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1、课程设计论文（设计）题 目: 晶体硅太阳电池表面纯化现象 姓 名: 学 院: 光伏工程学院 专 业: 光 伏 班 级: 08级光伏（2）班 学 号: 2085110220 指导教师: 目 录摘要11 引言22 实验研究23 SiN x :H/ SiO2/ Si 界面特性分析54 结果和讨论65 结论66 致谢87 参考文献9晶体硅太阳电池表面纯化现象摘要: 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
2、,SiN x :H/ 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1 引言目前,适于作晶体硅太阳电池光学减反射膜的材料有、TiO x 、SiN x :H 等薄膜材料。 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(210212) 高、透明波段中心
3、与太阳光的可见光谱波段符合(550 nm) 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 %18 %的MIS - IL 太阳电池。 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, P
4、ECVD 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。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,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。 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。 本文系统地研究了SiN x :H、SiN x : H/ 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/ 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。2 实验研究实验选用了12
5、5 125 mm2 、晶向为100 的太阳电池级准方硅片(CZ - Si) ,电阻率为1 cm ,厚度为350m。 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3540 /。 干氧氧化在石英管中进行,干氧氧化层的厚度为10 nm 左右。 采用高频直接PECVD 法沉积SiN x :H 薄膜,反应气体为SiH4 和NH3 ,衬底温度为375 。 SiN x :H 薄膜的折射率为210211 (=63218 nm) ,薄膜的厚度为6070 nm ,其折射率n 、消光系数k 及膜厚由椭偏仪测得。 为了避免反
6、应离子对硅片表面的轰击损伤,等离子体的激励频率选为13156 MHz。 SiN x : H 薄膜的烧穿在快速热处理(RTP) 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
7、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表1 3 种样品电池光电转换效率的比较表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3 SiN x :H/ SiO2/ Si 界面特性分析依据界面物理,SiN x : H/ SiO2/ Si 应该有如图4所示的能带结构。 由于Si/ SiO2 界面是一个过渡区域,即从硅氧四面体结构的到共价结构的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
8、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/ / 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/ Si 的能带结
9、构图4 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/ 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/ 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。(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。(3) 由表1 和表2 的对比可看出,经过长时间光照后,B 型
10、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。5 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。(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
11、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/双层钝化及减反射膜较SiN x :H 单层减反射膜效果好。6 致谢：本论文是在指导老师悉心指导下完成的。作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。本论文能够顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢老师的指导和其他老师的帮助；感谢全体同学的关心、支持和帮助。三年的学习期间，得到各位老师，各位同学的关心和帮助
12、，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的光伏工程的论文的，愿同窗之间的友谊永远长存。再次感谢大家，谢谢！7 参考文献:1 Aberie A G. Overview on SiN surface passivation of crys2talline silicon solar cells J . Solar Energy Materials &Solar Cells ,2001 ,65 :239248.2 Nijs J F ,Szlufcik J ,Poortmans J ,et al. Advanced cost2ef2fective crystalline silico
13、n solar cell technologies J . IEEETransactions on Electron Devices , 1999 , 46 : 1 948 1967.3 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) :3941.4 Schmidt J , Kerr M. Highest2quality surface passivation oflow2resistivty p2type silicon using stoichiometric PECVDsilicon nitride J . Solar Energy Mate
14、rials & Solar Cells ,2001 ,65 :249259.5 Fujii S , Fukawa Y. Production technology of large areamulticrystalline silicon solar cells J . Solar Energy Mate2rials & Solar Cells ,2001 ,65 :269275.6 Slufzik J , de Clercq K. Improvement in multicrystallinesilicn solar cells after thermal treatment of PECVD siliconnitride AR coating A . The 12th European PhotovoltaicSolar Energy Conference C . Stephens :Bedford ,1994. 10181 021.7 Yang Hong ,Wang He ,Chen Guangde ,et al. A study ofelcctrical uniformity for monolithic polycrystalline siliconsolar cells J . Solar Energy Materials & Solar Cells ,
