晶体硅太阳电池减反射膜的研究

    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、80 nm左右SiN薄膜和65 nm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125 mmx125 mm单晶硅片，电阻率约为0．5～3 Ω·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70～80 nm之间，膜厚差应小于5 nm，折射率2．0～2．1之间，4 nd在630 nm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3 200 W，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。