氮化硅和碳化硅及其复合双层减反射膜研究

摘要

太阳电池的转换效率的提高一直是太阳能光伏行业研究的热点,在太阳电池表面形成减反射膜是提高其转换效率的有效途径之一。目前太阳电池减反射膜在实际应用中主要采用等离子体化学气相沉积法制备的SiNx减反射膜,但生产过程中由于使用硅烷气体而存在安全隐患,采用磁控溅射法能避免上述问题的出现并在低温环境下制备得到非晶的 SiNx薄膜;另外,由于双层减反射膜的减反效果明显优于单层减反射膜,且SiC薄膜在太阳电池窗口层中已有广泛应用,具有良好的光学、力学性能、抗辐射性能和钝化能力,将它们用作双层减反射膜材料并研究其组织结构、形貌特征、力学和光学性能对提高太阳电池的使用寿命具有重要意义。
　　本文以石英玻璃和不锈钢作为基底材料,采用射频磁控溅射SiC、SiNx陶瓷靶的方法,通过改变溅射时间,溅射功率,工作压强等沉积条件,制备了一系列的SiC、SiNx薄膜,并采用TCFCAL光学薄膜设计软件设计得到的SiC/SiNx双层减反射膜,采用划痕仪,紫外-可见光分光光度计,X射线衍射仪(XRD),原子力显微镜(AFM),椭圆偏振仪等设备对薄膜的组织结构和力学、光学性能进行了研究。主要结论如下:
　　(1)SiNx薄膜试样中一定含有Si-N2-Si2键合结构,而SiC薄膜主要以Si-C键形式存在,可能含有Si-C-H键;SiNx、SiC薄膜和 SiC/SiNx双层减反射膜都以非晶结构存在,都可能含有微晶结构,其中SiC薄膜在35.6o衍射角处存在一个微弱的(111)衍射峰,SiC/SiNx双层减反射膜在22°衍射角附近可能存在衍射峰,SiNx、SiC薄膜经过1000℃真空退火处理后非晶结构稳定,高温稳定性好;
　　(2)在100W~175W溅射功率范围内,SiNx、SiC薄膜晶粒呈柱状或颗粒状生长,均呈椭圆状;高温退火处理可明显改善SiNx、SiC薄膜的表面结构,能大大减小其表面均方根粗糙度Rrms并有助于细化晶粒,得到更加平滑均匀的致密性优良的薄膜,当溅射功率为125W时,SiNx薄膜晶粒细化效果尤为明显;在100W溅射功率下,不同氩气压强下的SiNx薄膜的都呈现出良好的膜层结构,颗粒尺寸均匀性好,膜层致密性良好,在1.0Pa溅射压强下可制备得到平滑致密的SiNx薄膜;在75W~175W的溅射功率范围内,SiC薄膜随着溅射功率的增大,颗粒度的总体变化呈现先增大后减小的趋势,但不同氩气压强条件下出现最大颗粒尺寸时的溅射功率大小有所不同;而SiC/SiNx薄膜随着溅射时间的增加其颗粒直径和粗糙度均变大;
　　(3)SiNx、SiC薄膜的复合显微硬度随着溅射功率的增加而不断递增,膜基结合力也呈现增大的趋势,且当溅射功率为150W时它们的硬度变化明显;膜基结合力与复合显微硬度变化曲线规律性相似;
　　(4)75W~175W溅射功率范围内的SiNx、SiC薄膜的生长速率随着溅射功率的增大而不断增大,但 SiNx薄膜生长速率呈线性增长,由6.440nm·min-1提高到13.052nm·min-1;SiC薄膜的生长速率增幅在150W溅射功率时突然变缓;SiNx、SiC薄膜随着溅射功率的增加薄膜的折射率也逐渐变大,SiNx薄膜折射率变化范围维持在1.72~2.25;而S iC薄膜的折射率大小在1.71~2.95范围内变化,且在较低溅射功率下薄膜折射率变化不大;
　　(5)SiNx减反射膜的透射率在100W溅射功率和2.0Pa氩气压强条件下表现更为优异,而SiC单层减反射膜在125W和3.0Pa的溅射工艺下透射率更好;SiNx薄膜在溅射功率为100W时具有高达85％的透射率,而SiC薄膜在125W溅射功率附近具有更加优异的透射性能,它们在氩气压强为2.0Pa时薄膜都具有更佳优异的透射性能,且经过退后处理后的薄膜透射率均有所下降,随着退火温度的升高透射率也随之下降;
　　(6)理论设计得出SiC、SiNx的膜层厚度分别为76.4nm和106.8nm时的SiC/SiNx双层膜具有最佳减反效果。

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第一章 绪 论

1. 1 引言

1. 2 太阳电池减反射膜

1.3 SiNx、SiC薄膜的性能与应用

1. 4 减反射膜的制备技术

1. 5 研究目的和主要研究内容

第二章 薄膜的制备与表征方法

2. 1 实验方案

2. 2 样品预处理

2. 3 薄膜的制备

2. 4 薄膜组织结构与性能检测

第三章 SiNx薄膜的组织结构及性能分析

3.1 SiNx薄膜的组织结构分析

3.2 SiNx薄膜表面形貌分析

3.3 SiNx薄膜的力学性能分析

3.4 SiNx薄膜光学性能分析

第四章 SiC薄膜的组织结构及性能分析

4.1 SiC薄膜的组织结构分析

4.2 SiC薄膜表面形貌分析

4.3 SiC薄膜的力学性能分析

4.4 SiC薄膜光学性能分析

第五章 SiC/SiNx双层减反射膜设计与组织性能分析

5.1 SiC/SiNx双层减反射膜的设计

5.2 SiC/SiNx双层减反射膜的XRD分析

5.3 SiC/SiNx双层减反射膜的表面形貌分析

5.4 SiC/SiNx双层减反射膜的透射率分析

第六章 总结与展望

6. 1 主要结论

6. 2 后期研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢