管式PECVD流量對太陽能電池氮化矽膜影響的工藝研究

2020-11-22 索比光伏網

索比光伏網訊:氮化矽膜作為晶體矽太陽能電池減反射鈍化膜是目前太陽能電池製備的主流，然而由於用PECVD來製備的氮化矽膜，是以SixNyHz方式來表達的，其中的x,y,z的數值直接影響了膜的光學性能和對晶體矽太陽電池表面和體內的鈍化作用，因為其數值對於膜的折射率、消光係數、緻密性都有直接的影響，本文的目的就是研究工藝氣體流量對膜性能的影響。

一、機理分析

1.1氣體的輸運在CVD系統中，氣體的流動處於黏滯流的狀態。氣體的輸運過程對薄膜的沉積速度、薄膜厚度的均勻性、反應物的利用效率等都有重要的影響。氣體在CVD系統中發生兩種宏觀流動，一是外部壓力造成的壓力梯度使氣體從壓力高的地方向壓力低的地方流動，即氣體的強制對流。二是氣體溫度的不均勻性引起的高溫氣體上升、低溫氣體下降的流動，即氣體的自然對流。對一般尺寸的CVD反應容器（直徑430mm內）來說，在流速不高（約10cm/s）時，氣體將處於黏滯流的層流狀態。

1.2PECVD過程中的微觀過程

（1）氣體分子與等離子體中的電子發生碰撞，產生出活性基團和離子。其中，形成離子的機率要低得多，因為分子離化過程所需的能量較高。（2）活性基團可以直接擴散到襯底表面。

（3）活性基團也可以與其他氣體分子或活性基團發生相互作用，進而形成沉積所需的化學基團。

（4）沉積所需的化學基團擴散到襯底表面。

（5）氣體分子也可能沒有經過活化過程而直接擴散到襯底附近。

（6）氣體分子被直接排出系統之外。

（7）到達襯底表面的各種化學基團發生各種沉積反應並釋放出反應產物。

假設一個極端的情況：假設在襯底表面處，反應進行得很徹底，沒有殘餘的反應物存在；假設在裝置的上界面Y=B處，物質的擴散項等於零；假設輸入氣體的初始濃度為c0。可以得到如式（1）：

這一結果表明，沉積速率將沿著氣體的流動方向呈指數形式的下降，如圖1所示,其中V1~V4為氣體流速,且V4>V3>V2>V1，為流動方向的長度。可以理解，原因的產生是反應物隨著距離的增加而逐漸貧化，因此當流速太低時，尾部的氣體濃度迅速減少而導致尾部的生長速度變慢；當提高流速時，尾部的氣體濃度沒有明顯降低而顯著提高生長的一致性。

圖1氣體流量對沉積速率的影響

根據這現象，提高薄膜沉積均勻性的措施有：提高氣體流速和裝置的尺寸B；調整裝置內溫度分布，影響擴散係數的分布。

二、實驗方法

本文針對的是管式PECVD設備的流量實驗，在石墨舟的前後依次沿軸線放置7片拋光片，通過測量膜厚來鑑定膜的生長速度，通過不同的流量來分析流量對成膜性能的影響，對膜性能測試是在固定其它參數的情況獲得的。對於電性能的測定則通過穩定的太陽能電池生產線來批量求得結果。反應室的結構、氣體流向示意如圖2所示。

圖2反應室的結構、氣體流向

三、結論和探討

通過實驗可以看出，見表1，隨著工藝氣體總流量的增加，膜的厚度呈上升趨勢，也即成膜速度呈遞增趨勢，但超過一定流量後又呈下降趨勢。對這個變化的解釋是，當流量的增加，等離子濃度也呈上升趨勢，但是當超過一定值後，由於等離子能量在呈下降趨勢，導致繼續等離子化難度增加，這樣當流量繼續增加時，等離子的濃度反而會降低，成膜速度呈遞減趨勢[1]。

隨著工藝氣體總流量的增加，折射率緩慢增加。在用等離子體形成的氮化矽膜的折射率與緻密性沒有必然的聯繫，並不是折射率越高緻密性就一定高。這點與用LPCVD所形成的氮化矽膜是有差異的。

隨著工藝氣體總流量的增加，吸光係數也緩慢增加，HF酸腐蝕的速度也緩慢提高，可見緻密性在變差。主要原因是當流量增加時氮化矽膜的成分在發生很大的變化，離四氮化三矽越來越遠，其實我們所稱的等離子下形成的氮化矽膜是一個相當籠統的說法，其膜成分的配比無數，能適合做高效太陽能電池減反射鈍化膜的氮化矽膜的要求是相當高的[2]。絕對不是肉眼看到的，以為都一樣。

隨著工藝氣體總流量的增加，少數載流子的壽命也發生了變化，剛開始呈上升趨勢，然後呈下降趨勢。從少數載流子的壽命變化可以看出鈍化的效能變化，當總流量變化時，等離子的擴散長度也在改變，其實在初期等離子激發時，對矽表面非但沒有鈍化作用，而存在一個損傷的過程，但是當膜增長到一定厚度時，這種損傷將消失[3]，然後會被補償並增強鈍化作用，而並不是說沉積膜的全過程都是鈍化過程。

在效率方面，當工藝氣體總流量增加時，效率有一個最佳值，如圖3所示，其中η為轉換效率，f為流量。當然，這個效率的獲得與整線其它工序有一個匹配的問題，在這裡是要說明一個問題，膜的特性將影響著最佳電池性能[4]。而這是結論，原因在於實驗一的對膜性能的改變。膜的性能直接影響製作正面電極的難易程度，同時直接影響轉換效率。

圖3氣體流量對效率的影響

四、結語

可以看出，管式PECVD設備的工藝氣體流量的改變，會直接改變膜厚、折射率、吸光係數、少子壽命、轉換效率，而其變化不是單調上升或單調下降的，通過該技術分析，可以避免在工藝中為了獲得膜均勻而忽略了流量是和電池轉換效率密切相關的事實，可以讓大家進一步明白電池轉換效率與膜性能的密切聯繫。

這個分析也可以適用於平板型PECVD技術。對進一步提高晶體矽電池的轉換效率，對我國晶體矽電池產業獲取更大的利潤或降低生產成本都有直接的幫助。（作者 李軍陽）

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