太阳电池阶段工艺总结PECV

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1、zhaokexiongzhaokexiongzhaozhao主要内容主要内容l 1、引言 l 2、SiNx的折射率与膜厚研究 l 3、SiNx的钝化效果研究 l 4、管式PECVD和板式PECVD的对比l 5、后期实验计划 在工艺调试的第一阶段主要对设备的结构、参数及维护等进行了学习和调试，第二阶段则在第一阶段的基础之上对薄膜的折射率、膜厚及钝化进行了较为详细的研究，此外对比了板式和管式PECVD的镀膜效果。在工艺调试之前必须明白好的氮化硅薄膜应具有哪些特点，概括起来主要有以下三点：无吸收的减反射层；好的表面钝化效果；好的体钝化效果。在知道了工艺调试的目标后，还应该理清影响氮化硅薄膜的各个因素

2、。板式PECVD的影响因素分工艺参数和外部环境及认为因素，它们对SiNx膜的厚度、折射率和钝化效果均有一定程度的影响，详见图1-1。l 2.1 实验设计l 2.2 试验结果与分析l 2.3 薄膜厚度对反光率及电池片光电性能的影响 实验已经表明薄膜厚度及折射率的主要影响因素分别是载板速度和气流量比，但是别的因素的影响规律尚不清楚，因此实验主要考查温度、硅氮比、压力和微波功率对折射率和膜厚的影响。实验设计采用DOE正交法，详见表2-1。实验为4因子2水平，按照DOE设计原理，需要做2N-1组实验，也就是8组，考虑到实验的重复性及需要加入的中心点个数，实验总计要进行18组。导电浆料的基本组成导电浆料

3、的基本组成表2-1 正交实验设计标准序运行序中心点区组TemperaturePowerPressureGas ratio1111135034000.224121135022000.223.21431140022000.253.21541135034000.253.21750137528000.2353.61860137528000.2353.6771135034000.253.2381135034000.224991135022000.223.24101140034000.223.22111140022000.2248121140034000.25416131140034000.2541314

4、1135022000.2546151140022000.253.210161140022000.22412171140034000.223.25181135022000.2542.2.1 薄膜厚度的变化规律210-1-2999050101残差残差百百分分比比80757010-1拟合值拟合值残残差差1.00.50.0-0.5-1.0-1.586420残差残差频频率率1816141210864210-1观测值顺序观测值顺序残残差差正态概率图正态概率图与拟合值与拟合值直方图直方图与顺序与顺序d 残差图d 残差图ACADACABDB20151050项项标准化效应标准化效应2.26ATemperatur

5、eBPowerCPressureDGas-ratio因子名称标准化效应的 Pareto 图标准化效应的 Pareto 图（响应为 d，Alpha=.05)40037535082807876743400280022000.2500.2350.22082807876744.03.63.2Temperature平平均均值值PowerPressureGas-ratio角点中心点类型d 主效应图d 主效应图数据平均值曲线高低1.0000D优化d=1.0000望目:81.0dy=81.01.0000合意性复合3.204.00.2200.2502200.03400.0350.0400.0PowerPress

6、ureGas-ratiTemperat375.03146.63320.2203.202.2.1 薄膜厚度的变化规律0.00500.00250.0000-0.0025-0.0050999050101残差残差百百分分比比2.082.062.042.020.0040.0020.000-0.002-0.004拟合值拟合值残残差差0.0040.0020.000-0.002-0.0046.04.53.01.50.0残差残差频频率率181614121086420.0040.0020.000-0.002-0.004观测值顺序观测值顺序残残差差正态概率图正态概率图与拟合值与拟合值直方图直方图与顺序与顺序n 残差

7、图n 残差图ACADAABBCD181614121086420项项标准化效应标准化效应2.26ATemperatureBPowerCPressureDGas-ratio因子名称标准化效应的 Pareto 图标准化效应的 Pareto 图（响应为 n，Alpha=.05)4003753502.0552.0502.0452.0402.0353400280022000.2500.2350.2202.0552.0502.0452.0402.0354.03.63.2Temperature平平均均值值PowerPressureGas-ratio角点中心点类型n 主效应图n 主效应图数据平均值曲线高低1.0

8、000D优化d=1.0000望目:2.070ny=2.0701.0000合意性复合3.204.00.2200.2502200.03400.0350.0400.0PowerPressureGas-ratiTemperat400.00002869.00670.2503.20 SiNX薄膜厚度的变化会使其光学厚度随之变化，进而影响薄膜对可见光的反射率。而反射率的高低与电池片的光电转化效率有密切的关系。表2-2是实验结果，从进行的2组实验数据来看，随着薄膜厚度的减小，反射率（400-1000nm）、开路电压、短路电流和转化效率均随之降低。按理说反射率降低，电池片的开路电压、短路电流和转换效率会有所增大

9、，但是实验结果刚好相反，导致其原因可能存在下面原因：（1）比较光反射图谱会发现随着薄膜厚度减小，光的反射率在400-600nm范围内降低，在600-1000nm范围内增强，min向短波方向移动，对短波长的光吸收增强，但同时使红光的吸收减弱；（2）电池片的光谱响应在长波和短波区不同，可能是我们扩散的硅片在短波范围量子效率低，而在长波范围量子效率高，短波区反射率减少带来的光吸收增益不足于弥补长波区反射率增大导致的光吸收损失。2.3 薄膜厚度对反光率及电池片光电性能的影响表2-2 薄膜厚度与反射率及光电性能的关系实验编号载板速度薄膜厚度折射率反射率minVOCISCcm/minnm400-1000n

10、m400-600nm600-1000nmnm VA%1-P116483.782.06577.7215.313.896500.61458.16415.3216882.12.07077.6213.214.776400.61278.122415.1717480.222.07687.3611.495.276200.61248.113915.1417878.532.07337.1512.184.616110.61298.090715.132-P217283.12.06587.5914.624.056520.61327.974315.1718277.382.07297.3610.555.746080.61

11、217.94315.0919075.262.087.1411.055.176010.61137.865214.943.1 实验设计实验采用三种方案：实验一：管式、板式结合镀膜；实验二：采用不同的N/Si比例；实验三：利用板式PECVD的设备特点沉积两层不同N/Si比的SiNX薄膜。实验一实验一模型及测试结果 先用管式PECVD对捷佳创扩散的硅片进行不同时间的短暂预镀，其目的是发挥管式优越的体钝化，之后再进行板式镀膜，目的是发挥其较好的表面钝化及优越的均匀性，实验模型见图。预镀的时间分别为150s和300s，印刷在2号线进行，分三批印刷，用新的正银浆料。实验一模型与测试结果 板式PECVD管式P

12、ECVDSi基体实验UocIscNCell原工艺10.6129 8.0868 0.1560 20.6136 8.0338 0.1552 30.6139 8.0760 0.1541 150S预镀40.6142 8.1807 0.1559 300S预镀50.6166 8.1479 0.1564 3.2.2 实验一结论3.3 实验二实验一烧结后少子寿命测试（us）膜厚与折射率测量最大值 最小值 平均值中值 膜厚(nm)折射率1600-4005.903 2.049 4.658 4.732 84.060 2.052 6.551 3.166 4.828 4.898 83.450 2.051 8.798 2

13、.958 4.970 4.955 82.500 2.037 7.215 2.838 4.845 4.898 83.520 2.043 6.100 2.367 4.732 4.842 83.620 2.050 平均值6.913 2.676 4.806 4.865 83.430 2.046 1520-44017.013 3.316 6.421 5.888 83.040 2.065 10.860 2.411 5.494 5.248 81.640 2.051 13.074 2.572 5.495 5.309 82.750 2.071 12.033 4.000 6.257 5.888 82.650 2.

14、067 16.592 3.356 6.101 5.495 81.700 2.057 平均值 13.914 3.131 5.954 5.566 82.356 2.062 1500-50015.559 3.092 5.655 5.309 84.320 2.116 11.932 2.891 5.457 5.309 84.210 2.110 17.491 3.452 6.202 5.495 83.670 2.099 15.172 3.712 5.919 5.495 84.400 2.106 9.664 3.643 5.341 5.188 83.840 2.122 平均值 13.964 3.358 5.

15、715 5.359 84.088 2.111 1450-55017.761 3.478 5.792 5.433 82.950 2.183 15.710 3.091 6.169 5.495 83.190 2.186 20.095 3.702 5.847 5.248 83.050 2.180 20.168 3.650 6.647 5.559 83.000 2.182 25.090 3.664 6.243 5.495 83.090 2.197 平均值 19.765 3.517 6.139 5.446 83.056 2.185 实验二烧结后少子寿命测试（us）膜厚与折射率测量最大值最小值平均值中值膜厚

16、(nm)折射率1600-4008.504 2.593 5.247 5.370 81.682.045 10.979 2.787 5.141 5.288 79.682.030 9.012 2.874 5.375 5.433 78.252.021 10.420 2.456 5.374 5.433 80.642.024 12.251 2.195 5.669 5.623 83.482.041 平均值10.233 2.581 5.362 5.429 80.746 2.032 1520-4409.808 3.323 5.359 5.309 83.210 2.066 8.410 3.756 5.194 5.1

17、29 80.750 2.055 13.505 3.051 5.589 5.433 79.960 2.047 12.742 2.823 5.409 5.309 81.740 2.050 13.357 3.523 5.709 5.433 80.260 2.060 平均值11.564 3.295 5.452 5.322 81.184 2.055 1500-50012.087 4.305 6.039 5.821 82.650 2.113 12.588 4.044 5.705 5.559 83.840 2.119 15.365 4.289 6.212 5.754 81.610 2.091 24.487

18、3.787 6.285 5.754 80.620 2.082 13.428 3.961 6.631 5.888 80.980 2.091 平均值15.591 4.077 6.174 5.755 81.940 2.099 1450-55028.604 3.063 6.088 5.559 81.880 2.158 28.971 2.496 6.094 5.370 79.900 2.187 25.415 2.969 6.670 5.754 82.730 2.156 29.867 2.949 6.537 5.495 78.170 2.186 19.416 2.637 5.930 5.070 80.39

19、0 2.171 平均值26.455 2.823 6.264 5.450 80.614 2.1716 3.3.1 实验二方案 实验分别采用不同的气体流量比，即NH3/SiH4分别为1600/400、1520/440、1500/500和1450/550，别的工艺参数保持不变。实验二测试结果与分析 实验的测试结果详见下表。流量比实验PmppUocIscNCell实验一1600-4003.8014 0.6162 8.1730 0.1562 1520-4403.8281 0.6175 8.1557 0.1573 1500-5003.8622 0.6189 8.2029 0.1587 1450-5503.

20、7944 0.6166 8.1034 0.1559 实验二1600-4003.8332 0.6142 8.1602 0.1575 1520-4403.9048 0.6172 8.2408 0.1605 1500-5003.8694 0.6167 8.1799 0.1590 1450-5503.8822 0.6186 8.1990 0.1595 从实验数据可以看出，随着流量比（NH3/SiH4）的减小，镀膜的钝化效果依次增强，短路电流和转换率则是先增大后减小。流量比变化时，薄膜的折射率、密度、Si-H键和N-H键也随之变化，其规律可以从文献资料中看出，见表。折射率密度N/SiSi-HN-HSi-

21、NN-H/Si-Hg/cm3(1022cm-3)(1022cm-3)(1022 cm-3)2.32.250.911.190.273.350.232.172.531.290.50.884.131.762.032.411.330.310.753.812.412.052.331.20.540.623.631.15引用来源：(ON COMBINING SURFACE AND BULK PASSIVATION OF SiNx:H LAYERS FOR mc-Si SOLAR CELLS)要获得良好的钝化效果，SiNx膜必须足够的致密且含有大量的N-H键。从引用的数据中发现，当折射率为（板式法流量比为14

22、50/550）时，SiNx膜中的N-H键含量最高，且薄膜比较致密，钝化效果最好。当折射率为左右时，SiNx膜的透光率良好，但钝化效果差。当折射率为左右时，SiNx膜的透光率变差，但是表面的钝化增强。3.4.1 实验三方案3.4 实验三 实验二已经证明了当折射率在左右时，SiNx膜的透光性尽管良好，但钝化效果最差，镀膜后少子寿命较低，导致电池的短路电流和光电转化效率偏小；但是折射率增大又会使SiNx膜的透光性变差。所以，实验三结合SiNx膜的特点，选择性的在硅片的底部沉积折射率大（即流量比小）的薄膜，以增强发射极的表面钝化和体钝化；在折射率较高的SiNx膜之上再沉积一层折射率较小的SiNx膜，以

23、增加透光率。实验三的模型见下图。n大n小钝化差，透光性好钝化好，透光性差n小Si基体n大实验流量下流量上薄膜下薄膜上NH3SiH4NH3SiH4厚度折射率厚度折射率6_114505501520480412.185412.0656_215005001520480412.111412.0656_316004001520480412.04412.065原工艺注释：注释：原工艺没有SiNx膜的上下之分，也就是说薄膜均有相同的Si/N比例，选择的流量为：SiH4 440SCCM，NH3 1520SCCM，折射率为2.065。实验AVE/MEDPmppUocIscFFNCell实验6-1AVE3.9225

24、 0.6167 8.3071 76.5652 0.1612 MED3.9216 0.6165 8.3170 76.5935 0.1611 实验6-2AVE3.9143 0.6159 8.2881 76.6759 0.1608 MED3.9157 0.6162 8.2898 76.7233 0.1609 实验6-3AVE3.9076 0.6166 8.2808 76.5241 0.1606 MED3.9068 0.6162 8.2840 76.6302 0.1605 实验三钝化效果对比实验编号烧结后少子寿命测试（us）膜厚与折射率测量最大值最小值平均值中值膜厚(nm)折射率实验6-126.264

25、 3.127 7.785 6.609 82.042.1447 15.441 3.173 6.349 6.237 83.242.1310 29.961 3.360 7.973 6.839 83.412.1289 24.859 2.313 6.844 6.531 83.022.1298 33.179 2.188 8.522 6.998 81.792.1440 平均值25.941 2.832 7.495 6.643 82.700 2.136 实验6-227.892 3.296 6.578 6.166 84.342.103926.353 3.499 6.877 6.237 80.022.121416.

26、711 2.946 5.898 5.821 84.962.101518.467 3.508 6.098 5.957 85.212.090921.399 2.426 6.137 5.888 84.882.0989平均值22.164 3.135 6.317 6.014 83.882 2.103 实验6-325.261 3.514 6.376 6.095 83.220 2.050 18.454 3.644 6.678 6.457 83.790 2.052 14.083 3.946 6.528 6.310 83.310 2.057 7.591 1.962 5.562 5.821 83.600 2.06

27、7 11.040 1.911 5.401 5.623 82.990 2.058 平均值15.286 2.995 6.109 6.061 83.382 2.057 原工艺24.193 2.309 6.160 5.957 82.510 2.063 27.161 3.045 6.781 6.383 82.560 2.068 9.131 2.510 4.946 4.955 84.860 2.050 8.716 2.929 4.992 4.945 80.920 2.056 9.813 2.784 4.914 4.898 82.470 2.059 平均值15.803 2.716 5.559 5.427 8

28、2.664 2.059 3.4.3 实验三结论 从测试的结果来看，实验三的设计思想是正确的，充分发挥了SiNx膜的钝化和减反射作用。随着底层SiNx膜Si/N比例的提高，其钝化效果逐步增强，这从镀膜后的少子寿命和电池片短路电流的变化规律可以证明。此外，实验三充分结合设备特点，工艺切换简单，只需要修改个别参数，同时SiNx膜性能的提高不会牺牲产量，更不会增加成本。4.1 设备特点介绍 PECVD目前有板式微波和管式两种镀膜设备，分别为Roth&Rau和深圳捷佳创生产，两种设备的镀膜原理不同，薄膜的均匀性和钝化的效果也会有所差异。在对比两种设备的镀膜效果之前我们应该先了解一下它们各自的特点。管式管

29、式PECVDPECVD：即使用像扩散炉管一样的石英管作为沉积腔室，使用电阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。使用的频率为。板式微波法：板式微波法：使用微波作为激发等离子体的频段。微波源置于样品区域之外，先将氨气离化，再轰击硅烷气，产生SiNx分子沉积在样品表面。使用频率为。使用不同频率的PECVD系统，也各有一定的优缺点：频率越低对硅片表面的损伤越严重。频率越低离子进入硅片越深，越有利于多晶硅晶界的钝化。各种方法都有其有缺点：从大的方面讲，直接PECVD法对样品表面有损伤，会增加表面少子的复合，但是也正是由于其对表面的轰击作用，可以去除表面的一些自然氧化层，使得表面的杂质原子得到抑制，另外直接法可以使得氢原子或氢离子更深入地进入到多晶硅晶界中，使得晶界钝化更充分。4.2 两种设备的镀膜效果对比 实验对比了管式和板式镀膜的均匀性和钝化效果。经过反复的实验，捷佳创管式的均匀性较板式差，且钝化没有发挥应有的效果。实验的数据见附件。1.继续完善实验三，依据其变化的规律寻求工艺的最优化；2.完善薄膜厚度对电池片效率影响的实验，前面的实验已经证明了当薄膜逐渐减小时，短路电流也随之变小。但是实验并没有验证当薄膜厚度逐渐增加时，短路电流的变化如何。3.利用硅作底层钝化，并结合SiNx膜作减反射。4.研究背面钝化。