CN101866956B - 一种减反射膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减反射膜，用于减少太阳能电池表面的光反射，其包括在硅片表面按由内向外的次序沉积的氮化硅膜层、氮氧化硅膜层以及氧化硅膜层。本发明还提供一种减反射膜的制备方法，包括以下步骤：1)在硅片表面沉积氮化硅膜层；2)在氮化硅膜层表面沉积氮氧化硅膜层，使氮氧化硅膜层的折射率小于氮化硅膜层的折射率；3)在氮氧化硅膜层表面沉积氧化硅膜层，使氧化硅膜层的折射率小于氮氧化硅膜层的折射率。本发明提供的减反射膜整体折射率变化均匀，具有良好的光学/电学特性及减反射效果；制备方法操作简单、易于实现，并能提供折射率变化均匀且可有效提高光电转化效率的减反射膜。

Description

一种减反射膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，具体地，涉及一种减反射膜及其制备方法。 
背景技术
随着科技发展，太阳能资源的开发和利用受到广泛重视。太阳能电池作为一种能够将光能转化为电能的新型发电设备，已经被应用于众多的技术领域。与此同时，为进一步提高现有太阳能电池的光电转化效率，广大科研人员仍在进行着不懈的努力。 
在太阳能电池的表层沉积一层减反射膜，以降低电池表面对光的反射，从而有效改善电池的光电转化效率；同时，减反射膜还能对太阳能电池起到表面钝化和体钝化的作用。因此，在选择减反射膜材料时应当综合考虑这两方面的因素。 
氮化硅是目前常用的一种减反射膜材料，其折射率范围在1.9～2.5之间。而通常经过沉积形成的氮化硅薄膜，组分会有所偏差且含有一定量的氢元素，因此常被简记为SiNX:H。当X＞1.33时，薄膜中富氮，氮含量越高则薄膜的折射率越低，但是钝化效果较差；X＜1.33时，氮化硅中富硅，硅含量越高则薄膜的折射率越高，薄膜的钝化效果也越好。但是，富硅的氮化硅薄膜存在一定的光吸收，硅含量越高，相应的光吸收也越高，使可用于产生光生电流的光能减少，从而影响太阳能电池的光电转化效率。 
为此，工业中常采用氮化硅和氧化硅复合而成的双层薄膜作为减反射膜。具体地，是将钝化性能良好且具有高折射率的氮化硅薄膜作为底层而直接沉积在硅片上，然后将具有高损伤阈值和优良光学特性的氧化硅薄膜作为表层沉积在氮化硅薄膜之上，以期获得两种薄膜的综合特性。 
但是，上述由氮化硅和氧化硅构成的双层减反射膜，由于两膜层的化学组分和光学特性差异较大，导致在两膜层界面处的折射率变化不均匀，整体光学性能下降，进而影响太阳能电池的光电转化效率。 
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种减反射膜及其制备方法，该减反射膜的整体折射率变化均匀，具有良好的光学/电学特性以及减反射效果。该减反射膜的制备方法操作简单，易于实现。 
为此，本发明提供一种减反射膜，用于减少太阳能电池表面的光反射，其包括在硅片表面按由内向外的次序沉积的氮化硅膜层、氮氧化硅膜层以及氧化硅膜层。 
其中，所述氮化硅膜层的厚度为9～12nm，折射率为2.1～2.4。 
例如，所述氮化硅膜层的厚度约为10nm。 
其中，所述氮氧化硅膜层的厚度为42～47nm，折射率为1.75～1.9。例如，所述氮氧化硅膜层的厚度约为45nm。 
其中，所述氧化硅膜层的厚度为14～17nm，折射率为1.44～1.5。 
例如，所述氧化硅膜层的厚度约为15nm。 
其中，所述三个膜层的折射率自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层而逐渐降低。优选地，所述三个膜层中的至少一个膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。 
作为另一个技术方案，本发明还提供一种减反射膜的制备方法，所述减反射膜用于减少太阳能电池表面的光反射，所述制备方法包括以下步骤：1)在硅片表面沉积氮化硅膜层；2)在所述氮化硅膜层表面沉积氮氧化硅膜层，使氮氧化硅膜层的折射率小于所述氮化硅膜层的折射率；3)在所述氮氧化硅膜层表面沉积氧化硅膜层，使氧化硅膜层的折射率小于所述氮氧化硅膜层的折射率。 
其中，在所述步骤1)中，所采用的工艺气体包括NH3和SiH4，并将NH3和SiH4的比例控制在9.7～12的范围内，在硅片表面沉积得到厚度为9～12nm、折射率为2.1～2.4的氮化硅膜层。 
其中，在所述步骤2)中，所采用的工艺气体包括SiH4、NH3和N2O，保持NH3和SiH4的比例在9.7～12的范围内，并控制N2O和NH3的比例在3.2～7.5的范围内，在所述氮化硅膜层上沉积得到厚度为42～47nm、折射率为1.75～1.9的氮氧化硅膜层。 
其中，在所述步骤3)中，所采用的工艺气体包括SiH4和O2，在所述氮氧化硅膜层上沉积得到厚度为14～17nm、折射率为1.44～1.5的氧化硅膜层。 
优选地，在所述步骤1)至步骤3)中的至少一个步骤中，控制其工艺气体的比例关系，使该步骤所得到的膜层的组分产生变化，进而使该膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。 
优选地，在所述步骤1)至步骤3)中的至少一个步骤中，调节工艺过程中的功率和/或气压和/或温度，使该步骤所得到的膜层的组分产生变化，进而使该膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。 
本发明具有下述有益效果： 
本发明提供的减反射膜，包括依次沉积在硅片上的氮化硅膜层、氮氧化硅膜层和氧化硅膜层，其中，氮化硅膜层对硅片具有良好的钝化性能，氧化硅薄膜具有高损伤阈值和优良的光学特性，从而能够有效降低光线反射。更重要的是，作为中间层的氮氧化硅膜层具有与氮化硅和氧化硅都相近的光学特性，其很好地解决了上述两膜层之间的光学特性差异较大的问题，从而使得减反射膜整体的折射率变化趋于均匀，并使其整体的光学和电学性能得到明显改善，进而有效提高太阳能电池的光电转化效率。 
本发明提供的减反射膜的制备方法，包括在硅片上依次沉积折射率逐渐降低的氮化硅膜层、氮氧化硅膜层和氧化硅膜层。其操作简单，易于实现，而且，本方法所制备的减反射膜与本发明提供的减反射膜具有相同或相近的结构和特性。换言之，本发明提供的制备方法能够提供折射率变化均匀且可有效提高太阳能电池光电转化效率的减反射膜。 
附图说明
图1示出了本发明第一种实施方式所提供的减反射膜；以及 
图2示出了本发明提供的减反射膜制备方法的流程示意图。 
具体实施方式
下面对本发明提供的用于减少太阳能电池表面光反射的减反射膜及其制备方法进行详细描述。 
本发明所提供的减反射膜，其制备过程通常是在已完成表面制绒和扩散制结的硅片表面，采用PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)工艺、PVD(PhysicalVapor Deposition，物理气相沉积)工艺等技术完成的。 
请参阅图1，本发明提供的减反射膜的第一种实施方式，包括在硅片表面依次沉积的氮化硅膜层、氮氧化硅膜层以及氧化硅膜层。其中，各膜层的折射率由内向外依次逐渐降低，这里，由内向外是指自氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向。 
具体地，氮化硅膜层的厚度约为9～12nm，折射率约为2.1～2.4。例如，该膜层的厚度可以大致为10nm，当然可以根据需要适当增加或减小其厚度，只要能够满足对硅片具有良好的钝化作用且不会造成光吸收损失即可。 
氮化硅膜层之上依次为氮氧化硅膜层和氧化硅膜层。氮氧化硅膜层的厚度约为42～47nm，例如，该膜层的厚度可以大致为45nm，折射率约为1.75～1.9。氮氧化硅同时具有氮化硅和氧化硅的光学特性，其折射率范围介于氮化硅和氧化硅之间。因此，将其作为过渡层能够使由氧化硅透射来的光线顺畅过渡给氮化硅膜层，并进而进入太阳能电池板内部产生电能。 
氧化硅膜层作为本发明提供的减反射膜的表层，其厚度约为14～17nm，例如，该膜层的厚度可以大致为15nm，折射率膜层为1.44～1.5。氧化硅膜层具有良好的光学特性及高损伤阈值，其能够非常有效地降低入射光的反射。 
众所周知，如若减反射膜的整体厚度过大，将使其易于脱落。因此，有必要对减反射膜的整体厚度进行限制，例如，可以将减反射膜的总厚度限制在70nm左右。 
本发明提供的减反射膜的第二种实施方式中，三个膜层中的至少一个膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。例如，使氮化硅膜层的折射率在1.9～2.5范围内呈梯度变化而由内向外逐渐降低；和/或，使氮氧化硅膜层的折射率在1.68～1.97范围内呈梯度变化而由内向外逐渐降低；和/或，使氧化硅膜层的折射率在1.44～1.5范围内呈梯度变化而由内向外逐渐降低。 
事实上，本实施方式提供的减反射膜，至少一个膜层的折射率呈梯度变化而由内向外逐渐降低，其很好地解决了膜层之间的光学特性差异较大的问题，从而使得整个减反射膜的折射率变化趋于均匀，既具有良好的硅片钝化作用，又能有效降低光反射，提高太阳能电池的光电转化效率。当然，优选地是使每一膜层的折射率均呈梯度变化并由内向外逐渐降低。 
请参阅图2，本发明提供的减反射膜的制备方法的第一种具体实施方式可包括以下步骤：1)在硅片表面沉积氮化硅膜层；2)在所述氮化硅膜层表面沉积氮氧化硅膜层，使氮氧化硅膜层的折射率小于所述氮化硅膜层的折射率；3)在所述氮氧化硅膜层表面沉积氧化硅膜层，使氧化硅膜层的折射率小于所述氮氧化硅膜层的折射率。 
实际工艺过程中，在步骤1)中为沉积氮化硅膜层而采用的工艺气体可以包括NH3和SiH4。其间，控制NH3和SiH4的比例使其大致在9.7～12范围内，并在硅片表面沉积得到厚度约为9～12nm、折射率约为2.1～2.4的氮化硅膜层。 
在步骤2)中，为沉积氮氧化硅膜层而采用的工艺气体可以包括SiH4、NH3和N2O。其间，保持NH3和SiH4的比例在9.7～12范围，并控制N2O和NH3的比例在3.2～7.5范围内，而在所述氮化硅膜层上沉积得到厚度约为42～47nm、折射率约为1.75～1.9的氮氧化硅膜层。 
在步骤3)中所采用的工艺气体可以包括SiH4、O2和Ar。其中， Ar可以起到载流、稀释等作用。借助于该工艺气体而在氮氧化硅膜层上沉积厚度约为14～17nm、折射率约为1.44～1.5的氧化硅膜层。 
上述步骤1)至步骤3)中所说的沉积工艺可以为等离子体增强化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺。 
本发明提供的减反射膜的制备方法的第二种实施方式，在步骤1)至3)中的至少一个步骤中，控制其工艺气体的比例关系，使该步骤所得到的膜层的组分产生变化，进而使该膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。 
例如，在制备所述氮化硅膜层的过程中，可以进一步控制NH3和SiH4的比例，使SiNX:H中的x按照x＝0.97、x＝0.98、x＝0.99、x＝1.0……依次变化，从而使氮化硅膜层的折射率在2.1～2.4范围内由内向外呈梯度变化而逐渐降低。在制备氮氧化硅膜层和氧化硅膜层的过程中，控制其折射率变化的方法与上述氮化硅膜层折射率控制方法类似，在此不再赘述。 
另外，也可以在所述步骤1)至步骤3)中的至少一个步骤中，通过调节工艺过程的功率和/或气压和/或温度等的参数，而使该步骤所得到的膜层的组分产生变化，进而使该膜层的折射率由内向外而逐渐降低。 
由上可知，本发明提供的减反射膜的制备方法，操作简单、易于实现。采用本发明提供的制备方法而得到的减反射膜不仅折射率变化均匀，而且可有效提高太阳能电池的光电转化效率。 
可以理解的是，尽管本发明前述实施方式中以适用于太阳能电池技术领域中的减反射膜及其制备方法为例对本发明进行了说明，但是本发明提供的减反射膜及其制备方法并不局限于此，例如其也可以作为一种对光线的增透技术而应用于其它任何需要降低表面光反射的情况。而且，尽管前述实施方式中以三个膜层的减反射膜为例对本发明提供的减反射膜及其相应的制备方法进行了说明，但是在实际应用中并不局限于此，也就是说，本发明提供的减反射膜及其制备方法还可以根据实际需要而包括三层以上的膜层，只要其能够使折射率变化均匀、并有效提高光电转化效率即可。 
还可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，但本发明并不局限于此。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。 

Claims (16)

1.一种减反射膜，用于减少太阳能电池表面的光反射，其特征在于，包括在硅片表面按由内向外的次序沉积的氮化硅膜层、氮氧化硅膜层以及氧化硅膜层。
2.如权利要求1所述的减反射膜，其特征在于，所述三个膜层的折射率自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层而逐渐降低。
3.如权利要求1所述的减反射膜，其特征在于，所述氮化硅膜层的厚度为9～12nm，折射率为2.1～2.4。
4.如权利要求3所述的减反射膜，其特征在于，所述氮化硅膜层的厚度约为10nm。
5.如权利要求1所述的减反射膜，其特征在于，所述氮氧化硅膜层的厚度为42～47nm，折射率为1.75～1.9。
6.如权利要求5所述的减反射膜，其特征在于，所述氮氧化硅膜层的厚度约为45nm。
7.如权利要求1所述的减反射膜，其特征在于，所述氧化硅膜层的厚度为14～17nm，折射率为1.44～1.5。
8.如权利要求7所述的减反射膜，其特征在于，所述氧化硅膜层的厚度约为15nm。
9.如权利要求1所述的减反射膜，其特征在于，所述三个膜层的总体厚度约为70nm。 
10.如权利要求1所述的减反射膜，其特征在于，所述三个膜层中的至少一个膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。
11.一种减反射膜的制备方法，所述减反射膜用于减少太阳能电池表面的光反射，所述制备方法包括以下步骤：
1)在硅片表面沉积氮化硅膜层；
2)在所述氮化硅膜层表面沉积氮氧化硅膜层，使氮氧化硅膜层的折射率小于所述氮化硅膜层的折射率；
3)在所述氮氧化硅膜层表面沉积氧化硅膜层，使氧化硅膜层的折射率小于所述氮氧化硅膜层的折射率。
12.如权利要求11所述的减反射膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所采用的工艺气体包括NH3和SiH4，并将NH3和SiH4的比例控制在9.7～12的范围内，在硅片表面沉积得到厚度为9～12nm、折射率为2.1～2.4的氮化硅膜层。
13.如权利要求11所述的减反射膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所采用的工艺气体包括SiH4、NH3和N2O，保持NH3和SiH4的比例在9.7～12的范围内，并控制N2O和NH3的比例在3.2～7.5的范围内，在所述氮化硅膜层上沉积得到厚度为42～47nm、折射率为1.75～1.9的氮氧化硅膜层。
14.如权利要求11所述的减反射膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所采用的工艺气体包括SiH4和O2，在所述氮氧化硅膜层上沉积得到厚度为14～17nm、折射率为1.44～1.5的氧化硅膜层。
15.如权利要求11至14中任意一项所述的减反射膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)至步骤3)中的至少一个步骤中， 控制其工艺气体的比例关系，使该步骤所得到的膜层的组分产生变化，进而使该膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。
16.如权利要求11至14中任意一项所述的减反射膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)至步骤3)中的至少一个步骤中，调节工艺过程中的功率和/或气压和/或温度，使该步骤所得到的膜层的组分产生变化，进而使该膜层的折射率沿自所述氮化硅膜层向氧化硅膜层的方向而逐渐降低。 
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