多晶硅太阳电池的氮化硅薄膜性能研究

1、第34卷第5期河北工业大学学报2005年10月V ol.34No.5JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY October2005文章编号:1007-2373(200505-0027-04多晶硅太阳电池的氮化硅薄膜性能研究勾宪芳1,2,许颖2,任丙彦1,马丽芬1,2(1.河北工业大学信息功能材料研究所,天津300130;2.北京市太阳能研究所,北京100083摘要:用等离子体化学气相沉积(PECVD法,通过改变SiH4N2/NH3的流量比沉积SiN薄膜.用椭圆偏振仪、准稳态光电导衰减法(QSSPCD、X射线光电子能谱(XPS、红外吸收光谱(IR、反射

2、谱,测试氮化硅薄膜的厚度、折射率、少子寿命、Si/N、氢含量、反射率.研究了多晶硅太阳电池沉积氮化硅薄膜的性能,结果发现:沉积温度350,沉积时间5min,SiH4N2/NH3=41时,沉积氮化硅硅片寿命高、氢含量高钝化效果好、反射率低.关键词:多晶硅;太阳电池;等离子体化学气相沉积;氮化硅;少子寿命中图分类号:TK512文献标识码:AThe Characteriztion of Silicon Niteride(SiNThinFilms on Multi-crystalline Solar CellsGOU Xian-fang1,2,XU Ying2,REN Bing-yan1,MA Li-

3、fen1,2(1.Institute of Information and Functional Materials,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China;2.BeijingSolar Energy Research Institute,Beijing100083,ChinaAbstract:In order to study the characterization of SiN thin films on multi-crystalline solar cells,silicon nitridefilms were depos

4、ited by means of the plasma chemical vapor deposition(PECVDwith difference flux of SiH4andNH3in the paper.The characterization of SiN thin films was studied by spectral ellipsometry,infrared absorptionspectroscopy(IR,X-ray Photoelectric Spectroscopy(XPS,quasi-steady state photoconductor decay(QSSPCD

5、measurements and reflection spectra etc.The results show that the best condition to form SiN thin films is depositiontemperature at350for5min,the Si wafer with satisfied minor carriers lifetime and low reflectivity when the ratioofSiH4N2/NH3equal to41.Key words:polycrystalline silicon;solar cell;Sil

6、icon nitride;PECVD;carrier lifetime0引言多晶硅材料中含有大量的位错晶界和过渡族金属等,这些杂质、缺陷和表面态是非平衡载流子的复合中心,导致多晶硅中少数载流子寿命及扩散长度降低1.近年来人们发现氮化硅中的氢能够对多晶体内的杂质、缺陷和晶界进行钝化2,从而提高了器件的性能.因此为提高多晶硅太阳电池的效率,利用氮化硅对多晶硅进行表面钝化和体钝化很有必要;此外,多晶硅表面很难织构化,导致短路电流的降低,因此在多晶硅表面沉积一层减反射膜也是很有必要的.氮化硅薄膜是一种物理、化学性能十分优良的介质膜,具有优良的光电性能、化学稳定性、热稳定性和抗高温氧化性,抗杂质扩散和水

7、汽渗透能力强,硬度高,耐磨损性能好.因此氮化硅不仅是理想的减反射膜,而且还可以同时达到钝化的效果,在光电领域被广泛的应用3.近年来,人们对通过PECVD法使晶体硅太阳电池表面钝化和体钝化的研究非常关注46,但系统的对氮化硅薄膜性能的研究国内外报道很少.所以对于制作高效率低成本的多晶硅太阳电池,沉积高质量的氮化硅薄膜的研究收稿日期:2005-05-12基金项目:北京市科技新星计划(H020*作者简介:勾宪芳(1976-,女(汉族,硕士生.28河北工业大学学报第34卷是很有意义的.1实验1.1实验装置本实验采用等离子体化学气相沉积(PECVD法沉积氮化硅薄膜,这种方法沉积温度低、均匀性好、薄膜缺陷

8、密度低.PECVD沉积氮化硅一般由SiH4和NH3在等离子体气氛下反应生成,反应式如下6:S i H4+N H3 m,电阻率1.15cm;单晶硅片厚度690m in m in 29勾宪芳,等:多晶硅太阳电池的氮化硅薄膜性能研究第5期递增,这是由于氮化硅膜钝化了晶体表面,减少了表面复合中心,从而寿命上升;当SiH 4N 2/NH 3=5、6时少子寿命迅速下降,由于钝化的效果减弱;当SiH 4N 2/NH 3=7时,少子寿命又有所回升.当SiH 4N 2/NH 3=4时,少子寿命增加的最多.多晶硅片和单晶硅片变化趋势一致,但是单晶硅片比多晶硅片少子寿命上升或下降的幅度大,单晶硅片的少子寿命上升幅度

9、大不仅是因氮化硅薄膜钝化了表面复合中心,而且无晶界,以致于大大减少了非平衡载流子的复合中心,从而使少子寿命大大提高.如图6所示,用反射谱测量按不同流量在单晶硅上沉积氮化硅薄膜的反射率依次为31.21%、27.37%、11.2%、13.62%、11.19%、16.34%.如图7,测得按不同流量在多晶硅上沉积氮化硅薄膜的反射率依次为34%、31.54%、24.22%、11.07%、13.07%、11.17%、18.18%.随着硅烷和氨气配比的加大,对于单晶硅和多晶硅反射率都呈下降趋势.发现在单晶和多晶硅片上当SiH 4N 2/NH 3=41时反射率最小.从图中可以看出对于吸收 波长在500800n

10、m 之间的太阳电池,氮化硅薄膜是优质的减反射膜.当SiH 4N 2/NH 3=6、7时,由于氮化硅薄膜处于富硅状态,测得氮化硅薄膜的反射率曲线没有重复性规律.降低硅片反射率,增强光吸收是提高硅电池效率的重要途径之一.图8为用FT-IR 红外光谱仪测得红外吸收光谱.强度最高的是836cm1.N-H 伸缩振动峰在3364cm1.随着SiH 4N 2/NH 3的流量比增加各个吸收峰的强度都增大.根据W . A.Lanford and M J.Rand 的方法8,在SiH 4与NH 3的图5不同流量沉积氮化硅薄膜的少子寿命差值比的变化Fig.5The change of the difference

11、ratio of lifetime of SiNthin film with different flux图6不同流量在单晶硅上沉积氮化硅薄膜的反射率的变化Fig.6The change of the reflectivity of SiN thin film withdifferent flux in cz-si2345670.80.60.40.20.00.40.8SiH 4N 2/NH 3/nm反射率/%原始21315141图4不同流量沉积氮化硅薄膜的折射率随Si/N 比的变化Fig.4The change of the refractive index of SiN thin film with Si/N1.01.21.4 1.61.81.941.901.861.821.781.74Si/N折射率图3不同流量沉积氮化硅薄膜的Si/N 的变化Fig.3The change of the Si/N of SiN thin film with different flux2345671.81.71.61.51.41.31.21.11.0SiH 4N 2/NH 3S i /N30河北工业大学学报第34卷配比分别为21,31,41,51,61,71六个条件下,氢含量分别为:检测不到;1.62×1017cm2;3.58