一种用于太阳能电池的双层氮化硅减反射膜及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于太阳能电池的双层氮化硅减反射膜，包括：硅片，硅片上覆有第一膜体，在第一膜体上覆有第二膜体，第一膜体、第二膜体的材料为氮化硅，第一膜体的折射率高于第二膜体，其制备方法为：经清洁后的硅片在PECVD设备内部加热到工作温度并保持稳定，通入氮气和氨气，并调整工作气压和开启射频电源；对硅片的表面进行活化处理；改通入硅烷和氨气，加射频电源的高频功率使其放电，在硅片的表面上进行第一膜体的沉积；改变硅烷和氨气的流量，在第一膜体的表面上进行第二膜体的沉积。本发明的优点：加工工艺简单快速，钝化电池片表面以及体内悬挂键和减少入射太阳光在电池片表面反射，大大提高电池硅片的光电转换效率。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池硅片，特别是一种贴覆在硅片表面的双层膜结构，主要起钝化电池片表面以及体内悬挂键和减少入射太阳光在电池片表面反射的作用。

背景技术

为了能更好的利用太阳光能，提高电池的光谱响应，进而提高电池的转换效率，常规工艺都是在硅片的表面沉积一层Si₃N₄:H减反射钝化膜，降低太阳光在电池片表面的反射，实现对太阳光能利用的最大化。然而，由于硅片体内和表面存在着大量的悬挂键，导致电池片的少数载流子复合速率大，大大降低了电池片的开路电压，同时也在一定程度上影响到开路电流，从而降低电池片的光电转换效率。因此，为了减少悬挂键带来的影响，使太阳能硅片达到最佳的使用效果，对硅片进行钝化处理是必不可少的步骤。而时至今日，本领域还未能发现一种简单又行之有效的方案来解决这问题。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在光电转换率低、硅片钝化处理难的问题，提出了一种用于太阳能电池的双层氮化硅减反射膜，此膜贴在硅片表面，即可解决上述问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于太阳能电池的双层氮化硅减反射膜，包括：硅片，其特征在于：所述硅片的表面上覆有第一膜体，在第一膜体上覆有第二膜体，第一膜体、第二膜体都选用相同的材料——氮化硅。氮化硅薄膜对电池片表面的钝化效果与其折射率有着很密切的关系，即具有高折射率的氮化硅比低折射率的有更好的钝化效果。然而，氮化硅膜的折射率不宜太大，因为过大时会导致严重的吸收损失。因此，现有技术中提到的单层氮化硅薄膜由于不能采用较大的折射率，导致不能充分的发挥出其优异的钝化效果。根据上述原因，本方案一改传统的单层膜结构，在硅片表面上形成上、下两层膜的复合结构。通过两层膜具有折射率和厚度不同的结构差异，使两层膜对硅片形成不同的作用。由于靠近硅片的第一膜体具有折射率高、厚度小的特点，使其对硅片主要起钝化作用，解决了硅片上的悬挂键带来的影响，提高光电转换率。而第二膜体具有折射率低、厚度大的特点，所以，其减反射的作用效果显著，使硅片能最大化地吸收太阳光能。采用本结构，既对硅片进行钝化，又使增加了减反射效果，两全其美，彻底解决了现有技术的不足。

进一步，第一层膜体厚度范围为5-20nm，折射率范围为2.2-2.4；第二层膜体厚度范围为60-75nm；折射率范围为1.9-2.1。通过大量的实验证明，上述参数范围为佳。

值得一提的是，曾经有业者也发明了一种双层结构的减反射膜（SiO₂层和Si₃N₄层，其中，SiO₂层贴近硅表面），其缺点在于：加工SiO₂层时，通常要在高温下获得，然而由于SiO₂生长速度很慢，因此硅片需要长时间处在高温的条件下，在一定程度上对扩散方阻有一定的影响，不利于工艺控制。而本技术方案两层都采用氮化硅材料，众所周知，氮化硅的成型工艺具有低温、快速、稳定等优点，有效地解决了上述问题，并大大节约了生产时间，更突出了本技术方案的优越性。

本技术方案还提供了一种用于太阳能电池的双层氮化硅减反射膜的制备方法，其特征在于：依次执行以下步骤，

（1）    经清洁后的硅片在PECVD设备内部加热到工作温度并保持稳定，通入氮气和氨气，并调整工作气压和开启射频电源；

（2）    对硅片的表面进行活化处理；

（3）    活化处理后，改通入硅烷和氨气，加射频电源的高频功率使其放电，在硅片的表面上进行第一膜体的沉积；

（4）    第一膜体形成后，改变硅烷和氨气的流量，在第一膜体的表面上进行第二膜体的沉积。

优选地，执行第1、2步骤时，通入的氮气流量范围为1-3slm,氨气的流量范围为3-5slm，时间范围为50-200s；执行第3步骤时，通入的硅烷流量范围为800-1000sccm，氨气的流量范围为2.5-3.5slm，沉积时间为50-200s；执行第4步骤时，通入的硅烷流量范围为600-800sccm，氨气的流量范围为6-8slm，沉积时间范围为500-700s。

优选地，第3、4步骤是在相同的工作环境下进行的，该工作环境包括温度、工作气压、射频电源的高频功率，即第3、4步骤是在相同的温度、相同的工作气压、相同的高频功率的条件下进行的，因此就不需要在沉积完第一层膜后和沉积第二层膜之前，进行抽真空和升温或降温的等待过程（以往在PECVD制备两层膜结构时，必定要抽真空后才能进行下一步沉积，上文提到过一种具有SiO₂层和Si₃N₄层结构的减反射膜就是这种情况）。而是在第一层膜沉积好后，直接进行第二层膜的沉积。这样既简化加工步骤，节约生产时间，同时由于工作环境未变化，成型后的第一膜体处于一个较为稳定的状态，也提高了其成型质量。

优选地，所述工作气压的范围为1500 - 1900 mTorr，气压在此范围内能强化膜体对硅片的钝化效果。

优选地，所述工作温度范围为450-550℃。所述工作温度采取梯度式的设计，从炉尾到炉口的温度以每个温区+5℃递增。在这个温度范围下可使成膜物质在到达硅片表面后具有一定的表面迁移能力，迁移到位能最低的位置上去，使形成的膜内应力小，结构致密，具有良好的钝化效果。

优选地，所述射频电源的高频功率范围由4000W-5500W，在这个范围内气体能被充分电离，获得的膜结构致密，具有较强的抗腐蚀性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

1、硅片                 2、第一膜体              3、第二膜体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

请参见图1，图1为本发明的结构示意图。图中所示的是一种用于太阳能电池的双层氮化硅减反射膜，包括：硅片，其特征在于：所述硅片的表面覆有第一膜体，在第一膜体上覆有第二膜体，第一膜体、第二膜体的材料都为氮化硅，第一膜体的折射率高于第二膜体，第一膜体的厚度低于第二膜体。

实施例1： 

（1）  将边长为125mm、对角为165mm、厚度为200μm的P型单晶硅片经碱制绒、磷源扩散、等离子体刻蚀、去磷硅玻璃后，在PECVD设备内部加热到工作温度并保持稳定，通入氮气和氨气，并调整工作气压和开启射频电源，电源高频功率5000W；

（2）  对硅片的表面进行活化处理；

执行第1、2步骤时，通入的氮气流量为1slm,氨气的流量为53slm，时间范围为50s；

（3）  活化处理后，改通入硅烷和氨气，加射频电源的高频功率使其放电，在硅片的表面上进行第一膜体的沉积；

执行第3步骤时，通入的硅烷流量为1000sccm，氨气的流量为2.5slm，沉积时间为50s； 

（4）  第一膜体形成后，改变硅烷和氨气的流量，在第一膜体的表面上进行第二膜体的沉积。

执行第4步骤时，通入的硅烷流量为600sccm，氨气的流量为8slm，沉积时间范围为700s。

第3、4步骤是在工作气压1500mTorr，工作温度为450℃，PECVD的高频功率4600W。

第一层膜体厚度为7nm，折射率为2.4；第二层膜体厚度为73nm；折射率为1.9。

经测试，本例中制备的双层膜较单层膜的转换效率提高0.19%。

实施例2：

（1）  将边长为125mm、对角为165mm、厚度为200μm的P型单晶硅片经碱制绒、磷源扩散、等离子体刻蚀、去磷硅玻璃后，在PECVD设备内部加热到工作温度并保持稳定，通入氮气和氨气，并调整工作气压和开启射频电源，电源高频功率4100W；

（2）  对硅片的表面进行活化处理；

执行第1、2步骤时，通入的氮气流量为3slm,氨气的流量为3slm，时间为200s；

（3）  活化处理后，改通入硅烷和氨气，加射频电源的高频功率使其放电，在硅片的表面上进行第一膜体的沉积。

执行第3步骤时，通入的硅烷流量为1000sccm，氨气的流量为2.5slm，沉积时间为200s； 

（4）  第一膜体形成后，改变硅烷和氨气的流量，在第一膜体的表面上进行第二膜体的沉积。

执行第4步骤时，通入的硅烷流量为800sccm，氨气的流量为6slm，沉积时间为600s。

第3、4步骤是在工作气压1900mTorr，工作温度为550℃，PECVD的高频功率5500W。

第一层膜体厚度为20nm，折射率为2.4；第二层膜体厚度为62nm；折射率为2.1。

经测试，本例中制备的双层膜较单层膜的转换效率提高0.14%。

实施例3：

（1）  将边长为125mm、对角为165mm、厚度为200μm的P型单晶硅片经碱制绒、磷源扩散、等离子体刻蚀、去磷硅玻璃后，在PECVD设备内部加热到工作温度并保持稳定，通入氮气和氨气，并调整工作气压和开启射频电源，电源高频功率4200W；

（2）  对硅片的表面进行活化处理；

执行第1、2步骤时，通入的氮气流量为2slm,氨气的流量为4slm，时间为100s；

（3）  活化处理后，改通入硅烷和氨气，加射频电源的高频功率使其放电，在硅片的表面上进行第一膜体的沉积；

执行第3步骤时，通入的硅烷流量为900sccm，氨气的流量为3slm，沉积时间为120s； 

（4）  第一膜体形成后，改变硅烷和氨气的流量，在第一膜体的表面上进行第二膜体的沉积。

执行第4步骤时，通入的硅烷流量为700sccm，氨气的流量为8slm，沉积时间范围为650s。

第3、4步骤是在工作气压1700mTorr，工作温度采取梯度式的设计，从炉尾450℃以每个温区+5℃递增到炉口550℃，PECVD的高频功率范围由4800W。

第一层膜体厚度为13nm，折射率为2.3；第二层膜体厚度为68nm；折射率为2.0。

经测试，本例中制备的双层膜较单层膜的转换效率提高0.13%。

以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本发明的优点：加工工艺简单快速，钝化电池片表面以及体内悬挂键和减少入射太阳光在电池片表面反射的作用，大大提高电池硅片的光电转换效率。