天合光能PECVD经典培训.pptx

1、1,PECVD简介,保密,2,利用太阳能电池发电是解决能源问题和环境问题的重要途径之一。目前，80%以上的太阳能电池是由晶体硅材料制备而成的，制备高效率、低成本的晶体硅太阳能电池对于大规模利用太阳能发电有着十分重要的意义。镀膜(PECVD)是制备高效晶体硅太阳能电池的重要步骤之一.,保密,概述,3,PECVD 简介,PECVD的定义、原理、作用,PECVD对电性能影响,PECVD的钝化作用,PECVD设备结构,异常处理规范,产生线性微波源的机理,PECVD的减反射作用(最佳光学匹配),4,定义: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 即“等离子增强

2、型化学气相沉积”，是一种化学气相沉积 原理: PECVD是借助微波使含有薄膜组成原子(Si、N)的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的SixNy薄膜。 反应式如下：SiH4 NH3 -SixNyHz,PECVD的定义、原理,5,PECVD作用：,SixNy之所以被广泛应用是因为它具有独特的无可比拟的优点 : 1.介电常数高 ,其值为 8 Fm-1,而二氧化硅或二氧化钛的均为 3.9 Fm-1; 2.碱离子 (如 Na +)的阻挡能力强 ,并具有捕获 Na +的作用 ; 3. SixNy质硬耐磨 ,疏水性好 ,针孔密度低 ,气体和水汽极难穿透

3、 ;,6,4.减反射效果好 ,SixNy薄膜的折射率接近 2.0 ,比二氧化硅 ( n = 1. 46)、二氧化钛 ( n = 2. 4)更接近太阳电池所需的最佳折射率 1.96 ,是所有已应用的介质膜中最符合太阳电池减反射层要求的 5.PECVD法制备的 SixNy薄膜同时为太阳电池提供较为理想的表面和体钝化 .二氧化硅只有表面钝化作用 ,二氧化钛没有钝化作用 6.能有效地提高电池效率 ,对多晶硅电池等低效率电池作用尤其明显,7,PECVD设备结构,等离子体源简图,8,微波组件的原理图,9,产生线性微波源的机理,10,由上图可以看到: 1.电荷密度：等离子体电荷密度n(z)根据两边微波输入功

4、率的改变而改变 2.对应关系：若只有左边微波源(P1)开启时,微波功率从输入端沿着石英管方向衰减;当只打开右边微波源(P2)时,同理,11,为什么左边偏薄调大右边微波功率?,对于这个问题的第一种解释：左边的微波源有问题，不能正常工作，只能通过调右边来补偿可这样做整体膜都应变厚，而实际是左边影响最大,另一种解释是：微波源与膜厚是左边（右边）对应左边（右边）关系，但实际使用的微波功率比较大，当大到一定程度时，改变某一边的功率对该侧膜厚影响较小，对对称的那一侧膜厚影响较大，并且这种观点为多数人所认同,12,PECVD的减反射作用,右图为光在硅片上的反射、折射和透射各字母表示的意思如图所示；反射率用R

5、表示，透射率用T表示,一、无减反射膜时,13,忽略光吸收，光垂直入射时,硅片表面的反射率:,式中，n0为外界介质的折射率，在真空或大气中 等于1，若表面有硅橡胶则取1.4；nsi为硅的折射率,硅的折射率对于不通波长的光数值是不同的,一般取600nm波长时的折射率3.9进行计算. 如果硅表面没有减反射膜，在真空或大气中有约三分之一的光被反射，即使硅片表面已进行结构化处理，由于入射光在金字塔绒面产生多次反射而增加了吸收，也有约11%的反射损失。,14,二、有减反射膜时,如果在硅表面制备一层透明的介质膜，由于介质膜的两个界面上的反射光互相干涉，可以在很宽波长范围内降低反射率。此时反射率由下式给出：,

6、式中，r1、r2分别是外界介质-膜和膜-硅界面 上的菲涅尔反射系数；为膜层厚度引起的相 位 角。,15,其中，n0，n和nsi分别为外界介质、膜层和硅的折射率；0是入射光的波长；d是膜层的实际厚度；nd为膜层的光学厚度。,16,当波长为0的光垂直入射时，如果膜层光学厚度为0的四分之一，即nd=0/4,则由上面的式子可得:,为了使反射损失减到最小，即希望上式 等于0,就应有：,17,对于太阳光谱,取00.6微米 ,如果电池直接暴露在真空或大气中使用，最匹配的减反射膜折射率为n1.97。,在实际应用中，为了提高电池的使用寿命和抗湿能力，大多采用硅橡胶封装。所以，对于减反射膜来说，外界介质是硅橡胶，

7、其折射率约为1.4，在这种情况下，最匹配的减反射膜折射率应为:,18,PECVD的钝化作用,为什么要进行钝化? 由于太阳电池级硅材料中不可避免的含有大量的杂质和缺陷,导致硅中少子寿命及扩散长度降低从而影响电池的转换效率,H的钝化机理: H能钝化硅中缺陷的主要原因是:H能与硅中的缺陷或杂质进行反应,从而将禁带中的能带转入价带或者导带,19,一、对硅的表面钝化: 采用PCD方法测镀膜后的少子寿命 制备SiO2膜后的少子寿命为4ms, 制备SixNy膜后的少子寿命为6.6ms, 显然SixNy膜表面钝化效果更好,二、对硅的体钝化: 采用PCD方法比较钝化前后的少子寿命,为了排除 表面钝化带来的影响,

8、样本的寿命都是在含HF溶液中测量的.,钝化效果检验少子寿命:,20,以下是5种多晶材料钝化前后体寿命变化:,如上图所示,PECVD确实具备体钝化效果.,21,PECVD对电性能影响,总结: 一方面,减反射膜提高了对太阳光的利用率,有助于提高光生电流密度,起到提高电流进而提高转换效率的作用. 另一方面,薄膜中的氢对电池的表面钝化降低了发射结的表面复合速率,减小了暗电流, 提升了开路电压,从而提高了光电转换效率;在烧穿工艺中的高温瞬时退火断裂了一些Si-H、N-H键,游离出来的H进一步加强了对电池的钝化,多晶硅电池镀膜前后的I-V曲线,22,异常处理规范简介:,一、正常生产时: 1. 某一列膜薄5

9、nm以上,一般为工艺腔掉片所致,通知设备开腔处理. 2. 横排方向膜厚递增,折射率递减或只要折射率低于2.0时基本可以确定为真空问题(工艺腔无片时点击“待机”即可确定),通知设备解决. 3. 边上列发红,首先排除是框子导致,尝试调整功率、加大特气流量无果后,协调设备进行:通气孔、管道吹扫等工作.除以上原因还可能是如:气阀、流量计、盖板异常导致.,23,二、设备PM后 一般设备PM后我们工艺需对如下参量进行检查: 1、各腔体真空是否有问题 2、各加热器是否异常 3、微波反射功率是否过大,24,三、当出现各种新老问题令我们束手无策时我们该怎么办?,最有效的排查方法:单管实验,1、通过单管实验,可以

10、发现同一管左右均匀性问题 2、单管实验还能检查出管与管之间的差异,最后通过对单管数据的分析来定位问题点.,25,影响太阳电池转换效率的因素,一、禁带宽度 VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。,二、温度 载流子扩散系数随温度的升高而增大，所以升温时少子的扩散长度稍有增大，因此光生电流有所增加；但暗电流是指数增加，所以电压急剧下降，I-V曲线改变FF下降，效率下降 温度每增加1C，VOC下降室温值的0.4%，效率也因而降低约同样的百分数。,26,三、复合（少子）寿命 希望载流子的复合寿命越长越好，这样做可以提高ISC，并因为暗电流的减小，Voc会有所提高 常用钝化方法：干氧氧化、含氯氧化、淡表面扩散、PECVD氢钝化、铝退火,27,四、光强 将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了X倍，单位电池面