CN102820342A - 氮化硅膜、制备方法及含有氮化硅膜的硅片和太阳能电池 - Google Patents

氮化硅膜、制备方法及含有氮化硅膜的硅片和太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化硅膜、制备方法及含有氮化硅膜的硅片和太阳能电池。该氮化硅膜包括依次设置在硅片上的钝化层和减反射膜层，氮化硅膜的厚度为80～90nm，折射率为2.08～2.12，减反射膜层包括第一减反射膜层和设置在第一减反射膜层上的第二减反射膜层。通过在硅片上设置具有一层钝化层和两层减反射层的氮化硅膜，相对于目前只有一层减反射层的氮化硅膜，提高了氮化硅膜的钝化和减反射效果，进而提高了硅太阳能电池的转换效率。

Description

氮化硅膜、制备方法及含有氮化硅膜的硅片和太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种氮化硅膜、制备方法及含有氮化硅膜的硅片和太阳能电池。
背景技术
目前适合于太阳能电池的减反射膜主要有SiO2、TiO2、SiNx等薄膜，但是SiO2的折射率太低(约为1.46)，不利于光学减反射；而TiO2的折射率虽接近太阳能电池的最佳光学减反射膜的折射率，但没有表面钝化作用；SiNx的折射率为2.0～2.2，透明波段中心与太阳光的可见光光谱波段(550nm)吻合，此外，SiNx还有介电常数高、碱离子阻挡能力强、质硬耐磨等优点，是太阳能电池理想的减反射及钝化膜，加之氮化硅膜因具有良好的绝缘性、化学稳定性和致密性而被广泛地用于半导体的绝缘介质层或钝化层。氮化硅膜有助于减少晶体硅太阳能电池中的少子复合和光的反射损失进而提高太阳能电池的转换效率。
制备SiNx薄膜的方法很多，以化学气相沉积法为主，其中主要包括：常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)。
由于PECVD法沉积的氮化硅膜具有沉积温度低、沉积速度快、薄膜质量好、工艺简单易于工人操作等优点，所以被广泛应用于晶体硅太阳能电池产业中。等离子增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)是借助微波使含有薄膜组成原子的气体电离进而在局部形成等离子体，因等离子化学活性很强，容易发生反应，容易在基片上沉积出所期望的薄膜。通过调整SiH4和NH3的流量，可以改变SiNx薄膜中的Si和N的比例，控制薄膜的折射率位于1.8-2.3之间，以获得更好的钝化和减反射效果。因此，PECVD法沉积SiNx薄膜在太阳能电池减反射膜的制备方面有很大的优势和潜力。
发明内容
本发明旨在提供一种氮化硅膜、制备方法及含有氮化硅膜的硅片和太阳能电池，该氮化硅膜能够提高钝化和减反射效果，进而提高硅太阳能电池的转换效率。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种氮化硅膜，包括依次设置在硅片上的钝化层和减反射膜层，氮化硅膜的厚度为80～90nm，折射率为2.08～2.12，减反射膜层包括第一减反射膜层和设置在第一减反射膜层上的第二减反射膜层。
进一步地，氮化硅膜的折射率沿着远离硅片的方向依次递减。
进一步地，第一减反射膜层的厚度为20～30nm；第二减反射膜层的厚度为40～60nm；第二减反射膜层的折射率比第一减反射膜层的折射率小0.5。
进一步地，第一减反射膜层的厚度为30nm，第二减反射膜层的厚度为40nm。
进一步地，第一减反射膜层的折射率为2.10～2.15；第二减反射膜层的折射率为2.05～2.10。
根据本发明的另一方面，提供了上述任一种氮化硅膜的制备方法，利用PECVD法在硅片上依次沉积一层钝化层和两层减反射膜层。
进一步地，利用PECVD法在硅片上沉积氮化硅膜的步骤包括：沉积钝化层，控制SiH4和NH3的流量比为1∶2.5～3.5，沉积时间为130～200s；沉积第一减反射膜层，控制SiH4和NH3的流量比为1∶5～8，沉积时间为150～200s；以及沉积第二减反射膜层，控制SiH4和NH3的流量比为1∶11～14，沉积时间为400～500s。
根据本发明的又一方面，提供了一种太阳能电池用硅片，硅片上设置有上述任一种的氮化硅膜。
根据本发明的再一方面，提供了一种太阳能电池，包括硅片，其中硅片为上述的太阳能电池用硅片。
应用本发明的技术方案，在硅片上设置具有一层钝化层和两层减反射层的氮化硅膜，相对于目前只有一层减反射层的氮化硅膜，提高了氮化硅膜的钝化和减反射效果，进而提高了硅太阳能电池的转换效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明典型实施例的氮化硅膜的断面结构示意图；
图2示出了具有本发明的氮化硅膜的硅片与具有对比例1中的氮化硅膜的硅片的性能对比示意图；
图3示出了本发明的实施例3中的氮化硅膜与对比例1中的氮化硅膜的反射谱线的对比示意图；以及
图4示出了本发明的具有不同厚度减反射膜层的硅片与对比例2中具有一层减反射膜层的硅片的性能对比示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的氮化硅膜包括依次设置在硅片10上的钝化层21和减反射膜层22，氮化硅膜20的厚度为80～90nm，折射率为2.08～2.12，其中减反射膜层22包括第一减反射膜层221和设置在第一减反射膜层221上的第二减反射膜层222。
在硅片上设置具有一层钝化层和两层减反射层的氮化硅膜，相对于目前只有一层减反射层的氮化硅膜，提高了氮化硅膜的钝化和减反射效果，进而提高了硅太阳能电池的转换效率。
优选地，氮化硅膜20的折射率沿着远离硅片10的方向依次递减。将氮化硅膜20的折射率依次递减设置是考虑到光线在氮化硅膜里传输发生的反射和折射，可以最大程度低提高氮化硅膜的钝化和减反射效果，增加太阳能电池的转换效率。
优选地，第一减反射膜层221的厚度为20～30nm；第二减反射膜层222的厚度为40～60nm。第二减反射膜层222的折射率比第一减反射膜层221的折射率小0.5。
可以通过改变第一减反射膜层221和第二减反射膜层222的厚度和折射率来降低短波长的反射率。本发明优选但并不局限于设置两层减反射膜层22的情况，可以设置三层甚至更多层，但设置的层数越多制备工艺也就越复杂。本发明优选两层减反射膜层22，是考虑到在提高氮化硅膜的钝化和减反射效果以及增加太阳能电池的转换效率的同时，在制备工序上又不会太繁杂。一般来说，减反射层膜层22的层数越多，其减反射效果越好。
优选地，第一减反射膜层221的厚度为30nm，第二减反射膜层222的厚度为40nm。此时的氮化硅膜20时具有较好的钝化和减反射效果。进一步优选地，第一减反射膜层221的折射率为2.10～2.15；第二减反射膜层222的折射率为2.05～2.10。
根据本发明的另一方面，提供了一种氮化硅膜的制备方法，利用PECVD法在硅片10上依次沉积一层钝化层21和两层减反射膜层22。
目前，工业生产中多采用双层氮化硅膜工艺，分别采用不同厚度和折射率的氮化硅膜组合形成太阳能电池的钝化层和减反射膜层。本发明则是基于管式PECVD，通过沉积三层或多层高质量的氮化硅膜来提高其钝化和减反射特性，从而提高了太阳能电池的转换效率。
优选地，利用PECVD法在硅片10上沉积氮化硅膜20的步骤包括：沉积钝化层21，控制SiH4和NH3的流量比为1∶2.5～3.5，沉积时间为130～200s；沉积第一减反射膜层221，控制SiH4和NH3的流量比为1∶5～8，沉积时间为150～200s；以及沉积第二减反射膜层222，控制SiH4和NH3的流量比为1∶11～14，沉积时间为400～500s。沉积时控制压强为1300-1600mTorr，功率为5500-6500w，沉积温度一般为380～460℃。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是采用等离子体作为激活方式的化学气相沉积，是指在低真空的条件下，利用直流电压(DC)、交流电压(AC)、射频(RF)、微波(MW)或电子回旋共振(ECR)等方法实现气体辉光放电，在沉积反应器中产生等离子体。由于等离子体中正离子、电子在电场的作用下能量提高，从而加速运动，这些带电粒子与中性反应气体分子不断碰撞，使反应气体电离或被激活成为活泼的活性基团，很容易成膜，可以大大降低沉积的温度。硅烷和氨气的反应在通常条件下，约在850℃左右反应并沉积氮化硅，但在等离子体增强反应的条件下，只需在350℃作用就可以生产氮化硅。制作SiNx的反应式为：
SiH4+xNH3→SiNx+(4+3x)/2H2↑
等离子体的优点是工艺温度低；对深宽比高的沟槽填充性好；制备的薄膜与晶圆片之间黏附性好；沉积速率高；膜的致密性高等。
根据本发明的又一方面，提供了一种太阳能电池用硅片，该硅片上设置有上述任一种氮化硅膜。
根据本发明的再一方面，提供了一种太阳能电池，包括硅片，其中硅片为上述的太阳能电池用硅片。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的有益效果：
实施例1-6
分别采用PECVD法在压强为1300mTorr，功率为5500w、温度为380℃的条件下沉积具有一层钝化层和两层减反射膜层的氮化硅膜，其中钝化层的沉积时间为130s，沉积气体流量比参见表1；第一减反射膜层的沉积时间为150s，沉积气体流量比参见表1；第二减反射膜层的沉积时间为400s，沉积气体流量比参见表1。
对比例1
采用与实施例1相同的方法制备具有一层钝化层和一层减反射膜层的氮化硅膜，其中沉积气体流量比参见表1。
表1
Figure BDA00002021710700041
将沉积有实施例1-6和对比例1中的氮化硅膜的硅片进行测试，用少子寿命测试仪测试沉积氮化硅膜前的硅片的寿命和PECVD沉积并烧结后的硅片的寿命；利用椭偏仪测试沉积有氮化硅膜的硅片的反射率。含有实施例1-6中的氮化硅膜的硅片的测试结果见图2中的1-6，含有对比例1中的氮化硅膜的硅片的测试结果见图2中的对比例1。硅片的寿命代表了氮化硅膜的钝化效果，寿命越长，氮化硅膜的钝化效果越好。从图2可以明显看出，当硅片上沉积有本发明的氮化硅膜，即具有两层减反射膜的氮化硅膜时，其烧结后硅片的寿命相对于现有的只有一层减反射膜的寿命要长，钝化效果要好；反射率要比现有的只有一层减反射膜的低，尤其是实施例3具有最佳的效果，可以看出，采用现有工艺的反射率约为6.7％，而采用发明的氮化硅膜的反射率只有4.15％。经测试采用实施例3的条件得到的第一减反射膜层的折射率为2.10，第二减反射膜层的折射率为2.05。
图3为实施例3和对比例1的氮化硅膜的反射谱线，从曲线对比可以看出，通过改变两层减反射膜层的厚度和折射率，相对于现有的只有一层钝化层和一层减反射膜层的氮化硅膜，大大降低了短波长的反射率。
下面结进一步说明减反射膜层的厚度对钝化和减反射效果的影响。
通过调整SiH4与NH3的流量以及沉积时间，得到不同厚度的氮化硅膜层，具体见表2
表2
经测试，采用实施例7-11及对比例2中的氮化硅膜的硅片的性能见图4。从图4可以看出，当第二减反射膜层和第一减反射膜层的厚度接近时(如实施例9)或者当第二减反射膜层的厚度为第一减反射膜层的厚度的2倍时(如实施例10)，此时的氮化硅膜具有较好的钝化和减反射效果。
采用实施例1、实施例3以及对比例1-2中的氮化硅膜制备的太阳能电池的转换效率以及其他性能参数数据见表3。
表3
  电学参数   实施例1   对比例1   实施例3   对比例2
  开路电压(Uoc)   0.624   0.623   0.625   0.622
  短路电流(Isc)   8.473   8.471   8.498   8.474
  串联电阻(Rs)   0.0037   0.0039   0.0038   0.0037
  并联电阻(Rsh)   215.30   192.67   208.65   166.40
  填充因子(FF)   77.89   77.69   77.91   77.98
 电池转换效率％(Ncell)   16.95   16.87   17.02   16.92
  漏电(Irevl)   0.049   0.056   0.050   0.099
从表3可以看出，采用本发明制备的氮化硅膜漏电少且具有较高的电池转换效率。
从以上实施例通过在硅片上设置具有一层钝化层和两层减反射层的氮化硅膜，相对于目前只有一层减反射层的氮化硅膜，提高了氮化硅膜的钝化和减反射效果，进而提高了硅太阳能电池的转换效率。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮化硅膜，包括依次设置在硅片(10)上的钝化层(21)和减反射膜层(22)，所述氮化硅膜(20)的厚度为80～90nm，折射率为2.08～2.12，其特征在于，所述减反射膜层(22)包括第一减反射膜层(221)和设置在所述第一减反射膜层(221)上的第二减反射膜层(222)。
2.根据权利要求1所述的氮化硅膜，其特征在于，所述氮化硅膜(20)的折射率沿着远离所述硅片(10)的方向依次递减。
3.根据权利要求2所述的氮化硅膜，其特征在于，
所述第一减反射膜层(221)的厚度为20～30nm；
所述第二减反射膜层(222)的厚度为40～60nm；
所述第二减反射膜层(222)的折射率比所述第一减反射膜层(221)的折射率小0.5。
4.根据权利要求3所述的氮化硅膜，其特征在于，所述第一减反射膜层(221)的厚度为30nm，所述第二减反射膜层(222)的厚度为40nm。
5.根据权利要求4所述的氮化硅膜，其特征在于，所述第一减反射膜层(221)的折射率为2.10～2.15；所述第二减反射膜层(222)的折射率为2.05～2.10。
6.一种权利要求1至5中任一项所述氮化硅膜的制备方法，其特征在于，利用PECVD法在硅片(10)上依次沉积一层钝化层(21)和两层减反射膜层(22)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述利用PECVD法在硅片(10)上沉积氮化硅膜(20)的步骤包括：
沉积钝化层(21)，控制SiH4和NH3的流量比为1∶2.5～3.5，沉积时间为130～200s；
沉积第一减反射膜层(221)，控制SiH4和NH3的流量比为1∶5～8，沉积时间为150～200s；以及
沉积第二减反射膜层(222)，控制SiH4和NH3的流量比为1∶11～14，沉积时间为400～500s。
8.一种太阳能电池用硅片，其特征在于，所述硅片上设置有权利要求1至5中任一项所述的氮化硅膜。
9.一种太阳能电池，包括硅片，其特征在于，所述硅片为权利要求8中所述的太阳能电池用硅片。
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