一波长的1/4时,则2个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,则对该波长而言;2个矢量将完全抵消,于是反射率为零。镀制有减反射薄膜的太阳电池的反射率R为:
式中:R1,R2分别为外界介质与膜和膜与硅表面上的菲涅尔反射系数;△为膜层厚度引起的位相角。其中:
式中:n,n0,nSi分别为外界介质、膜层和硅的折射率;λ入射光的波长;d为膜层的实际厚度;nd膜层的光学厚度。当波长λ0为光的垂直入射时,
因此,完善的单层减反射薄膜条件是膜层的光学厚度为1/4波长,其折射率为基片和入射媒质折射率相乘积的平方根。
2 减反射薄膜的材料
要想将光电池对光反~射引起的损失减至最小,因此必须使反射系数ρ最小,如上分析,对单层减反射薄膜必须满足:
对硅光电池来讲,如果光直接从空气射入电池,n0=1,nSi=3.8,则折射率为1.9时的介质膜为最佳,但是它仅仅对特定波长的单色光为最佳,对于一般的复色光源,邻近特定波长的光,在确定的介质材料和厚度下,由于条件不完全满足,反射光只可能部分地被抵消,虽然ρ有所增大,但对波长较远的光,起不到减反射作用,因此在设计中应选取适当的n1材料和制作合适的膜厚t,才能使其波长落在光源辐射最强的波长附近。
几种能够作为减反射薄膜的材料和它的折射率列在表1中,可供参考:
由于氮化硅的折射率为1.9,是很理想的减反射膜材料,所以研究中采用的就是这种材质的减反射膜。氮化硅薄膜的折射率高,其中晶态氮化硅薄膜的折射率为2.0;非晶态氮化硅薄膜的折射率会在其左右一定范围内波动。氮化硅薄膜的厚度和颜色有对应关系,如表2所示。
厚度可用椭圆偏振仪精确测量。在能够估计厚度范围的情况下,可根据氮化硅薄膜的颜色和表中所列的颜色进行比较,以此来确定氮化硅膜的大约厚度。图2~图4分别为镀膜前、80nm左右SiN薄膜和65nm左右的SiN薄膜图示。
3 实验与讨论
本研究使用德国ROTH&RAU科学仪器研制中心制造的PECVD-SiNA1型设备制备不同厚度的SiN薄膜。
测试设备用:SENTECH生产SE-400ADV的激光偏振仪;SEMILAB生产的WT-2000的少子寿命测试仪。
实验材料:材料采用P型(100)的直拉的125mmx125mm单晶硅片,电阻率约为0.5~3Ω·cm,厚度200+50μm。在实验前经过硅片清洗和制绒,磷扩散,等离子刻蚀,去除磷硅玻璃等工艺。
实验用到的气体有SiH4,NH3,N2。腐蚀溶液为HF酸。SiH4和NH3气体分别用于等离子体增强型化学气相沉积法沉积SiN薄膜,为安全起见,SiH4由氮气稀释至10%,NH3浓度为99.999%。N2主要用于在沉积完薄膜后清洗气路和反应室,它们的纯度都为99.999%。
PECVD系统主要工艺参数包括射频功率、反应气体组分、气体总流量、衬底温度和反应压力等,这些参数对SiN薄膜的性能有很大影响。
由于影响PECVD系统淀积效果的参数很多,如气体流量和流量比,工艺腔温度,射频功率,沉积气压等等,而且对不同的PECVD设备会有不同的最佳参数,我们有必要就主要的控制参数进行研究,摸索出在这台PECVD设备上淀积氮化硅薄膜的最佳工艺参数组合。
在此一共选取了沉积压强(6组)、微波功率(5组)、气体流量比(11组)、工艺腔温度(4组)四个变量。采取改变其中的变量其他三个变量不变的实验方法,最后得出各个变量主要对电池片哪些参数有影响,提出一个可行的最优实验方案。
通过查阅相关资料,我们总结出SiN薄膜较好的各参数范围:薄膜厚度在70~80nm之间,膜厚差应小于5nm,折射率2.0~2.1之间,4nd在630nm左右,少子寿命越大越好,腐蚀速率越小。
根据资料和实际经验,从以上几组实验中找出了一些实验效果比较好的参数,然后共得到8组优化参数,这8组实验做完之后,再用1:5的氢氟酸对制得薄膜进行腐蚀,实验具体参数如表3,实验结果如表4。
图5~图8给出实验结果。采用平板式PECVD法制备氮化硅薄膜时,沉积条件对氮化硅薄膜特性的影响如下:
(1)压强主要对折射率和腐蚀速率有影响:随着压强的升高(见图5),折射率上升而腐蚀速率下降(见图6)。压强增大时,膜的均匀性下降(见图7)。
(2)功率主要对膜厚和膜厚差有影响:随着功率的增大,膜厚增大而膜厚差下降(见图8)。
(3)流量比主要对折射率、膜厚和膜厚差都有影响:随着流量比的升高,折射率下降而膜厚和膜厚差都是先升后降(见图8)。
(4)温度对薄膜的各个参数影响都不大。温度上升,折射率增大(见图5),腐蚀速度下降(见图6)。
4 结语
经过实验分析,在温度为430℃,压强为2.1×10-1mbar,功率为3200W,流量比为3.07,制备的薄膜具有良好特性,是制作减反射膜的良好的方案。
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