晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究
晶体硅太阳电池表面钝化技术
陈 伟 , 贾 锐 , 张希清 , 陈 晨 , 武德起 , 李昊峰1a , 吴大卫1a , 陈宝钦1b , 刘新宇1a
a. 微波器件与集成电路研究室; b. 纳米加工与新器件集成 100044 ) 100029; 2. 北京交通大学 光电子技术研究所, 北京
1a, 2 1a 2 1a 1a
( 1. 中国科学院 微电子研究所 技术实验室 , 北京
摘要 : 介绍了晶体硅太阳电池表面钝化技术的发展历程, 表面钝化膜在晶体硅太阳电池中所起的 作用 , 以及晶体硅太阳电池中各种钝化膜和表面钝化技术 。阐述了国内和国际对晶体硅太阳电池 表面钝化技术的最新研究动态 , 重点论述了 SiO 2 , SiN x , SiC x 和 Al2 O3 , 以及这些钝化膜的叠 层钝化技术的优缺点 。在此基础上进一步指出 SiO2 / SiN x 叠层钝化膜将成为今后工业化生产的研 究重点, A l2 O3 及其叠层钝化膜将成为今后实验室的研究重点 , 由于表面钝化是提高晶体硅太阳 电池转换效率最有效的手段之一, 今后晶体硅太阳电池表面钝化技术仍将是国内和国际研究的热 点问题之一 。 关键词: 太阳电池; 钝化 ; 减反特性; 转换效率 ; 表面复合; 叠层钝化膜 中图分类号: T M 914. 4; T N305. 2 文献标识码: A 文章编号: 1671 -4776 ( 2011) 02 -0118 -10
118 M icr onanoelectronic T echno logy Vo l. 48 No . 2
Febr uar y 2011
陈
伟等 : 晶体硅太阳电池表 面钝化技术
Key words: solar cell; passivat ion; ant ir ef lect ion charact erist ic; conv ersion eff iciency; surf ace recom binat ion; st ack passivat ion f ilm DOI: 10. 3969/ j. issn. 1671 - 4776. 2011. 02. 010 EEACC: 8420 ; 2550E p 型衬底而言 , 有热氧化法、等离子体增强化学气 相沉积法 ( PECV D) 等; 对于今后采用的 n 型衬 底而言 , 有原子层沉积法 ( AL D) 等。 本文主要介绍晶体硅太阳电池表面钝化膜的作 用 , 并对晶体硅太阳电池表面钝化技术研究动态作 了详细介绍。
晶体硅太阳电池中的氮化硅的刻蚀方法及应用
晶体硅太阳电池中的氮化硅的刻蚀方法及应用晶体硅太阳电池是目前应用最广泛的太阳能电池之一，而氮化硅作为一种优质的抗反射涂层材料，在晶体硅太阳电池的制造过程中起着重要的作用。
本文将介绍氮化硅的刻蚀方法以及其在晶体硅太阳电池中的应用。
我们来了解一下氮化硅。
氮化硅（SiNx）是一种由硅和氮元素组成的化合物。
由于其具有高折射率和较低的表面粗糙度，氮化硅被广泛应用于光学和电子领域。
在晶体硅太阳电池中，氮化硅主要用于减少光的反射，提高太阳能的吸收效率。
氮化硅的刻蚀方法有很多种，其中最常用的是化学气相刻蚀（CVD）和物理气相刻蚀（PECVD）。
化学气相刻蚀是通过在气相中加热氮化硅前体气体，使其分解并沉积在晶体硅表面上。
而物理气相刻蚀则是利用高能粒子轰击氮化硅，使其从晶体硅表面脱落。
在晶体硅太阳电池的制造过程中，氮化硅主要应用于两个方面。
首先是作为抗反射涂层，能够减少太阳能的反射损失，提高光的吸收效率。
其次是作为隔离层，能够防止电子和空穴之间的重新组合，提高电池的效率和稳定性。
在抗反射涂层方面，氮化硅能够降低晶体硅表面的反射率，提高光的吸收效率。
通过控制氮化硅的厚度和折射率，可以实现对特定波长范围内光的最小反射。
这样一来，太阳能光线能够更好地穿透氮化硅层，达到晶体硅表面，从而增加光的吸收量。
在隔离层方面，氮化硅能够阻止电子和空穴之间的重新组合，减少电池中的能量损失。
在晶体硅太阳电池中，光线击中晶体硅表面后会产生电子和空穴。
如果电子和空穴能够迅速重新组合，那么电池的效率就会降低。
而氮化硅隔离层的引入可以有效延长电子和空穴的寿命，降低它们之间的重新组合速率，从而提高电池的效率和稳定性。
除了在晶体硅太阳电池中的应用，氮化硅还广泛应用于其他领域。
例如，在光学器件中，氮化硅可以用作抗反射涂层、光波导层和光学滤波器。
在电子器件中，氮化硅可以用作绝缘层、通孔填充材料和表面保护层。
此外，氮化硅还具有良好的化学稳定性和机械强度，因此也可以用作防腐蚀涂层和耐磨涂层。
晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究
晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究
晶体硅太阳电池作为一种新兴的太阳能发电技术，其外表面应具有良好的表面活性性能，以保证电池的高效发电性能。
但晶体硅表面的活性性能往往受到空气中的污染物的影响，为了改善这一现象，研究人员开展了对晶体硅太阳电池表面的氮化硅钝化研究。
氮化硅钝化研究是指在高温下，将蒸气中的氮源添加到晶体硅表面，形成一层厚薄的氮化硅膜，以钝化晶体硅表面，减少表面污染，改善电池的稳定性。
首先，在实验中，研究人员使用电弧气体溅射机对晶体硅表面进行氮化硅钝化处理。
在氮化硅钝化处理过程中，将电弧气体添加到晶体硅表面，在高温环境下产生自熔合效应，形成一层薄的氮化硅膜。
氮化硅膜的厚度一般在1~3微米之间，具有良好的耐磨性能，能够有效阻止污染物的吸附，改善晶体硅表面的稳定性。
其次，在试验中，研究人员还将晶体硅表面的氮化硅膜进行了多种改性处理，包括气相添加、物相添加和加热处理等。
通过改性处理，可以提高氮化硅膜的耐磨性能，改善晶体硅表面的表面活性性能，有效阻止污染物的吸附，以保证电池的高效发电效果。
最后，通过对晶体硅表面的氮化硅钝化处理，可以有效抑制污染物的吸附，降低表面活性能，抑制电池表面的电池浪涌现象，保证电池的可靠性。
此外，氮化硅膜也具有良好的耐热和耐腐蚀性能，可以有效保护晶体硅太阳电池免受外界空气环境和污染物的损害，以便提高太阳电池的发电效率和使用寿命。
综上所述，晶体硅太阳电池表面的氮化硅钝化处理，可以有效抑制污染物的吸附，改善电池的稳定性，降低太阳电池的耗能，保证其高效发电性能。
由此，氮化硅钝化技术将成为太阳能发电领域的一项重要技术，对于提高太阳电池的发电性能具有重要意义。
晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究
文 章编 号 ：２ ３ ９ ７ ２ ０ ）６０ ５ —４ ０ ５ － ８ Ｘ（０ ２ ０ —６ １ ０
晶 体 硅 太 阳 电 池 的 氮 化 硅 表 面 钝 化 研 究
杨 宏 ，王 鹤 ，于化 丛 ，奚建平 ，胡宏 勋。 ，陈光德
（． 安交通大学理学院 ， １０９ １西 ７ ０ ４ ，西安 ；２ 上 海 交 通 大学 太 用 能研 究 所 ） ．
ｆ ｕ ｄ ｔ ａ ｈ ｉ ｃ ｎ ｎ ｔｉｅ ｓｌ ｏ ｘｄ ｏ ｂｅ ｌｙ ｒ ｏ ｔ ａ ｎｔ ｅｌｃｉｎ ｃ ａｉ ｇ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｎ ｈ ｔｔ ｅ ｓｌ ｏ ｉ ｄ ／ ｉ ｃ ｎ ｏ ｉ ｅｄ ｕ ｌ ａ ｅ ｐ ｉ ｌａ ｉ ｆｅ ｔｏ ｏ ｔ ｓ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｒ ｉ ｃ ｒ ｎ
太 阳电池 能起到 更加 有效 的表 面钝 化作 用， 高 了太阳 电池 的光 电转 换 效 率． 于界 面物 理 ， 出 提 基 提 了一种新 的能 带模 型 ， 解释 了用不 同实验 方 法制作 的 晶体硅 太阳 电池性 能 的差异． 关键 词 ；太 阳电池 ； 面钝化 ；ｉ＿： 等 离子 增强化 学 气相 沉 积 表 ＳＮｒ Ｈ； 中图分类号 ；ＴＭ９４ ４ 文献标 识码 ：Ａ １． Ｉ ｅ ｔｇ ｔｏ ｏ ｓ ｉａ ｉ ｇ Ｓ ｌｃ ｎ ＮｉｒｄｅＳ ｒａ ｅ ｏ ｎｖ ｓｉａ ｉｎ ｎ Ｐａ ｓｖ ｔｎ ｉｉｏ ｔ ｉ ｕ ｆ ｃ ｆ Ｃｒ ｓａ ｌｎｅＳ ｌｃ ｎ ｏａ ｌｓ ｙ ｔ ｌｉ ｉｉｏ Ｓ ｌ ｒＣｅｌ
摘要 ：为 了提 高晶体硅 太 阳电池 的光 电转换效 率 ， 究 了用等 离子增 强化 学气相 沉 积（ Ｅ ￣３ 的 研 Ｐ Ｃ ｑ）
ＳＮ －Ｈ作为晶体硅 太阳电池的表 面钝化及减反射膜时电池性能的影响， ｉａ ： 并采用不 同的工艺路线 制 备 了不 同类 型的 电池． 实验发现 ： ＳＮｒ Ｈ 比较 ，ｉｘ： Ｓ０２ 同 ｉ＿： ＳＮ Ｈ／ ｉ 双层 光 学减反 射 结构 时 晶体硅
晶体硅太阳电池中的氮化硅的刻蚀方法及应用
晶体硅太阳电池中的氮化硅的刻蚀方法及应用
氮化硅是一种广泛应用于晶体硅太阳电池中的材料，常用于制备太阳电池的反射层和抗反射层。
氮化硅可以通过湿法和干法两种方式进行刻蚀。
湿法刻蚀是使用一种含有氢氟酸的溶液与氮化硅表面发生反应，溶解掉部分氮化硅材料。
湿法刻蚀的优点是刻蚀速度较快，可控性较好，且不会对硅基底材料造成损伤。
但是湿法刻蚀需要处理腐蚀性溶液，操作相对危险，且对环境的影响较大。
干法刻蚀是在真空或气氛控制下，使用一种高能量的离子束轰击氮化硅表面，将表面的氮化硅物质剥离掉。
干法刻蚀的优点是刻蚀过程中没有液体溶液的参与，操作相对安全，且对环境的影响较小。
但干法刻蚀的缺点是刻蚀速度较慢，且需要较高的设备成本。
氮化硅的应用主要集中在晶体硅太阳电池中的反射层和抗反射层。
在反射层中，氮化硅可以提供较高的反射率，使太阳能光线得到更好的反射，提高光电转换效率。
在抗反射层中，氮化硅可以减少表面的光反射，提高光的吸收率，进一步提高光电转换效率。
此外，氮化硅还可以用于制备其他太阳电池组件的材料，如背表面场层等。
硅晶电池表面钝化机制
硅晶电池表面钝化机制硅晶电池是一种常见的太阳能电池类型，其表面钝化机制十分重要。
本文将深入探讨硅晶电池表面钝化的原理、方法和应用，以及我对此的观点和理解。
一、硅晶电池表面钝化的原理硅晶电池的表面钝化是为了减少表面缺陷和电子复合的损失，从而提高光电转换效率。
在正常情况下，硅表面上存在着大量的表面缺陷，如氧化物和杂质等。
这些缺陷导致电子与空穴复合，减少了电池的光电转换效率。
因此，通过表面钝化可以修复这些缺陷，并提高电池的性能。
二、硅晶电池表面钝化的方法1. 氧化钝化：氧化钝化是最常见的硅晶电池表面处理方法之一。
通过将硅片暴露在氧气环境中，表面形成一层氧化硅薄膜。
该氧化层可以修复表面缺陷并防止电子和空穴的复合。
2. 成膜钝化：成膜钝化使用一种或多种材料在硅表面形成一层薄膜。
常用的材料包括硅氮化物、硅氧化物和硅碳化物等。
这些膜层可以修复表面缺陷并提高光电转换效率。
3. 离子注入：离子注入是一种通过将离子注入硅表面来修复缺陷的方法。
通过注入不同种类的离子，可以改善表面的缺陷并提高电池性能。
三、硅晶电池表面钝化的应用硅晶电池表面钝化在太阳能电池领域具有广泛的应用。
通过表面钝化，硅晶电池的光电转换效率可以显著提高。
这使得硅晶电池成为当前最常用的太阳能电池类型之一。
此外，硅晶电池表面钝化还可以应用于其他光电器件，如光电传感器和光电发射器等。
通过钝化表面，可以降低电子和空穴之间的复合速率，提高器件的性能。
四、对硅晶电池表面钝化的观点和理解从我的观点来看，硅晶电池表面钝化在太阳能电池领域具有重要的作用。
通过钝化表面，可以修复缺陷、减少能量损失，并提高电池的效率和稳定性。
这对于太阳能的可持续发展至关重要。
此外，硅晶电池表面钝化的方法不断在不同科研领域进行探索和改进。
新的表面钝化方法的研究有助于提高电池的性能，并推动太阳能电池技术的发展。
总之，硅晶电池表面钝化是提高光电转换效率和电池性能的重要手段。
通过深入研究和探索，我们可以不断改进表面钝化方法，为可再生能源的广泛应用做出更大的贡献。
晶体硅太阳能电池表面钝化技术研究进展
电子技术• Electronic Technology78 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】太阳能电池 表面钝化 转化效率 钝化膜随着现在社会经济的不断发展，社会事业中各项活动也在不断的增加，与此同时，能源的消耗量逐渐的加大，传统的不可再生能源对于环境也存在一定的影响。
在这样的背景下，有效的开发新型环保的可再生能源，成为现在的重要工作。
在诸多新型能源中，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染新型能源，并且，相较于其他能源来说，在转变时也更为方便，因此，合理有效的开发太阳能成为新时代能源开发中的重要组成部分。
就现在的实际情况来看，合理高效的转化太阳能是现在太阳能运用中的关键所在，现在我们对于太阳能的运用相对还是较少的，还需要不断的发展技术，从而更加高效的转化太阳能以及不断的降低运用太阳能的成本。
晶体硅太阳能电池是太阳能运用中相对较多的一项技术，对于该项研究来说，再进行太阳能转化效率的提升是非常困难的，因此，这就需要进行太阳能转化成本的有效降低。
降低晶体硅太阳能电池的成本，就需要有效的控制太阳能电池中硅片的厚度，不断降低硅片厚度才能够不断的降低太阳能电池的生产成本。
但与此同时，过度降低太阳能电池中硅片的厚度又会导致太阳能转化效率的降低，因此，如何能够在有效降低太阳能电池硅片厚度的基础上而又不降低电池的转化效率，这成为现在太阳能电池应用过程中的重要问题。
1 硅片表面特性对于硅片来说，表面复合就是指硅片的表面存在的复合过程，在整个复合的过程中，硅片中存在的部分粒子会受到硅片表面复合状态的影响，而受到相应的变化。
硅片的表面主要会有以下三个方面的特点：首先是硅片的表面晶体硅太阳能电池表面钝化技术研究进展文/刘少华表面钝化膜技术是晶体硅太阳能电池中重要的技术，表面钝化膜在晶体硅太阳能电池的应用中，能够有效的提升太阳能的转化效率，从而为现代事业的发展提供更大的能源支持。
晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究
第36卷 第6期2002年6月 西 安 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITYVol.36 №6J un.2002文章编号:0253-987X(2002)0620651204晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究杨 宏1,王 鹤1,于化丛2,奚建平2,胡宏勋2,陈光德1(1.西安交通大学理学院,710049,西安; 2.上海交通大学太阳能研究所)摘要:为了提高晶体硅太阳电池的光电转换效率,研究了用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的SiN x:H作为晶体硅太阳电池的表面钝化及减反射膜对电池性能的影响,并采用不同的工艺路线制备了不同类型的电池.实验发现:同SiN x:H比较,SiN x:H/SiO2双层光学减反射结构对晶体硅太阳电池能起到更加有效的表面钝化作用,提高了太阳电池的光电转换效率.基于界面物理,提出了一种新的能带模型,解释了用不同实验方法制作的晶体硅太阳电池性能的差异.关键词:太阳电池;表面钝化;SiN x:H;等离子增强化学气相沉积中图分类号:TM91414 文献标识码:AInvestigation on Passivating Silicon Nitride Surface ofCrystalline Silicon Solar CellsY ang Hong1,W ang He1,Y u Huacong2,Xi Jianpi ng2,Hu Hongx un2,Chen Guangde1(1.School of Sciences,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China;2.Institute of Solar Energy,Shanghai Jiaotong University)Abstract:In order to improve photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon solar cells,some effects of surface passivation quality and antireflection properties of silicon nitride prepared by plasma enhanced chemical vapour deposition on crystalline silicon solar cells are investigated.All kinds of crys2 talline silicon solar cells were prepared by different process methods.It was found that the silicon ni2 tride/silicon oxide double layer optical antireflection coatings structure shows excellent passivation properties for crystalline solar cells compared to silicon nitride,so photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon solar cells is enhanced.Based on interface physics,a new energy band model of sili2 con nitride/silicon oxide/silicon is presented,differences of efficiency of crystalline silicon solar cells prepared by different methodes are explained by this model.K eyw ords:solar cells;surf ace passivation;silicon nit ri de;plasm a enhanced chem ical vapour deposi2 tion 目前,适于作晶体硅太阳电池光学减反射膜的材料有SiO2、TiO x、SiN x:H等薄膜材料.SiO2的折射率(114)太低,光学减反射效果不好;TiO x的折射率虽然接近晶体硅太阳电池最佳光学减反射膜的收稿日期:2001210211. 作者简介:杨 宏(1968～),男,讲师. 基金项目:西安交通大学博士学位论文基金资助项目.理论值,但TiO x没有表面钝化功能;SiN x:H光学薄膜具有折射率(210～212)高、透明波段中心与太阳光的可见光谱波段符合(550nm)且兼具表面钝化和体钝化等特点,是一种用作晶体硅太阳电池减反射及钝化膜的理想材料,其成膜工艺、钝化及减反射性能越来越得到人们的重视.1981年,Hezel和Schorner首先将等离子增强化学气相沉积(PECVD)SiN x:H薄膜的技术引入晶体硅太阳电池的制作工艺中,随后便成功地开发出了转化效率为15%～1518%的M IS-IL太阳电池[1].自此,用PECVD法沉积的SiN x:H作为晶体硅太阳电池的光学减反及钝化膜,引起了人们极大的兴趣,出现了PESC、PERC、PERL等新型结构的高效太阳电池.最近几年的发展说明,PECVD法沉积的SiN x:H是获得高效晶体硅太阳电池最有效的手段之一[2～4].虽然用PECVD法沉积的SiN x:H薄膜作为晶体硅太阳电池的光学减反及钝化膜在国外少数公司里已进入了商业化生产[4],但是关于SiN x:H薄膜的热稳定性及钝化的机理至今却有一些不同的看法[5].一些先进的实验室不断地对其性能进行改进,使其能更好地满足晶体硅太阳电池对光学减反及钝化膜的理论要求[4].本文系统地研究了SiN x: H、SiN x:H/SiO2作为晶体硅太阳电池光学减反射薄膜对电池性能的影响,建立了SiN x:H/SiO2/Si 能带模型,从半导体界面物理的角度解释了实验中发现的问题.1 实验研究实验选用了125×125mm2、晶向为100的太阳电池级准方硅片(CZ-Si),电阻率为1Ω・cm,厚度为350μm.绒面的制作是在NaOH和CH3COOH的混合液中进行的.PN结制作采用POCl3液态源扩散方法,方块电阻(5点平均值)范围为35～40Ω/□.干氧氧化在石英管中进行,干氧氧化层的厚度为10nm左右.采用高频直接PECVD法[3]沉积SiN x:H薄膜,反应气体为SiH4和N H3,衬底温度为375℃.SiN x:H薄膜的折射率为210～211(λ= 63218nm),薄膜的厚度为60～70nm,其折射率n、消光系数k及膜厚由椭偏仪测得.为了避免反应离子对硅片表面的轰击损伤,等离子体的激励频率选为13156MHz.SiN x:H薄膜的烧穿在快速热处理(R TP)炉中进行.3组样品A、B、C是从同一批扩散的硅片中随机选取的,制作工艺分别如下.(1)A:清洗制绒→磷扩散→等离子刻边→印刷烧结→PECVD SiN x:H→测试.(2)B:清洗制绒→磷扩散→等离子刻边→干氧氧化→PECVD SiN x:H→印刷烧穿→测试.(3)C:清洗制绒→磷扩散→等离子刻边→干氧氧化、通汽→PECVD SiN x:H→印刷烧穿→测试.图1示出了晶体硅太阳电池的截面图,绒面的扫描电镜如图2所示,图3为硅片绒面的反射率R 与波长的关系.由图3可以看出,实验制备的绒面结构在整个波长内具有很好的陷光效应.实验结果如表1所示,表2示出了经过一段时间光照后3种电池光电转换效率的比较.图1 晶体硅太阳电池的截面图图2 绒面的扫描电镜照片图3 硅片绒面的反射率与波长的关系256西 安 交 通 大 学 学 报 第36卷 表1 3种样品电池光电转换效率的比较样品光电转换效率/%平均值/%A 13131219131013131312121812191218131113103B 13191410131613191412131713181318131913187C14111319131914101413141113181415141214109表2 经过一段时间光照后3种样品电池光电转换效率的比较样品光电转换效率/%平均值/%A 12121210111912141211111912111210121212109B 13161318131413161318131613161316131713163C141013171318131914101410131614131410131922 SiN x :H/SiO 2/Si 界面特性分析依据界面物理,SiN x :H/SiO 2/Si 应该有如图4所示的能带结构.由于Si/SiO 2界面是一个过渡区域,即从硅氧四面体结构的SiO 2到共价结构的Si 的过渡层,从实验结果来看,这种结构较A 型电池中的SiN x :H/Si 结构具有更好的表面纯化性能及稳定性.这一方面是由于在SiN x :H/Si 结构中,界面陷阱密度高,因而在界面处会引入更多的界面态;另一方面很可能是因为SiN x :H 对Si 形成的势垒较低,发射区外的电子被SiN x :H 中的陷阱所俘获,从而使表面能带向上弯曲,在界面形成少子势垒,阻碍了界面产生的少子在电场中的漂移运动,加速了界面的复合.但是,对SiN x :H/SiO 2/Si 结构而言,界面态密度较小,且绝缘层中的正电荷使Si 的表面能带向下弯曲,弯曲方向与结区能带弯曲方向一致,成为空穴的势垒,反射了界面的光生少子2空穴,从而降低了表面复合.图4 SiN x :H/SiO 2/Si 的能带结构图3 结果和讨论(1)由表1可看出,A 型电池的性能不及B 型电池的性能.这一方面是因为SiN x :H 的表面钝化效果不如SiO 2/SiN x :H 双层结构好;另一方面是因为在B 型电池的制备过程中,SiN x :H 中大量的氢原子在烧结工艺中会扩散至Si/SiO 2界面,饱和了剩余的悬挂键,从而进一步降低了表面复合速度[6].(2)在表1中,B 型电池的性能不及C 型电池的性能.这是因为干氧氧化有较高的界面态密度,加入1%～2%左右的水蒸气减少了界面态密度,从而降低了表面复合速度,提高了电池性能,但过量的水蒸气反而会降低电池的性能[7].(3)由表1和表2的对比可看出,经过长时间光照后,B 型和C 型电池的电性能变化不是很明显,A 型电池的性能则有明显的退化现象.这很可能是因为在Si 上直接沉积的SiN x :H 薄膜附着力不好,长时间光照引起的温度冲击使SiN x :H 膜层脱落所致.4 结 论(1)SiN x :H 薄膜的表面钝化降低了晶体硅太阳电池发射极的表面复合速度,减小了暗电流,提高了太阳电池的开路电压,从而提高了太阳电池的光电转换效率.(2)基于SiN x :H 表面钝化的烧穿工艺,免去了电池焊接时的主栅线去减反射膜工艺,可直接焊接,提高了焊接的可靠性和劳动效率.356 第6期 杨 宏,等:晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究这个和我以前的想法相反丆湿法原来不是那么好的钝化效果(3)SiN x:H中含有大量的原子氢,在烧穿工艺中,高温瞬时退火断裂了N H和Si H键,氢原子扩散进界面及基片,钝化了表面及位错上的悬挂键,减小了界面态密度.(4)PECVD法沉积SiN x:H薄膜具有沉积温度低、薄膜性能稳定等优点,是未来廉价晶体硅太阳电池最理想的光学减反射和钝化膜.(5)从实验结果来看,SiN x:H/SiO2双层钝化及减反射膜较SiN x:H单层减反射膜效果好.参考文献:[1] Aberie A G.talline siliconS olar Cells[2] Nijs J FfectiveTransactions967.[3] 杨 宏,王 鹤,陈光德,等.多晶硅太阳电池的氮化硅钝化[J].半导体情报,2001,(6):39～41.[4] Schmidt J,K err M.Highest2quality surface passivation oflow2resistivty p2type silicon using stoichiometric PECVD silicon nitride[J].S olar Energy Materials&S olar Cells, 2001,65:249～259.[5] Fujii S,Fukawa Y.Production technology of large areamulticrystalline silicon solar cells[J].S olar Energy Mate2 rials&S olar Cells,2001,65:269～275.[6] Slufzik J,de Clercq K.Improvement in multicrystallinecells after thermal treatment of PECVD siliconcoating[A].The12th European PhotovoltaicConference[C].Stephens:Bedford,1994.1He,Chen Guangde,et al.A study offor monolithic polycrystalline siliconS olar Energy Materials&S olar Cells,412.(编辑 杜秀杰)《西安交通大学学报》自动化技术类论文回顾(二)15.基于线性变参数H∞反馈的机器人迭代学习控制器设计.西安交通大学学报,2001(06)16.Volterra泛函级数辨识中维数灾难的一种解决方法.西安交通大学学报,2001(06)17.闪速炉的仿人模糊质量控制模型.西安交通大学学报,2001(07)18.一种基于软件寻位的数控加工技术.西安交通大学学报,2001(07)19.用于业务流设计的一种多Agent模型.西安交通大学学报,2001(08)20.具有极点配置的不确定性机器人鲁棒H∞控制.西安交通大学学报,2001(08)21.多色集合在加工系统建模与分析时的应用.西安交通大学学报,2001(09)22.基于快速成型制造技术的滴管快速制造方法研究.西安交通大学学报,2001(09)23.基于粗糙集与模糊神经网络的多级压缩机诊断.西安交通大学学报,2001(09)24.基于模糊彩色Petri网的知识表示与获取研究.西安交通大学学报,2001(10)25.基于Volterra级数模型的非线性系统的鲁棒自适应辨识.西安交通大学学报,2001(10)26.具有矩形模糊参数的大工业过程关联平衡法.西安交通大学学报,2001(10)27.混凝土生产输送浇注过程计算机综合监控系统.西安交通大学学报,2001(10)28.具有死区的饱和工业过程控制系统的迭代学习控制.西安交通大学学报,2001(10)29.含可变时延的大规模通用神经网络动力系统的吸引域.西安交通大学学报,2001(10)456西 安 交 通 大 学 学 报 第36卷 。
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第36卷 第6期2002年6月 西 安 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITYVol.36 №6J un.2002文章编号:0253-987X(2002)0620651204晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究杨 宏1,王 鹤1,于化丛2,奚建平2,胡宏勋2,陈光德1(1.西安交通大学理学院,710049,西安; 2.上海交通大学太阳能研究所)摘要:为了提高晶体硅太阳电池的光电转换效率,研究了用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的SiN x:H作为晶体硅太阳电池的表面钝化及减反射膜对电池性能的影响,并采用不同的工艺路线制备了不同类型的电池.实验发现:同SiN x:H比较,SiN x:H/SiO2双层光学减反射结构对晶体硅太阳电池能起到更加有效的表面钝化作用,提高了太阳电池的光电转换效率.基于界面物理,提出了一种新的能带模型,解释了用不同实验方法制作的晶体硅太阳电池性能的差异.关键词:太阳电池;表面钝化;SiN x:H;等离子增强化学气相沉积中图分类号:TM91414 文献标识码:AInvestigation on Passivating Silicon Nitride Surface ofCrystalline Silicon Solar CellsY ang Hong1,W ang He1,Y u Huacong2,Xi Jianpi ng2,Hu Hongx un2,Chen Guangde1(1.School of Sciences,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China;2.Institute of Solar Energy,Shanghai Jiaotong University)Abstract:In order to improve photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon solar cells,some effects of surface passivation quality and antireflection properties of silicon nitride prepared by plasma enhanced chemical vapour deposition on crystalline silicon solar cells are investigated.All kinds of crys2 talline silicon solar cells were prepared by different process methods.It was found that the silicon ni2 tride/silicon oxide double layer optical antireflection coatings structure shows excellent passivation properties for crystalline solar cells compared to silicon nitride,so photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon solar cells is enhanced.Based on interface physics,a new energy band model of sili2 con nitride/silicon oxide/silicon is presented,differences of efficiency of crystalline silicon solar cells prepared by different methodes are explained by this model.K eyw ords:solar cells;surf ace passivation;silicon nit ri de;plasm a enhanced chem ical vapour deposi2 tion 目前,适于作晶体硅太阳电池光学减反射膜的材料有SiO2、TiO x、SiN x:H等薄膜材料.SiO2的折射率(114)太低,光学减反射效果不好;TiO x的折射率虽然接近晶体硅太阳电池最佳光学减反射膜的收稿日期:2001210211. 作者简介:杨 宏(1968～),男,讲师. 基金项目:西安交通大学博士学位论文基金资助项目.理论值,但TiO x没有表面钝化功能;SiN x:H光学薄膜具有折射率(210～212)高、透明波段中心与太阳光的可见光谱波段符合(550nm)且兼具表面钝化和体钝化等特点,是一种用作晶体硅太阳电池减反射及钝化膜的理想材料,其成膜工艺、钝化及减反射性能越来越得到人们的重视.1981年,Hezel和Schorner首先将等离子增强化学气相沉积(PECVD)SiN x:H薄膜的技术引入晶体硅太阳电池的制作工艺中,随后便成功地开发出了转化效率为15%～1518%的M IS-IL太阳电池[1].自此,用PECVD法沉积的SiN x:H作为晶体硅太阳电池的光学减反及钝化膜,引起了人们极大的兴趣,出现了PESC、PERC、PERL等新型结构的高效太阳电池.最近几年的发展说明,PECVD法沉积的SiN x:H是获得高效晶体硅太阳电池最有效的手段之一[2～4].虽然用PECVD法沉积的SiN x:H薄膜作为晶体硅太阳电池的光学减反及钝化膜在国外少数公司里已进入了商业化生产[4],但是关于SiN x:H薄膜的热稳定性及钝化的机理至今却有一些不同的看法[5].一些先进的实验室不断地对其性能进行改进,使其能更好地满足晶体硅太阳电池对光学减反及钝化膜的理论要求[4].本文系统地研究了SiN x: H、SiN x:H/SiO2作为晶体硅太阳电池光学减反射薄膜对电池性能的影响,建立了SiN x:H/SiO2/Si 能带模型,从半导体界面物理的角度解释了实验中发现的问题.1 实验研究实验选用了125×125mm2、晶向为100的太阳电池级准方硅片(CZ-Si),电阻率为1Ω・cm,厚度为350μm.绒面的制作是在NaOH和CH3COOH的混合液中进行的.PN结制作采用POCl3液态源扩散方法,方块电阻(5点平均值)范围为35～40Ω/□.干氧氧化在石英管中进行,干氧氧化层的厚度为10nm左右.采用高频直接PECVD法[3]沉积SiN x:H薄膜,反应气体为SiH4和N H3,衬底温度为375℃.SiN x:H薄膜的折射率为210～211(λ= 63218nm),薄膜的厚度为60～70nm,其折射率n、消光系数k及膜厚由椭偏仪测得.为了避免反应离子对硅片表面的轰击损伤,等离子体的激励频率选为13156MHz.SiN x:H薄膜的烧穿在快速热处理(R TP)炉中进行.3组样品A、B、C是从同一批扩散的硅片中随机选取的,制作工艺分别如下.(1)A:清洗制绒→磷扩散→等离子刻边→印刷烧结→PECVD SiN x:H→测试.(2)B:清洗制绒→磷扩散→等离子刻边→干氧氧化→PECVD SiN x:H→印刷烧穿→测试.(3)C:清洗制绒→磷扩散→等离子刻边→干氧氧化、通汽→PECVD SiN x:H→印刷烧穿→测试.图1示出了晶体硅太阳电池的截面图,绒面的扫描电镜如图2所示,图3为硅片绒面的反射率R 与波长的关系.由图3可以看出,实验制备的绒面结构在整个波长内具有很好的陷光效应.实验结果如表1所示,表2示出了经过一段时间光照后3种电池光电转换效率的比较.图1 晶体硅太阳电池的截面图图2 绒面的扫描电镜照片图3 硅片绒面的反射率与波长的关系256西 安 交 通 大 学 学 报 第36卷 表1 3种样品电池光电转换效率的比较样品光电转换效率/%平均值/%A 13131219131013131312121812191218131113103B 13191410131613191412131713181318131913187C14111319131914101413141113181415141214109表2 经过一段时间光照后3种样品电池光电转换效率的比较样品光电转换效率/%平均值/%A 12121210111912141211111912111210121212109B 13161318131413161318131613161316131713163C141013171318131914101410131614131410131922 SiN x :H/SiO 2/Si 界面特性分析依据界面物理,SiN x :H/SiO 2/Si 应该有如图4所示的能带结构.由于Si/SiO 2界面是一个过渡区域,即从硅氧四面体结构的SiO 2到共价结构的Si 的过渡层,从实验结果来看,这种结构较A 型电池中的SiN x :H/Si 结构具有更好的表面纯化性能及稳定性.这一方面是由于在SiN x :H/Si 结构中,界面陷阱密度高,因而在界面处会引入更多的界面态;另一方面很可能是因为SiN x :H 对Si 形成的势垒较低,发射区外的电子被SiN x :H 中的陷阱所俘获,从而使表面能带向上弯曲,在界面形成少子势垒,阻碍了界面产生的少子在电场中的漂移运动,加速了界面的复合.但是,对SiN x :H/SiO 2/Si 结构而言,界面态密度较小,且绝缘层中的正电荷使Si 的表面能带向下弯曲,弯曲方向与结区能带弯曲方向一致,成为空穴的势垒,反射了界面的光生少子2空穴,从而降低了表面复合.图4 SiN x :H/SiO 2/Si 的能带结构图3 结果和讨论(1)由表1可看出,A 型电池的性能不及B 型电池的性能.这一方面是因为SiN x :H 的表面钝化效果不如SiO 2/SiN x :H 双层结构好;另一方面是因为在B 型电池的制备过程中,SiN x :H 中大量的氢原子在烧结工艺中会扩散至Si/SiO 2界面,饱和了剩余的悬挂键,从而进一步降低了表面复合速度[6].(2)在表1中,B 型电池的性能不及C 型电池的性能.这是因为干氧氧化有较高的界面态密度,加入1%～2%左右的水蒸气减少了界面态密度,从而降低了表面复合速度,提高了电池性能,但过量的水蒸气反而会降低电池的性能[7].(3)由表1和表2的对比可看出,经过长时间光照后,B 型和C 型电池的电性能变化不是很明显,A 型电池的性能则有明显的退化现象.这很可能是因为在Si 上直接沉积的SiN x :H 薄膜附着力不好,长时间光照引起的温度冲击使SiN x :H 膜层脱落所致.4 结 论(1)SiN x :H 薄膜的表面钝化降低了晶体硅太阳电池发射极的表面复合速度,减小了暗电流,提高了太阳电池的开路电压,从而提高了太阳电池的光电转换效率.(2)基于SiN x :H 表面钝化的烧穿工艺,免去了电池焊接时的主栅线去减反射膜工艺,可直接焊接,提高了焊接的可靠性和劳动效率.356 第6期 杨 宏,等:晶体硅太阳电池的氮化硅表面钝化研究这个和我以前的想法相反丆湿法原来不是那么好的钝化效果(3)SiN x:H中含有大量的原子氢,在烧穿工艺中,高温瞬时退火断裂了N H和Si H键,氢原子扩散进界面及基片,钝化了表面及位错上的悬挂键,减小了界面态密度.(4)PECVD法沉积SiN x:H薄膜具有沉积温度低、薄膜性能稳定等优点,是未来廉价晶体硅太阳电池最理想的光学减反射和钝化膜.(5)从实验结果来看,SiN x:H/SiO2双层钝化及减反射膜较SiN x:H单层减反射膜效果好.参考文献:[1] Aberie A G.talline siliconS olar Cells[2] Nijs J FfectiveTransactions967.[3] 杨 宏,王 鹤,陈光德,等.多晶硅太阳电池的氮化硅钝化[J].半导体情报,2001,(6):39～41.[4] Schmidt J,K err M.Highest2quality surface passivation oflow2resistivty p2type silicon using stoichiometric PECVD silicon nitride[J].S olar Energy Materials&S olar Cells, 2001,65:249～259.[5] Fujii S,Fukawa Y.Production technology of large areamulticrystalline silicon solar cells[J].S olar Energy Mate2 rials&S olar Cells,2001,65:269～275.[6] Slufzik J,de Clercq K.Improvement in multicrystallinecells after thermal treatment of PECVD siliconcoating[A].The12th European PhotovoltaicConference[C].Stephens:Bedford,1994.1He,Chen Guangde,et al.A study offor monolithic polycrystalline siliconS olar Energy Materials&S olar Cells,412.(编辑 杜秀杰)《西安交通大学学报》自动化技术类论文回顾(二)15.基于线性变参数H∞反馈的机器人迭代学习控制器设计.西安交通大学学报,2001(06)16.Volterra泛函级数辨识中维数灾难的一种解决方法.西安交通大学学报,2001(06)17.闪速炉的仿人模糊质量控制模型.西安交通大学学报,2001(07)18.一种基于软件寻位的数控加工技术.西安交通大学学报,2001(07)19.用于业务流设计的一种多Agent模型.西安交通大学学报,2001(08)20.具有极点配置的不确定性机器人鲁棒H∞控制.西安交通大学学报,2001(08)21.多色集合在加工系统建模与分析时的应用.西安交通大学学报,2001(09)22.基于快速成型制造技术的滴管快速制造方法研究.西安交通大学学报,2001(09)23.基于粗糙集与模糊神经网络的多级压缩机诊断.西安交通大学学报,2001(09)24.基于模糊彩色Petri网的知识表示与获取研究.西安交通大学学报,2001(10)25.基于Volterra级数模型的非线性系统的鲁棒自适应辨识.西安交通大学学报,2001(10)26.具有矩形模糊参数的大工业过程关联平衡法.西安交通大学学报,2001(10)27.混凝土生产输送浇注过程计算机综合监控系统.西安交通大学学报,2001(10)28.具有死区的饱和工业过程控制系统的迭代学习控制.西安交通大学学报,2001(10)29.含可变时延的大规模通用神经网络动力系统的吸引域.西安交通大学学报,2001(10)456西 安 交 通 大 学 学 报 第36卷 。