0 引言
太陽能光伏技術(shù)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電力的技術(shù)，其核心是半導(dǎo)體物質(zhì)的光電效應(yīng)。最常用的半導(dǎo)體材料是硅。光伏電池由P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成，一個(gè)為正極，一個(gè)為負(fù)極。陽光照射在半導(dǎo)體上時(shí)，兩極交界處產(chǎn)生電流，陽光強(qiáng)度越大，電流就越強(qiáng)。太陽能光伏系統(tǒng)不僅只在強(qiáng)烈陽光下運(yùn)作，在陰天也能發(fā)電。晶體硅是當(dāng)前太陽能光伏電池的主流。目前晶體硅電池光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到20％，并已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。除效率外，光伏電池的厚度也很重要。薄的硅片(wafer)意味著較少的硅材料消耗，從而可降低成本。在查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合我國對(duì)晶體硅太陽電池技術(shù)開發(fā)的迫切需要，在制備太陽電池減反射膜(氮化硅薄膜)的工藝中，對(duì)氣體流量比、微波功率、沉積壓強(qiáng)和溫度對(duì)減反射膜性質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，通過大量有效的工作及一系列工藝數(shù)據(jù)，得出了制作減反射膜，分析了氮化硅薄膜的相對(duì)最佳沉積參數(shù)和優(yōu)化工藝。
1 減反射膜原理
在了解減反射薄膜原理之前，要先了解幾個(gè)簡單的概念：第一，光在兩種媒質(zhì)界面上的振幅反射系數(shù)為(1-ρ)／(1+ρ)，其中ρ為界面處兩折射率之比。第二，若反射光存在于折射率比相鄰媒質(zhì)更低的媒質(zhì)內(nèi)，則相移為180°；若該媒質(zhì)的折射率高于相鄰媒質(zhì)的折射率，則相移為零。第三，光因受薄膜上下兩個(gè)表面的反射而分成2個(gè)分量，這2個(gè)分量將按如下方式重新合并，即當(dāng)它們的相對(duì)相移為180°時(shí)，合振幅便是2個(gè)分量振幅之差；稱為兩光束發(fā)生相消干涉。
如圖1所示膜有2個(gè)界面就有2個(gè)矢量，每個(gè)矢量表示一個(gè)界面上的振幅反射系數(shù)。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則每個(gè)界面上的反射系數(shù)都為負(fù)值，這表明相位變化為180°。當(dāng)膜層的相位厚度為180°時(shí)，即膜層的光學(xué)厚度為某一波長的1／4時(shí)，則2個(gè)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，則對(duì)該波長而言；2個(gè)矢量將完全抵消，于是反射率為零。鍍制有減反射薄膜的太陽電池的反射率R為：
式中：R1，R2分別為外界介質(zhì)與膜和膜與硅表面上的菲涅爾反射系數(shù)；△為膜層厚度引起的位相角。其中：
式中：n，n0，nSi分別為外界介質(zhì)、膜層和硅的折射率；λ入射光的波長；d為膜層的實(shí)際厚度；nd膜層的光學(xué)厚度。當(dāng)波長λ0為光的垂直入射時(shí)，
因此，完善的單層減反射薄膜條件是膜層的光學(xué)厚度為1／4波長，其折射率為基片和入射媒質(zhì)折射率相乘積的平方根。
2 減反射薄膜的材料
要想將光電池對(duì)光反~射引起的損失減至最小，因此必須使反射系數(shù)ρ最小，如上分析，對(duì)單層減反射薄膜必須滿足：
對(duì)硅光電池來講，如果光直接從空氣射入電池，n0=1，nSi=3．8，則折射率為1．9時(shí)的介質(zhì)膜為最佳，但是它僅僅對(duì)特定波長的單色光為最佳，對(duì)于一般的復(fù)色光源，鄰近特定波長的光，在確定的介質(zhì)材料和厚度下，由于條件不完全滿足，反射光只可能部分地被抵消，雖然ρ有所增大，但對(duì)波長較遠(yuǎn)的光，起不到減反射作用，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)選取適當(dāng)?shù)膎1材料和制作合適的膜厚t，才能使其波長落在光源輻射最強(qiáng)的波長附近。
幾種能夠作為減反射薄膜的材料和它的折射率列在表1中，可供參考：
由于氮化硅的折射率為1．9，是很理想的減反射膜材料，所以研究中采用的就是這種材質(zhì)的減反射膜。氮化硅薄膜的折射率高，其中晶態(tài)氮化硅薄膜的折射率為2．0；非晶態(tài)氮化硅薄膜的折射率會(huì)在其左右一定范圍內(nèi)波動(dòng)。氮化硅薄膜的厚度和顏色有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。
厚度可用橢圓偏振儀精確測量。在能夠估計(jì)厚度范圍的情況下，可根據(jù)氮化硅薄膜的顏色和表中所列的顏色進(jìn)行比較，以此來確定氮化硅膜的大約厚度。圖2～圖4分別為鍍膜前、80 nm左右SiN薄膜和65 nm左右的SiN薄膜圖示。
3 實(shí)驗(yàn)與討論
本研究使用德國ROTH&RAU科學(xué)儀器研制中心制造的PECVD-SiNA1型設(shè)備制備不同厚度的SiN薄膜。
測試設(shè)備用：SENTECH生產(chǎn)SE-400ADV的激光偏振儀；SEMILAB生產(chǎn)的WT-2000的少子壽命測試儀。
實(shí)驗(yàn)材料：材料采用P型(100)的直拉的125 mmx125 mm單晶硅片，電阻率約為0．5～3 Ω·cm，厚度200+50μm。在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過硅片清洗和制絨，磷擴(kuò)散，等離子刻蝕，去除磷硅玻璃等工藝。
實(shí)驗(yàn)用到的氣體有SiH4，NH3，N2。腐蝕溶液為HF酸。SiH4和NH3氣體分別用于等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法沉積SiN薄膜，為安全起見，SiH4由氮?dú)庀♂屩?0％，NH3濃度為99．999％。N2主要用于在沉積完薄膜后清洗氣路和反應(yīng)室，它們的純度都為99．999％。
PECVD系統(tǒng)主要工藝參數(shù)包括射頻功率、反應(yīng)氣體組分、氣體總流量、襯底溫度和反應(yīng)壓力等，這些參數(shù)對(duì)SiN薄膜的性能有很大影響。
由于影響PECVD系統(tǒng)淀積效果的參數(shù)很多，如氣體流量和流量比，工藝腔溫度，射頻功率，沉積氣壓等等，而且對(duì)不同的PECVD設(shè)備會(huì)有不同的最佳參數(shù)，我們有必要就主要的控制參數(shù)進(jìn)行研究，摸索出在這臺(tái)PECVD設(shè)備上淀積氮化硅薄膜的最佳工藝參數(shù)組合。
在此一共選取了沉積壓強(qiáng)(6組)、微波功率(5組)、氣體流量比(11組)、工藝腔溫度(4組)四個(gè)變量。采取改變其中的變量其他三個(gè)變量不變的實(shí)驗(yàn)方法，最后得出各個(gè)變量主要對(duì)電池片哪些參數(shù)有影響，提出一個(gè)可行的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案。
通過查閱相關(guān)資料，我們總結(jié)出SiN薄膜較好的各參數(shù)范圍：薄膜厚度在70～80 nm之間，膜厚差應(yīng)小于5 nm，折射率2．0～2．1之間，4 nd在630 nm左右，少子壽命越大越好，腐蝕速率越小。
根據(jù)資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從以上幾組實(shí)驗(yàn)中找出了一些實(shí)驗(yàn)效果比較好的參數(shù)，然后共得到8組優(yōu)化參數(shù)，這8組實(shí)驗(yàn)做完之后，再用1：5的氫氟酸對(duì)制得薄膜進(jìn)行腐蝕，實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)如表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。
圖5～圖8給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用平板式PECVD法制備氮化硅薄膜時(shí)，沉積條件對(duì)氮化硅薄膜特性的影響如下：
(1)壓強(qiáng)主要對(duì)折射率和腐蝕速率有影響：隨著壓強(qiáng)的升高(見圖5)，折射率上升而腐蝕速率下降(見圖6)。壓強(qiáng)增大時(shí)，膜的均勻性下降(見圖7)。
(2)功率主要對(duì)膜厚和膜厚差有影響：隨著功率的增大，膜厚增大而膜厚差下降(見圖8)。
(3)流量比主要對(duì)折射率、膜厚和膜厚差都有影響：隨著流量比的升高，折射率下降而膜厚和膜厚差都是先升后降(見圖8)。
(4)溫度對(duì)薄膜的各個(gè)參數(shù)影響都不大。溫度上升，折射率增大(見圖5)，腐蝕速度下降(見圖6)。
4 結(jié)語
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，在溫度為430℃，壓強(qiáng)為2．1×10-1mbar，功率為3 200 W，流量比為3．07，制備的薄膜具有良好特性，是制作減反射膜的良好的方案。