氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究.pdf

华侨大学 硕士学位论文 氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 姓名：宋江婷 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：郭亨群 20100501 华侨大学硕士学位论文：氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 I 摘 要 摘 要 提高太阳能的利用率， 尤其是太阳电池的光电转化率是科研工作 者研究的一个重要方向 对于提高太阳电池的光电转换效率的方法很 多， 但比较可行又能降低太阳电池成本的方法是在太阳电池表面形成 一层减反射薄膜，以减少太阳电池表面对阳光的反射损失 本文在系统综述当前太阳电池用氮化硅薄膜研究进展、 前景和面 临的问题的基础上，应用 PECVD(等离子体增强化学气相沉积)系统， 以硅烷和氨气为气源制备了同时具有钝化作用和减反射作用的氮化 硅薄膜；摸索了氮化硅薄膜相对最佳生长参数；研究了 PECVD 生长 的氮化硅薄膜的基本物理化学性质以及在沉积的过程中，衬底温度、 硅烷流量、射频功率和腔体压强对薄膜各种性能的影响；以及实验参 数对薄膜少子寿命的影响，放置时间对薄膜性能的影响，得到了一系 列的实验结果， 为开发我国自主知识产权的太阳电池工艺提供了有益 的参考和指导。

本实验利用 PECVD 设备，制备了氮化硅薄膜，结果证实沉积的 氮化硅薄膜减反射性质良好，透射率高，折射率 2. 0 左右；薄膜表面 相当平整，粗糙度大约 3nm；薄膜属于非晶态，比较难晶化； 薄膜 呈富硅态 实验表明，氮化硅薄膜的沉积速率随硅烷/氨气流量比增大而增 大，随温度升高而略有降低，随射频功率增大而明显增加，随压强的 增大略有升高；氮化硅薄膜的透过率、折射率随硅烷/氨气流量比增 大而增大， 随温度升高、 射频功率增大、 腔体压强的增大而略有增加 氮化硅薄膜能提高单晶硅的少子寿命，具有表面钝化作用，但也 受实验参数的影响 放置时间对薄膜材料的性质也有一定的影响， 华侨大学硕士学位论文：氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 II 这还需要进行进一步研究 [关键词关键词]：：PECVD 氮化硅薄膜氮化硅薄膜 太阳电池太阳电池 华侨大学硕士学位论文：氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 III Abstract It is important work for scientific researchers to improve utility ratio of solar energy, especially to improve conversion efficiency of solar cells, there are many ways which can be used to improve it, depositing reflection films on solar cells is the most doable one, and can debase the cost of solar cells. The research progress, future and unsolved problems of silicon nitride thin film for solar cells were systematically reviewed in this paper. By the PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) system and thereactants of silane and ammonia, silicon nitride thin film with excellent antireflective and passivation effects was prepared. The relatively optimum parameters for depositing SiNx thin film and the basic physical and chemical properties of SiNx were investigated. The effects of substrate the temperature, the flow of silane, the RF power and the chamber of pressure on the refractivity and deposition rate were researched. And the impact of experimental parameters on the minority carrier lifetime of film, time on the film properties were also be researched. These experimental results offered helpful reference and guide for developing the domestic solar cell process. The silicon nitride thin film deposited in this paper has excellentantireflective results and transmissivity. Its refractive index is about 2.0.The surface of thin film is very smooth, with a roughness of about 3 nm. The film is amorphous and hard to be crystallized, and it is silicon-rich. The experiments indicate that the deposition rate will increase with the increase of the flow ratio of SiH4/NH3, slightly decrease with the increase of substrate temperate, and increase obviously with the increase of RF power, slightly increase with the increase of chamber pressure. 华侨大学硕士学位论文：氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 IV However, the refractive index and permeation rate will increase with the increase of the flow ratio of SiH4/NH3, slightly increase with the increase of substrate temperate, RF power and chamber pressure. SiNx thin film can improve the minor carrier lifetime of mono silicon by the surface passivation. But the experimental parameters will also impact the result. Time on the nature of thin film materials have a certain influence, it also requires further study. [Key Words]：：PECVD; silicon nitride; solar cells 原创性声明及论文格式原创性声明及论文格式 1、原创性声明论文使用权说明格式如下：、原创性声明论文使用权说明格式如下： 原创性声明原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成 果。

论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考 他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明本人依法享 有和承担由此论文所产生的权利和责任 学位论文作者签名： 日期： 2、论文使用权说明格式如下、论文使用权说明格式如下 学位论文版权使用授权声明学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学 位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅 论文作者签名： 指导教师签名： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 华侨大学硕士学位论文：氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 1 第一章第一章 引引 言言 1. 1 研究背景与意义研究背景与意义 寻找廉价、清洁的新能源已成为当前人类面临的紧要课题之一太阳能作 为一种取之不尽用之不竭的清洁无污染能源因此受到人们的青睐， 太阳能电池研 究受到全世界广泛的重视 1839 年 Becqurel 发现光伏效应,并由 Fritt 在 1883 年造出了世界上第一只硒 光生伏特电池；1904 年 Einstein 发表了关于光电效应的论文，成功地提出了光 生伏特效应理论，并于 1921 年获 Nobel 物理奖；1941 年，Ohl 提出了硅 p- n 结 光伏器件[1]， 这也是现代太阳能电池的雏形。

在此基础上， 美国贝尔实验室于 1954 年制造出第一只具有实用意义的硅扩散 p-n 结太阳能电池[2]从此，太阳能电池 进入实用阶段1955 年 Western Electric 开始出售硅光伏技术商业专利，同时 Hoffman 电子推出效率为 2%的商业光伏产品1959 年 Hoffman 电子又推出了 效率为 10%的商业化硅电池上世纪 60 年代供空间应用的电池设计成熟, 70 年 代初,硅电池的转换效率大大提高，太阳能电池开始应用于地面[3] 到目前为止，除了硅电池以外，人们还研究过 Cu2S/CdS 太阳电池、有机半 导体太阳电池、金属-绝缘体、半导体反型层（MIS/IL）太阳电池在内的各种材 料和结构的太阳电池，但由于效率和成本等问题，最终只有硅电池能够实现产业 化并能够在国际光伏市场上长期占据主导地位 80 年代到 90 年代，由丁各国政府的重视，太阳能电池进入高速发展80 年代后期，随着太阳能电池成本不断下降，世界光伏产品得到了快速的发展20 世纪 80 年代， 世界光伏电池产量的平均年增长率为 15%， 整个 90 年代平均年增 长率为 20% [4] 1981 年， 世界太阳能电池的产量为 6 M W , 1994 年达到 70 M W， 到 1998 年己达到 157. 4 M W，这期间的平均增长速度为 25%。

在日本和德国， 由于政府的补贴，过去 10 多年太阳能市场以平均 31%的速度迅猛长[5]根据美 国世界观察所的报告预测， 太阳能电池产业将与通讯行业一起成为发展最快的产 业，到 21 世纪中叶，光伏发电量将占到世界总发电量的 1/5 目前，工业化生产的单晶硅太阳电池的效率在 13%-16%之间[6]，而实验室制 备出的效率已经达到 24.5%，已经接近其理论最高值 28%通过长期以来的研究 华侨大学硕士学位论文：氮化硅薄膜的制备工艺优化和光学性质的研究 2 发现，要想通过太阳电池材料本身来提高电池的效率已经很难，于是科研工作者 研究在太阳电池外部涂附一层材料或增加一个装置来尽量减少太阳电池对太阳 光的吸收损失来提高太阳电池的效率 对于太阳电池来说我们希望太阳光百分之百的入射到电池上，这样就必须 要求电池表面没有反射， 在研究过程中人们发现通过在电池表面镀制一层减反薄 膜，可以使太阳电池对太阳光的反射达到最小，从而提高了太阳电池对太阳光的 转换效率 在传统的硅太阳能电池中，一直采用 Si02或者 Ti02作为硅太阳能电池的减 反射。