晶硅電池表面鈍化技術(shù)

1.硅片表面特性

表面復(fù)合是指在硅片表面發(fā)生的復(fù)合過(guò)程，硅片中的少數(shù)載流子壽命在很大程度上受到硅片表面狀態(tài)的影響，因?yàn)楣杵砻嬗幸韵?/span>3個(gè)特點(diǎn)：(1)從硅晶體內(nèi)延伸到表面的晶格結(jié)構(gòu)在表面中斷，表面原子出現(xiàn)懸掛鍵，排列到邊緣的硅原子的電子不能組成共價(jià)鍵，因此出現(xiàn)了成為表面態(tài)的表面能級(jí)，表面態(tài)中靠近禁帶中心的能級(jí)是有效的表面復(fù)合中心;(2)硅片在切片過(guò)程中表面留下的切割損傷，造成很多缺陷和晶格畸變，增加了更多的復(fù)合中心;(3)硅片表面吸附的帶正、負(fù)電荷的外來(lái)雜質(zhì)，也會(huì)成為復(fù)合中心。

2.表面鈍化介質(zhì)薄膜研究

2.1SiNx薄膜鈍化研究

SiNx薄膜的制備方法有多種，從工藝效果和工業(yè)化生產(chǎn)來(lái)考慮，目前應(yīng)用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的制備方法主要是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法，PECVD方法的過(guò)程是在較低氣壓下，利用低溫等離子體在工藝腔體的陰極上產(chǎn)生輝光放電，利用輝光放電(或另加發(fā)熱體)使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的工藝氣體，這些氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，最終在樣品表面形成固態(tài)薄膜。反應(yīng)氣體主要為硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)，最終反應(yīng)方程式如下：

化學(xué)方程式1

SiNx薄膜對(duì)電池表面鈍化原理：PECVD法在沉積SiNx薄膜時(shí)，會(huì)在薄膜中形成大量固定正電荷和游離的氫原子。大量的固定正電荷在電池表面處形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，使表面處于反型狀態(tài)，降低載流子在表面相遇和復(fù)合的幾率，從而降低表面復(fù)合速度。而大量的游離氫原子則可以擴(kuò)散到Si-SiNx界面處，與界面處的硅懸掛鍵結(jié)合，降低表面的界面態(tài)密度以達(dá)到降低表面復(fù)合速率的效果，對(duì)電池表面進(jìn)行鈍化。

SiNx薄膜除了具有良好的鈍化效果外，采用PECVD法制備的SiNx薄膜還具有良好的減反射功能，隨著反應(yīng)氣體硅烷和氨氣氣體流量比例的不同，SiNx薄膜的折射率可在1.8～3.3的范圍內(nèi)調(diào)整，

實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)調(diào)整氣體流量，形成匹配的膜厚和折射率，將反射率降至最低，增加太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收利用。優(yōu)良的鈍化和光學(xué)性質(zhì)使SiNx薄膜成為晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中最常用的鈍化減反膜，但是由于SiNx薄膜帶有固定的正電荷，僅對(duì)n型硅表面具有良好的鈍化效果，應(yīng)用于高摻雜的p+表面時(shí)，沒(méi)有表現(xiàn)出有效的鈍化。

2.2SiO2和SiO2/SiNx疊層鈍化減反研究

產(chǎn)業(yè)化的SiO2薄膜生長(zhǎng)方式主要是熱氧化法，利用熱氧化生長(zhǎng)SiO2薄膜是將硅片放入高溫的石英爐管內(nèi)，硅片表面在氧化物質(zhì)作用下生長(zhǎng)SiO2薄膜，根據(jù)氧化氣氛的不同，又可以分為干氧氧化、水汽氧化和濕氧氧化，實(shí)際應(yīng)用中主要是干氧氧化和濕氧氧化，反應(yīng)機(jī)理分別為：

干氧氧化的反應(yīng)：

化學(xué)方程式2

硅片表面的Si原子在高溫下與氧分子反應(yīng)，生成SiO2起始層。此后，由于起始氧化層阻止了氧分子與Si表面的直接接觸，氧分子只有以擴(kuò)散方式通過(guò)SiO2層，到達(dá)SiO2-Si界面，才能與Si原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，使SiO2薄膜繼續(xù)增厚。

濕氧氧化與干氧氧化不同之處是將干氧通入石英管前，先通入加熱的高純?nèi)ルx子水，使氧氣中攜帶一定量的水汽。因此在濕氧氧化中，既有氧的氧化作用，又有水的氧化作用，水的氧化反應(yīng)式如下：

濕氧氧化反應(yīng)：

化學(xué)方程式3

工藝結(jié)果的對(duì)比，濕氧氧化薄膜生長(zhǎng)較快，但是生成的SiO2薄膜結(jié)構(gòu)疏松，表面有缺陷，對(duì)雜質(zhì)的掩蔽能力較差。雖然干氧氧化的生長(zhǎng)速度較慢，但是生成的薄膜致密、均勻性和重復(fù)性較好，適合高質(zhì)量鈍化薄膜的制備。

SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)和表面鈍化原理：SiO2是由Si-O四面體組成，Si-O四面體的中心是硅原子，四個(gè)頂角上是氧原子，頂角上的四個(gè)氧原子剛好滿(mǎn)足了硅原子的化合價(jià)。從頂角上的氧到中心的硅，再到另一個(gè)頂角上的氧，稱(chēng)為O-Si-O鍵橋。在熱氧化的反應(yīng)過(guò)程中，大量的氧原子與硅表面未飽和的硅原子結(jié)合形成SiO2薄膜，該薄膜可降低懸掛鍵的密度，能夠很好地控制界面陷阱和固定電荷，此外高質(zhì)量SiO2薄膜可把表面態(tài)密度降低至1010/cm2，Si-SiO2界面的復(fù)合速率可以降到100cm/s以下，從而降低了懸掛鍵的密度，起到了表面鈍化作用。