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PECVD:晶硅太阳能电池效率提升技术

2015-07-30 00:02
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  为了提高晶体硅太阳能电池的效率,通常需要减少太阳电池正表面的反射,还需要对晶体硅表面进行钝化处理,以降低表面缺陷对于少数载流子的复合作用。

  硅的折射率为3.8,如果直接将光滑的硅表面放置在折射率为1.0的空气中,其对光的反射率可达到30%左右。人们使用表面的织构化降低了一部分反射,但是还是很难将反射率降得很低,尤其是对多晶硅,使用各向同性的酸腐蚀液,如果腐蚀过深,会影响到PN结的漏电流,因此其对表面反射降低的效果不明显。因此,考虑在硅表面与空气之间插一层折射率适中的透光介质膜,以降低表面的反射,在工业化应用中,SiNx膜被选择作为硅表面的减反射膜,SiNx膜的折射率随着x值的不同,可以从1.9变到2.3左右,这样比较适合于在3.8的硅和1.0的空气中进行可见光的减反射设计,是一种较为优良的减反射膜。

  另一方面,硅表面有很多悬挂键,对于N型发射区的非平衡载流子具有很强的吸引力,使得少数载流子发生复合作用,从而减少电流。因此需要使用一些原子或分子将这些表面的悬挂键饱和。实验发现,含氢的SiNx膜对于硅表面具有很强的钝化作用,减少了表面不饱和的悬挂键,减少了表面能级。

  综合来看,SiNx膜被制备在硅的表面起到两个最用,其一是减少表面对可见光的反射;其二,表面钝化作用。

  PECVD技术的分类

  用来制备SiNx膜的方法有很多种,包括:化学气相沉积法(CVD法)、等离子增强化学气相沉积(PECVD法)、低压化学气相沉积法(LPCVD法)。在目前产业上常用的是PECVD法。

  PECVD法按沉积腔室等离子源与样品的关系上可以分成两种类型:

  直接法:样品直接接触等离子体,样品或样品的支撑体就是电极的一部分。

  间接法:或称离域法。待沉积的样品在等离子区域之外,等离子体不直接打到样品表面,样品或其支撑体也不是电极的一部分。

  直接法又分成两种:

  (1)管式PECVD系统:即使用像扩散炉管一样的石英管作为沉积腔室,使用电阻炉作为加热体,将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。这种设备的主要制造商为德国的Centrotherm公司、中国的第四十八研究所、七星华创公司。

  (2)板式PECVD系统:即将多片硅片放置在一个石墨或碳纤维支架上,放入一个金属的沉积腔室中,腔室中有平板型的电极,与样品支架形成一个放电回路,在腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离子体,分解SiH4中的Si和H,以及NH3种的N形成SiNx沉积到硅表面。这种沉积系统目前主要是日本岛津公司在进行生产。

  间接法又分成两种:

  (1)微波法:使用微波作为激发等离子体的频段。微波源置于样品区域之外,先将氨气离化,再轰击硅烷气,产生SiNx分子沉积在样品表面。这种设备目前的主要制造商为德国的Roth&Rau公司。

  (2)直流法:使用直流源激发等离子体,进一步离化氨气和硅烷气。样品也不与等离子体接触。这种设备由荷兰的OTB公司生产。

  目前,在中国微波法PECVD系统占据市场的主流,而管式PECVD系统也占据不少份额,而岛津的板式系统只有5~6条生产线在使用。直流法PECVD系统还没有进入中国市场。

  除了上述几种模式的PECVD系统外,美国的AppliedMaterial公司还开发了磁控溅射PECVD系统,该系统使用磁控溅射源轰击高纯硅靶,在氨气的气氛中反应溅射,形成SiNx分子沉积到样品表面。这种技术的优点是不使用易爆的硅烷气,安全性提高很多,另外沉积速率很高。

  如果按照PECVD系统所使用的频率范围,又可将其分成以下几类:

  ■0Hz:直流间接法——OTB公司

  ■40KHz:Centrotherm公司管式直接法PECVD和Applied Material公司的磁控溅射系统

  ■250kHz:岛津公司的板式直接法系统

  ■440kHz:Semco公司的板式直接法

  ■460kHz:Centrotherm公司管式直接法

  ■13.6MHz:Semco公司和MVSystem公司的板式直接法系统

  ■2450MHz:Roth&Rau公司的板式间接法系统。

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