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作者簡介：李軍陽，男，高級工程師，長期從事半導體工藝設備開發與研究工作，近年來致力于太陽電池用PECVD設備在國內的研發及工藝研究并取得重大突破，現任職深圳市大族光伏科技股份有限公司研發總監。
摘要：本文針對目前國內在太陽能電池行業使用管式PECVD沉積氮化硅減反射膜時為了實現均勻性而隨意調整工藝氣體流量而做出實驗性分析，避免在工藝過程中發現電池轉換效率下降了而難以找到原因。通過改變工藝氣體的流量，對各項技術指標進行測量分析，結合國內外的一些文獻，得出了工藝氣體流量對氮化硅膜的直接影響，同時也直接導致了電池轉換效率的變化。通過這些研究為制備高性能電池減反射膜提供實驗基礎，為我國的太陽能電池轉換效率進一步提高提供一條途徑。
關鍵詞：等離子體增強化學氣相淀積；PECVD，太陽電池；氮化硅
0引言
氮化硅膜作為晶體硅太陽能電池減反射鈍化膜是目前太陽能電池制備的主流，然而由于用PECVD來制備的氮化硅膜，是以SixNyHz方式來表達的，其中的x,y,z的數值直接影響了膜的光學性能和對晶體硅太陽電池表面和體內的鈍化作用，因為其數值對于膜的折射率、消光系數、致密性都有直接的影響，本文的目的就是研究工藝氣體流量對膜性能的影響。以實驗的數據來闡述。
1機理分析
1.1氣體的輸運
在CVD系統中，氣體的流動處于黏滯流的狀態。氣體的輸運過程對薄膜的沉積速度、薄膜厚度的均勻性、反應物的利用效率等都有重要的影響。
氣體在CVD系統中發生兩種宏觀流動，一是外部壓力造成的壓力梯度使氣體從壓力高的地方向壓力低的地方流動，即氣體的強制對流。二是氣體溫度的不均勻性引起的高溫氣體上升、低溫氣體下降的流動，即氣體的自然對流。
對一般尺寸的CVD反應容器（直徑430mm內）來說，在流速不高（約10cm/s）時，氣體將處于黏滯流的層流狀態。
1.2PECVD過程中的微觀過程
1氣體分子與等離子體中的電子發生碰撞，產生出活性基團和離子。其中，形成離子的幾率要低得多，因為分子離化過程所需的能量較高。
2活性基團可以直接擴散到襯底表面。
3活性基團也可以與其他氣體分子或活性基團發生相互作用，進而形成沉積所需的化學基團。
4沉積所需的化學基團擴散到襯底表面。
5氣體分子也可能沒有經過活化過程而直接擴散到襯底附近。
6氣體分子被直接排出系統之外。
7到達襯底表面的各種化學基團發生各種沉積反應并釋放出反應產物。
假設一個極端的情況：假設在襯底表面處，反應進行得很徹底，沒有殘余的反應物存在；假設在裝置的上界面Y=B處，物質的擴散項等于零；假設輸入氣體的初始濃度為c0。可以得到如式（1）：
這一結果表明，沉積速率將沿著氣體的流動方向呈指數形式的下降，如圖1所示,其中V1~V4為氣體流速,且V4>V3>V2>V1，L為流動方向的長度。可以理解，原因的產生是反應物隨著距離的增加而逐漸貧化，因此當流速太低時，尾部的氣體濃度迅速減少而導致尾部的生長速度變慢；當提高流速時，尾部的氣體濃度沒有明顯降低而顯著提高生長的一致性。
根據這現象，提高薄膜沉積均勻性的措施有：提高氣體流速和裝置的尺寸B；調整裝置內溫度分布，影響擴散系數的分布。
2實驗方法
2實驗方法
本文針對的是管式PECVD設備的流量實驗，在石墨舟的前后依次沿軸線放置7片拋光片，通過測量膜厚來鑒定膜的生長速度，通過不同的流量來分析流量對成膜性能的影響，對膜性能測試是在固定其它參數的情況獲得的。對于電性能的測定則通過穩定的太陽能電池生產線來批量求得結果。反應室的結構、氣體流向示意如圖2所示。
3結論和探討
通過實驗可以看出，見表1，隨著工藝氣體總流量的增加，膜的厚度呈上升趨勢，也即成膜速度呈遞增趨勢，但超過一定流量后又呈下降趨勢。對這個變化的解釋是，當流量的增加，等離子濃度也呈上升趨勢，但是當超過一定值后，由于等離子能量在呈下降趨勢，導致繼續等離子化難度增加，這樣當流量繼續增加時，等離子的濃度反而會降低，成膜速度呈遞減趨勢[1]。
隨著工藝氣體總流量的增加，折射率緩慢增加。在用等離子體形成的氮化硅膜的折射率與致密性沒有必然的聯系，并不是折射率越高致密性就一定高。這點與用LPCVD所形成的氮化硅膜是有差異的。
隨著工藝氣體總流量的增加，吸光系數也緩慢增加，HF酸腐蝕的速度也緩慢提高，可見致密性在變差。主要原因是當流量增加時氮化硅膜的成分在發生很大的變化，離四氮化三硅越來越遠，其實我們所稱的等離子下形成的氮化硅膜是一個相當籠統的說法，其膜成分的配比無數，能適合做高效太陽能電池減反射鈍化膜的氮化硅膜的要求是相當高的[2]。絕對不是肉眼看到的，以為都一樣。
隨著工藝氣體總流量的增加，少數載流子的壽命也發生了變化，剛開始呈上升趨勢，然后呈下降趨勢。從少數載流子的壽命變化可以看出鈍化的效能變化，當總流量變化時，等離子的擴散長度也在改變，其實在初期等離子激發時，對硅表面非但沒有鈍化作用，而存在一個損傷的過程，但是當膜增長到一定厚度時，這種損傷將消失[3]，然后會被補償并增強鈍化作用，而并不是說沉積膜的全過程都是鈍化過程。
表1 反應氣體流量(f) 對膜厚(σ)、折射率(n)、吸光系
數(k)、少子壽命(τeff) 的影響
數(k)、少子壽命(τeff) 的影響
在效率方面，當工藝氣體總流量增加時，效率有一個最佳值，如圖3所示，其中η為轉換效率，f為流量。當然，這個效率的獲得與整線其它工序有一個匹配的問題，在這里是要說明一個問題，就是，當本工序變化時，其它工序跟著變化時，能達到的一個最佳值是不同的，也就是說，膜的特性將影響著最佳電池性能[4]。而這是結論，原因在于實驗一的對膜性能的改變。膜的性能直接影響制作正面電極的難易程度，同時直接影響轉換效率。
4結語
可以看出，管式PECVD設備的工藝氣體流量的改變，會直接改變膜厚、折射率、吸光系數、少子壽命、轉換效率，而其變化不是單調上升或單調下降的，通過該技術分析，可以避免在工藝中為了獲得膜均勻而忽略了流量是和電池轉換效率密切相關的事實，可以讓大家進一步明白電池轉換效率與膜性能的密切聯系。這個分析也可以適用于平板型PECVD技術。對進一步提高晶體硅電池的轉換效率，對我國晶體硅電池產業獲取更大的利潤或降低生產成本都有直接的幫助。當然，在此沒有進一步通過理論對實驗進行分析是不足之處。
參考文獻
[1]M. Proschek, Y. Yin, C. Charles, A. Aanesland, D. R. McKenzie, M. M. Bilek and R. W. Boswell, Plasma Source Science, 14, 2005, 407-411.
[2]L. Mittelstadt,S. Dauwe, A. Metz, and R. Hezel, "Highly Efficient All Silicon Nitride Passivated Multicrystalline Silicon Solar Cells, "17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich, Germany, (2001).
[3]F. Duerinckx, J. Szlufcik. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2002, 72:231.
[4]A. Rohatgi, Z. Chen, P. Sana, J. Crotty, and J. Salami, "High efficiency multicrystalline silicon solar cells" Sol. En. Mat. and Sol. Cells, 34, pp.227-236, (1994).
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