利用PECVD技術來提高晶體硅太陽能電池生產

　　一 引言

　　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行鈍化處理，以降低表面缺陷對于少數(shù)載流子的復合作用。

　　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到30%左右。人們使用表面的織構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膜，以降低表面的反射，在工業(yè)化應用中，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的空氣中進行可見光的減反射設計，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的吸引力，使得少數(shù)載流子發(fā)生復合作用，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。實驗發(fā)現(xiàn)，含氫的SiNx膜對于硅表面具有很強的鈍化作用，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技術的分類

　　用來制備SiNx膜的方法有很多種，包括：化學氣相沉積法（CVD法）、等離子增強化學氣相沉積（PECVD法）、低壓化學氣相沉積法（LPCVD法）。在目前產業(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，將一個可以放置多片硅片的石墨舟插進石英管中進行沉積。這種設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。

　?。?）板式PECVD系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個石墨或碳纖維支架上，放入一個金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個放電回路，在腔室中的工藝氣體在兩個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行生產。

　　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，產生SiNx分子沉積在樣品表面。這種設備目前的主要制造商為德國的Roth&Rau公司。

　?。?）直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也不與等離子體接觸。這種設備由荷蘭的OTB公司生產。

　　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條生產線在使用。直流法PECVD系統(tǒng)還沒有進入中國市場。

　　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濺射，形成SiNx分子沉積到樣品表面。這種技術的優(yōu)點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：Roth&Rau公司的板式間接法系統(tǒng)。

　　三 各種方法的優(yōu)缺點比較

　　各種方法都有其有缺點：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：

　?。?）頻率越高均勻面積越小，越難于達到大面積均勻性。

　?。?）頻率越低對硅片表面的損傷越嚴重。

　?。?）頻率越低離子進入硅片越深，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技術的電路控制難度

　　各種不同的技術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很重要的指標，目前市場上太陽電池標準訂的越來越高，盡管有些色差片的效率很高，也只能按照B級片處理。各種設備的標稱均勻性列于表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計很有關系。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系，比如硅片表面織構化所生成的金子塔尖端的狀態(tài)就對等離子體放電產生影響，而目前硅片的電導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擴散到硅片表面的，薄膜的質量較為酥松，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技術的薄膜質量的比較列于表4中。

　　表4 各種PECVD技術制備的薄膜質量

　　當然，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 結論

　　目前，產業(yè)化的SiNx鍍膜技術還在不斷的發(fā)展，每一種技術都有其特性點，也都有其不足。太陽電池向著新型特種結構和工藝的方向發(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。另一些技術要求在制備出氮化硅薄膜后還進行濕法光化學金屬鍍膜工藝，這對氮化硅膜的密度和質量要求高了很多，因此，直接法特別是管式直接法就有了很大的優(yōu)勢。

　　總之，各種方法必須適應這些新的要求，才能更好的發(fā)展下去。