是什么造成了管式PECVD氮化硅膜出現(xiàn)色差？

隨著技術(shù)的不斷成熟，要求太陽電池的質(zhì)量和外觀也越來越高。目前，常用等離子增強化學氣相沉積（PECVD）法沉積氮化硅，在晶硅太陽電池表面上一層小于100納米的薄膜，氮化硅薄膜作為一種重要的薄膜材料,具有優(yōu)良的光電性能、鈍化性能和機械性能。它不僅是優(yōu)良的太陽電池減反射膜，而且還有很好的表面和體鈍化作用，能提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。在實際商業(yè)運用中，用PECVD沉積氮化硅薄膜的技術(shù)已較為成熟，光伏太陽電池行業(yè)廣泛使用板式PECVD和管式PECVD，但管式PECVD法制備的氮化硅薄膜色差問題難以解決，色差會使太陽電池的外觀不良，必須重新晶硅太陽電池氮化硅膜產(chǎn)生色差的影響因素研究返工，使得生產(chǎn)成本高居不下。

1實驗

1.1實驗材料與設備

       準備好實驗的材料和設備

1.2石墨舟的清洗和烘干
　　在清洗機中加入體積濃度為16%的HF溶液，再將石墨舟整舟放入清洗機中清洗，并開啟鼓泡酸洗4小時，然后在水槽中清洗6小時。清洗結(jié)束之后，吹干石墨舟上的水分，然后在烘箱中150℃下烘8小時。烘干的石墨舟以備實驗使用。
1.3鍍舟與鍍膜
　　承載硅片的石墨舟在給硅片鍍氮化硅膜之前，需要進行飽和，即鍍舟。按照實驗的要求設定鍍舟的條件，包括氣體流量、壓力、溫度、時間等條件。用飽和后的石墨舟承載硅片，按照實驗的要求設定鍍膜工藝。

2.1氮化硅薄膜沉積原理與分析
　　等離子體增強化學氣相沉積法沉積薄膜的原理[2]如圖1，PECVD是一種射頻輝光放電的物理過程和化學反應相結(jié)合的技術(shù)，在保持一定壓力的原料氣體中，輸入直流、高頻或微波功率，產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體

　　當開啟射頻電源時，在陰極和陽極之間會產(chǎn)生高頻交變電場，電子在電場的加速下便獲得能量。當這些電子和氣體中的原子或分子發(fā)生非彈性碰撞時，有可能發(fā)生電離產(chǎn)生二次電子，二次電子再進一步和氣體中的原子或分子碰撞電離..如此反復進行，產(chǎn)生大量的光子、電子、帶電離子、受激分子和原子或化學性質(zhì)十分活潑的活性基團（如SiH,NH基團），但其間正、負電荷總數(shù)處處相等。等離子體中的離子、分子、原子或活性基團與周圍環(huán)境溫度相同，但其非平衡電子則由于質(zhì)量很小，平均溫度可比其他粒子大一至二個數(shù)量級，因此通常要在高溫條件下才能實現(xiàn)的許多化學反應，在低溫甚至室溫下也能實現(xiàn)。在淀積等離子體氮化硅時，并不是等離子體中所有SiH4和NH3的反應都能生成理想的薄膜，只有表面反應才能生成所需的薄膜?；钚曰鶊FSiH和NH被傳輸?shù)交妆砻?，二者發(fā)生表面反應生成Si-N網(wǎng)絡，其中還可能結(jié)合一定量的SiH和NH基團

　晶硅太陽電池表面氮化硅薄膜產(chǎn)生色差是由其表面不同區(qū)域的氮化硅顏色不同造成的。根據(jù)表1所示，厚度可由橢圓偏振儀精確測量，氮化硅薄膜的厚度和顏色有一一對應關(guān)系，在能夠估計厚度范圍的情況下，可根據(jù)氮化硅薄膜的顏色和表1中所列的顏色進行比較，來確定氮化硅膜的大約厚度。

　2.2硅片表面均一性對氮化硅膜色差的影響
　　傳統(tǒng)晶硅太陽電池的生產(chǎn)工藝過程分別為清洗制絨、擴散、刻蝕、PECVD、絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)等步驟，其中清洗制絨工藝將嚴重影響硅片表面的絨面的均一性。取兩片清洗制絨后硅片，在同一條件下進行PECVD鍍氮化硅膜，片1的表面均一性較差，如圖2中a和b是片1的不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，a中有大量細小的線型腐蝕坑，使得片1的比表面積增大。雖然b的表面均一性較為好，但整體上片1的表面均一性較差；片2的表面均一性良好，如圖3，其絨面大小約2.13μm。通過實驗表明，通過PECVD沉積在片1表面的氮化硅薄膜產(chǎn)生了色差，即部分區(qū)域偏紅，部分區(qū)域偏白。這是由于同一條件下，反應氣體流量相同，比表面積大的區(qū)域沉積的氮化硅厚度越小，而比表面積小的區(qū)域則反之。相比之下，片2表面均一性較好且無色差，如圖4。可見，硅片表面微觀結(jié)構(gòu)差異較大會造成比表面積明顯差異，從而使氮化硅薄膜厚度產(chǎn)生顯著差異，表現(xiàn)出不同顏色，即色差。

2.3導電導熱性對氮化硅膜色差的影響
　　晶硅太陽電池的生產(chǎn)過程中，管式PECVD是用石墨舟作為載體，將硅片送入爐內(nèi)的，硅片緊貼在石墨舟的舟葉內(nèi)壁，每片硅片有三個卡點作為支撐點，石墨舟如圖5?？c的作用除了支撐的作用以外，還有導電導熱的作用。因此，研究卡點的導電導熱性對氮化硅膜色差的影響十分必要。實驗組的石墨舟使用舊卡點且?guī)в写罅康璞∧?；對照組的石墨舟使用全新卡點，兩組實驗為同一個石墨舟，卡點不同。實驗結(jié)果見圖

實驗組的舊卡點導致的色差片數(shù)量明顯多于新卡點。舊卡點上帶有大量氮化硅膜層，使卡點的導熱導電性能發(fā)生較大改變，原來的工藝難以匹配舊卡點。因此，舊卡點產(chǎn)生的色差片相對要多。

　2.4反應溫度的均勻性對氮化硅膜色差的影響
　　管式PECVD爐管內(nèi)有5個溫區(qū)，控制著管內(nèi)溫度的穩(wěn)定性和氣體反應溫度的穩(wěn)定性。為了研究反應溫度的均勻性對氮化硅膜色差的影響，實驗組鍍膜時的5個溫區(qū)分別為470℃、430℃、470℃、430℃、470℃；對照組鍍膜時的5個溫區(qū)分別為440℃、440℃、440℃、440℃、440℃。其他條件相同條件下，每組分別統(tǒng)計10舟，

進一步研究色差片產(chǎn)生的原因發(fā)現(xiàn)，如圖7，爐管內(nèi)有5個溫區(qū)溫度高低不均，產(chǎn)生了大量的色差片，這個因素影響很明顯，因為溫度會影響氣體反應速率，溫度高反應劇烈，膜層生長較快，溫度低反應緩慢，膜層生長較慢，所以同一硅片會產(chǎn)生色差，保證爐管內(nèi)溫度均一性非常重要。
　　2.5電場均勻性對氮化硅膜色差的影響
　　在石墨舟中相鄰的兩片舟葉之間通電后會產(chǎn)生電場，氣體從舟葉之間流通時，含有不同電荷的離子在電場中運動，并沉積在硅片和石墨舟葉上。為了研究電場均勻性對氮化硅膜色差的影響，我們用一個新舟和一個舊舟分別在同一個工藝以及爐管中進行鍍膜，由此可以看出，舊舟的色差片數(shù)量明顯高于新舟，經(jīng)過長期使用，反復清洗，舊舟的舟葉表面的平整度比新舟要差。電場是有平行的兩葉舟葉通電后產(chǎn)生，那么當舟葉表面的平整度發(fā)生變化時，電場就會發(fā)生改變。因此，同一硅片的不同區(qū)域的氮化硅膜層生長速度不同，從而產(chǎn)生色差。

　　在具體的生產(chǎn)中，還有很多其他因素會產(chǎn)生色差片，例如石墨舟的清洗情況、石墨舟的鍍舟情況以及單層膜和多層膜的工藝條件等等。采用PECVD鍍膜產(chǎn)生的情況較為復雜，需后來者進一步研究與探討。

　　通過PECVD鍍膜原理的討論，以及后續(xù)實驗的驗證得出以下結(jié)論。

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