等離子體預處理對于太陽能電池性能的影響

李小玄 孫占峰 王偉 羅飛 孫濤 王寶磊

摘 要：在這個研究中，我們驗證等離子體預處理對太陽能電池性能的影響，也就是SiNx：H層的性能。我們發現預處理的時間對于沉積物SiNx：H層影響比較小，較短的PECVD預處理時間，其鈍化作用相對于長時間預處理更加有效。同時，預處理時間在300秒范圍內對于太陽能板的效率起著次要作用。

關鍵詞：太陽能板；鈍化；PECVD；SiNx：H

1 介紹

表面鈍化對于提高太陽能電池的轉換效率至關重要。很多絕緣層（電介質）被運用到表面鈍化的研究中，例如Al2O3[1-2]， a-Si[3]， SiC-H[4-5]， SiO2[6]等等。SiNx：H 表層具有減反射和鈍化的作用[1]，在優化硅片表面已經成為了現代光伏技術中非常重要的部分。

SiNx：H薄膜不僅可以降低反射率減少光學損失，同時，因其含有大量的等離子體氫，降低了晶體硅表面雜質和缺陷的電活性，起到了優越的表面鈍化和體鈍化的作用[2]。SiNx：H目前可以通過等離子體增強化學氣相沉積制做出來。因此大多數光伏生產商利用微波遠程或者高頻直接式反應器[3]。

等離子預處理是大多數提高鈍化效果最普遍的一種處理方法。在太陽能電池等離子體預處理中，預處理氣體一般采用NH3，Ar，和H2。NH3等離子預處理可以影響界面態密度[4]，其反應機理尚未明確。在這個課題中，我們將驗證和討論，在沉積物之前采用NH3的等離子預處理對硅片表面的影響和它對氮化硅膜層以及電性能的影響。

2 實驗

用型號156mm×156mm，厚度200um和電阻率為1-3Ω·cm摻硼的P型多晶硅片。實驗硅片除了PECVD預處理的時間不同，其余都經過一樣的處理過程。首先，硅片被HF和HNO3的混合溶液腐蝕形成絨面。第二步，制絨后的硅片在850度，在液態源POCl3下進行擴散。接著，經過HF溶液蝕刻、清洗。清洗后，SiNx：H膜層就會通過等等離子體化學氣相沉積（PECVD - RF 40 KHz）沉積在晶片的前表面上，SiH4 和 NH3在450度下作為氣體源。在沉積SiNx：H層之前，其上表面被NH3作預處理，沉積SiNx：H 使用不同預處理時間。在膜層沉積之后，采用WT2000-PVN 測量少數載流子的壽命（圖）。同時，使用準靜態光電導系統測量有效少數載流子壽命、開路電壓和飽和電流密度。通過測量結果研究SiNx：H膜層對硅片的鈍化特性。用光譜儀測量表面反射率，用橢偏儀測量SiNx：H膜層的厚度和折射率。前表面和背表面的金屬接觸通過網版印刷銀和鋁漿通過燒結爐進行燒結。最后做成電池片。在光照AM1.5的條件測出電流電壓特性。

3 實驗結果和討論

首先，研究PECVD預處理對多晶硅電池轉換效率的影響。

圖1

圖1是在預處理時間300s以內（取點20-280間隔20），隨著預處理時間的縮短電池轉換效率（△EFF）的變化趨勢。圖1 指出，最好的轉換效率在小于20秒的范圍內得到，但是轉換效率變化較?。ā?.06%）， 轉換效率差小于0.1%。所有的△EFF值從 20秒到280秒預處理時間對比300秒的基礎判定值來說，小于基礎判定值的能量轉換效率。這證明預處理時間（300秒范圍內）對電池的轉換效率影響不大。同時，較短的預處理時間可以縮短鍍膜過程。對比用300秒預處理時間，減少預處理時間最高可以節省總過程12%的時間。

通過計算得出不同SiNx：H涂層的厚度和折射率變化的百分比，以預處理時間300秒作為基礎值。SiNx：H膜層的厚度和折射率通過激光橢偏儀測得。根據圖2可知，在預處理時間較短的時候，與300秒的預處理基礎值相比較氮化硅膜的厚度和折射率改變不明顯，波動在3% 和1%。它指出預處理時間對SiNx：H膜層的特性起較小影響。

進一步研究預處理時間對多晶硅片的影響，通過對鍍膜后硅片少子壽命的測試，圖3 顯示，增加預處理時間少數載流子壽命的變化趨勢。隨著預處理時間的縮短，少子壽命測試呈增大趨勢，特別是預處理時間20s的時候，少子壽命值最大，與圖1結論一致，即在預處理時間20s時，電池轉換效率最高。

圖3

我們通過WCT120測量不同時間的預處理時間制成的電池片的有效載流子的壽命、開路電壓和飽和電流密度，數據如表1所示。從表1可以看出，預處理時間短的電池片壽命比預處理時間長的壽命長，預處理時間短的飽和電流密度較小。因此，可以推斷出經過較短時間預處理比長時間預處理對硅片的表面鈍化效果更好。這種結果可能是因為硅片在預處理過程中會經受離子碰撞，而較短時間的預處理破壞性較小導致的[5]，另外經過較短時間預處理電池的開路電壓較大。因此較短的預處理時間可以縮短鍍膜時間以及形成較好的表面鈍化特性。

表1 在不同時間長度的PECVD預處理下電池各性能數據

4 結束語

本文研究了PECVD預處理時間對硅太陽能電池的SiNx：H 膜層的結構特性影響，經過不同時間的預處理，我們通過測量有效少數載流子的壽命、開路電壓和飽和電流密度可以反應出SiNx：H膜層的鈍化效果。從實驗結果可以看出，預處理時間對SiNx：H膜層結構性質影響不大，但是硅片表面的鈍化作用在較短的PECVD預處理時間下更加顯著，而它在300秒范圍內的預處理時間里對電池的轉換效率起著影響不大。

參考文獻

[1]Alexander Hauser， Markus Spiegel， Peter Fath， Ernst Bucher， Influence of an ammonia activation prior to the PECVD SiN deposition on the solar cell performance Solar Energy Materials & Solar Cells 75 （2003） 357-362.

[2]王曉泉.PECVD淀積氮化硅薄膜性質研究[J].太陽能學報，2004，25（3）：341-344

[3]李瓊，陳永興.PECVD氮化硅薄膜的制備和研究[J].湖南大學學報，1996，23（1）：42

[4]Aberle AG. Surface passivation of crystalline silicon solar cells： a review. Progress in Photovoltaics： Research and Applications 8 （2000） 473-487.

[5]Chen Z， Rohatgi A， Ruby D. Silicon surface and bulkdefect passivation by low temperature PECVD oxidesand nitrides. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion， Hawaii，1994，1331-1334.