关于太阳能电池减反射膜的研究报告

关于太阳能电池减反射膜的研究报告作者：杨嘉贺（江西南昌理工学院南昌 330044）【摘要】在太阳电池表面形成一层减反射薄膜是提高太阳电池的光电转换效率比较可行且降低成本的方法。

应用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)系统，采用SiH4和NH3气源以制备氮化硅薄膜。

研究探索了PECVD生长氮化硅薄膜的基本物化性质以及在沉积过程中反应压强、反应温度、硅烷氨气流量比和微波功率对薄膜性质的影响。

通过大量实验，分析了氮化硅薄膜的相对最佳沉积参数，并得出制作战反射膜的优化工艺。

【关键词】太阳电池；PECVD减反射；氮化硅薄膜一、引言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。

二、减反射膜（增透膜）工作原理2.1基本概念：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。

2.2工作原理光具有波粒二相性，即从微观上既可以把它理解成一种波、又可以把他理解成一束高速运动的粒子（注意，这里可千万别把它理解成一种简单的波和一种简单的粒子。

它们都是微观上来讲的。

红光波的波长=0.750微米紫光波长=0.400微米。

而一个光子的质量是6.63E-34千克. 如此看来他们都远远不是我们所想想的那种宏观波和粒子.) 增透膜的原理是把光当成一种波来考虑的，因为光波和机械波一样也具有干涉的性质。

在镜头前面涂上一层增透膜(一般是"氟化钙",微溶于水),如果膜的厚度等于红光（注意：这里说的是红光）在增透膜中波长的四分之一时,那么在这层膜的两侧反射回去的红光就会发生干涉,从而相互抵消,你在镜头前将看不到一点反光,因为这束红光已经全部穿过镜头了.为什么我从来没有看到没有反光的镜头? 原因很简单,因为可见光有“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”七种颜色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顾到一种颜色的光让它完全进入镜头，一般情况下都是让绿光全部进入的，这种情况下，你在可见光中看到的镜头反光其颜色就是蓝紫色，因为这反射光中已经没有了绿光。

膜的厚度也可以根据镜头的色彩特性来决定。

三、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。

四、定义及其设计二十世纪三十年代发现的增透膜促进了薄膜光学的早期发展．对于技术光学的推动来说，在所有的光学薄膜中，增透膜也起着最重要的作用．直至今天，就其生产的总量来说，它仍然超过所有其他的薄膜因此，研究增透膜的设计和制备教术，对于生产实践有着重要的意义．我们都知道，当光线从折射率n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射．如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R为透射率为投射率为：例如，折射率为1。

52的冕牌玻璃，每个表面的反射约为4．2％左右。

折射率较高的火石玻璃，则表面反射更为显著．这种表面反射造成了两个严重的后果：光能量损失，使象的亮度降低；表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也到达象平面，使象的衬度降低，从而影响系统的成象质量，特别是电视、电影摄影镜头等复杂系统，都包台了很多个与空气相邻的表面，如不敷上增透膜将完全不能应用．目前已有很多不同类型的增透膜可供利用．以满足技术光学领域的极大部分需要．可是复杂的光学系统和激光光学，对减反射性能往往有特殊严格的要求．例如．大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射的破坏．此外，宽带增透膜提高了象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强．因此，生产实际的需要促使了减反射膜的不断发展．在比较复杂的光学系统中，入射光的能量往往因多次反射而损失。

例如，高级照相机的镜头有六、七个透镜组成。

反射损失的光能约占入射光能的一半，同时反射的杂散光还要影响成像的质量。

为了减少入射光能在透镜玻璃表面上反射时所引起的损失，常在镜面上镀一层厚度均匀的透明薄膜（常用氟化镁MgF2，其折射率为1.38，介于玻璃与空气之间），利用薄膜的干涉使反射光能减到最小，这样的薄膜称为增透膜。

现在我们来看一下简单的单层增透膜。

设膜的厚度为e，当光垂直入射时，薄膜两表面反射光的光程差为 2ne，由于在膜的上、下表面反射时都有相位突变，结果没有附加的相位差，两反射光干涉相消时应满足：单层增透膜膜的最小厚度应为（相应于k=0 ）单层增透膜只能使某个特定波长λ的光尽量减少反射，对于相近波长的其他反射光也有不同程度的减弱，但不是减到最弱，对于一般的照相机和目视光学仪器，常选人眼最敏感的波长λ=550nm作为“控制波长”，在白光下观看此薄膜的反射光，黄绿色光最弱，红光蓝光相对强一些，因此镜面呈篮紫色。

有些光学器件需要减少其透射率，以增加反射光的强度。

如氦氖激光器中的谐振腔反射镜，要求对波长λ=632.8nm 的单色光的反射率达99%以上。

如果把低折射率的膜改成同样厚度的高折射率的膜，则薄膜上下表面的两反射光使干涉加强，这就使反射光增强了，而透射光就减弱，这样的薄膜就是增反膜或高反射膜。

一般的单层增反膜可使反射率提高到30%以上，而多层增反膜可以提高的更多。

由于这种介质膜对光的吸收很少，所以比镀银、镀铝的反射镜效果更佳五.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。