管式PECVD工藝對“SE+PERC”晶體硅太陽電池鍍膜均勻性的影響及改善研究

摘要：針對在“SE+PERC”晶體硅太陽電池制備過程中，采用管式等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝沉積正面鈍化介質膜后，硅片正面會出現角部發紅色差，即鍍膜均勻性異常的問題，通過實驗，對硅片厚度、工器具狀態、背面膜層結構、正面鈍化介質膜沉積工藝等影響因素對硅片正面角部發紅色差的影響分別進行分析和討論，并提出解決方案。研究結果表明：硅片正面角部發紅色差的產生與硅片自身厚度、工器具狀態、背面膜層結構、正面鈍化介質膜沉積工藝均存在一定關系。通過采用最具優勢的管式PECVD工藝條件，即優化自動化裝片技術、控制石墨舟形變量、采用合適的背面膜層結構，以及正面鈍化介質膜沉積工藝采用高射頻功率疊加高腔體壓力，可將正面角部發紅色差硅片的占比降低至0%，從而可有效提升“SE+PERC”晶體硅太陽電池的成品率，提升生產線的經濟效益。

關鍵詞：管式等離子體增強化學氣相沉積；“SE+PERC”太陽電池；硅片；沉積工藝；薄膜應力；石墨舟；射頻功率；色差

中圖分類號：TM914.4+1文獻標志碼：A

0引言

實現碳達峰、碳中和，是貫徹習近平總書記關于新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求，是黨中央統籌國內、國際兩個大局作出的重大戰略決策。光伏產業對實現“雙碳”目標起到了決定性作用。目前，結合選擇性發射極（SE）技術的PERC晶體硅光伏組件仍然占據光伏市場的主導份額，競爭也較為激烈，因此，如何降低成本成為各“SE+PERC”晶體硅太陽電池（下文簡稱為“‘SE+PERC’太陽電池”）生產公司一線管理的重要目標。

在“SE+PERC”太陽電池工業化生產中，制備正面鈍化介質膜（即減反射膜）通常采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術，該技術是借助微波或射頻技術等使含有成膜元素原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體的化學活性很強，容易發生反應，從而可在基底上沉積出所期望的薄膜。管式PECVD工藝沉積鈍化介質膜時采用石墨舟作為硅片載體，在石墨舟上施加電壓，在射頻電源下對反應氣體進行電離分解，其采用的方法屬于直接鍍膜法，生成的鈍化介質膜中Si-H鍵較多，具有體鈍化好的優點。

工業化管式PECVD生產線沉積正面鈍化介質膜的過程中，因原料、工器具及其狀態、工藝等問題會使正面鈍化介質膜沉積不均勻，導致硅片出現色差，在后續的視覺檢測設備檢測工序中，會被歸為異常太陽電池被剔除和截留。因此，正面鈍化介質膜的外觀色差對生產線的產能、返工率、碎片率等都有一定影響。降低此類異常太陽電池的產生比例，可有效提升生產線的產能，降低返工率、碎片率，從而提升整體生產線的效益。

基于此，本文以采用管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜后，硅片出現角部發紅形成色差（即“角部發紅色差”）的情況為研究對象，針對管式PECVD工藝對“SE+PERC”太陽電池鍍膜均勻性的影響進行研究。通過實驗，對硅片厚度、工器具狀態、背面膜層結構、正面鈍化介質膜沉積工藝等影響因素分別進行分析和驗證，并提出解決方案。

1實驗背景

1.1硅片正面角部發紅色差的異常表現

“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程主要為：雙面制絨—制備p-n結—SE激光摻雜—制備氧化掩膜—去磷硅玻璃（PSG）—背面拋光—退火—背面沉積鈍化介質膜—正面沉積鈍化介質膜—背面激光開槽—絲網印刷—燒結金屬接觸—檢測。“SE+PERC”太陽電池的基本結構示意圖如圖1所示。

管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜的過程其實是在低壓狀態下發生的復雜化學反應，通常腔體壓力為200 Pa左右，所用的活性氣體為笑氣（NO？）、硅烷（SiH？）、氨氣（NH？）。實現低壓狀態的抽氣管道安裝在管式PECVD設備的爐管尾部，活性氣體的進氣管道安裝在爐管頭部。在工藝反應過程中，利用真空泵的抽速和活性氣體的進氣量，使爐管內部壓力達到動態平衡。

硅片正面角部發紅實質上是因為正面鈍化介質膜沉積不均勻造成的，由于一些因素導致角部位置鈍化介質膜的沉積量較少，因此該位置的鈍化介質膜厚度偏低。在正面鈍化介質膜沉積后，采用離線激光橢偏儀進行inline測試，得到硅片正面角部發紅色差情況如表1所示，表中：紅色框住的區域為發紅位置；1～4為對比位置（即對比位置1～對比位置4）。硅片正面角部發紅色差的外觀如圖2所示。

采用德國WaveLabs公司生產的高精度I-V測量系統對存在正面角部發紅色差的成品“SE+PERC”太陽電池（下文簡稱為“角部發紅色差‘SE+PERC'太陽電池”）進行I-V測試分析，并以無角部發紅色差的“SE+PERC”太陽電池（下文簡稱為“正常‘SE+PERC’太陽電池”）作為對比組，結果如表2所示。

從表2可以看出：角部發紅色差“SE+PERC”太陽電池的光電轉換效率比正常“SE+PERC”太陽電池的低0.14%，且其反向漏電流值偏大。分析原因在于角部發紅位置的鈍化介質膜厚度偏低，在漿料燒結過程中，由于鈍化介質膜的致密性不足，導致漿料過燒，出現部分p-n結燒穿的情況，從而導致“SE+PERC”太陽電池的光電轉換效率偏低。

對上述正常和角部發紅色差“SE+PERC”太陽電池進行模擬電壓測試（Suns-V。）分析，結果如表3所示。

從表3可以看出：角部發紅色差“SE+PERC”太陽電池的模擬開路電壓略偏低，結區復合電流偏高，佐證了表2的分析結果。

1.2異常原因分析

管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜時是以石墨舟作為硅片載體，在爐管內完成。石墨舟以石墨為材質，相鄰石墨舟之間采用斷路設計，在交流射頻電源的作用下，使相鄰的石墨舟之間產生電壓差。在工藝過程中，反應氣體從進氣口進入爐腔，逐漸擴散至硅片表面，在射頻電源激發的電場作用下，反應氣體分解成電子、離子和活性基團等。這些分解物發生化學反應，生成可以形成薄膜的初始成分和副產物，這些生成物以化學鍵的形式吸附到硅片表面，生成固態膜的晶核，晶核逐漸生長成島狀物，然后島狀物繼續生長成連續的薄膜1。在薄膜生長過程中，各種副產物從薄膜的表面逐漸脫離，在真空泵的作用下從管式PECVD設備的排氣口排出。管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜的示意圖如圖3所示。

硅片正面角部發紅色差主要是因為沉積的正面鈍化介質膜厚度異常所導致，而影響其厚度的因素包括沉積溫度、沉積時間、工藝氣體流量、工藝射頻功率等。本文所研究的硅片正面角部發紅色差異常實質上是管式PECVD工藝沉積的正面鈍化介質膜均勻性異常導致的，因此沉積過程中硅片自身的翹曲度、工藝射頻功率、工藝腔體壓力、硅片與石墨舟的貼合程度等都是重要影響因素。因此綜合來看，影響正面鈍化介質膜在硅片表面沉積的厚度，并導致出現角部發紅色差的直接原因主要為：1）硅片襯底間工藝氣體流量的大小；2）射頻電源對工藝氣體的激發程度。

2實驗

2.1實驗材料及設備

本文實驗所用硅片為太陽能級摻鎵襯底p型金剛線切割單晶硅片，尺寸（長×寬）均為182mm×182 mm，厚度分別為140、150、160 μm3種規格，電阻率范圍均為0.4～1.1 Qcm。

實驗采用深圳市捷佳偉創新能源裝備股份有限公司生產的管式PECVD設備進行鍍膜工藝；采用深圳市石金科技股份有限公司生產的石墨舟作為載體；采用上海偉信新能源科技有限公司代理的型號為PVE300-IVT210的量子效率測試儀進行量子效應分析；采用系科光電科技（上海）有限公司生產的光譜橢偏儀進行鈍化介質膜厚度測試。

2.2實驗設計

通過實驗分析研究硅片正面角部發紅色差異常與硅片厚度、工器具狀態、背面膜層結構、正面鈍化介質膜沉積工藝等影響因素之間的關系。選取13組硅片，每組硅片為558片。實驗所用硅片均根據前文所述“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程制備到正面沉積鈍化介質膜這一工序，并針對不同工序變更實驗條件，每組硅片均采用不同的實驗條件。所有實驗條件明細如表4所示。

3實驗結果及分析

3.1硅片厚度對硅片正面角部發紅色差的影響

對硅片正面角部發紅色差與硅片厚度之間的關系進行分析。本實驗采用厚度分別為140、150、160 μm的硅片組（即對應實驗條件1、實驗條件2和實驗條件3），在同一路徑從雙面制絨工序下傳至正面沉積鈍化介質膜工序，以排除濕法減重對不同條件硅片厚度的影響，同時也排除其他環節的干擾；使用同一爐管及射頻電源，選擇同一載片石墨舟；正常下傳后，測試背面沉積鈍化介質膜工序后的硅片翹曲度；最后統計各實驗條件下正面沉積鈍化介質膜工序后硅片角部發紅色差的占比情況。

翹曲度測試方法為：將硅片放置在平臺上，若硅片存在翹曲情況，則硅片與平臺之間會產生縫隙，使用塞尺對此縫隙凈高度進行測試，得到的數值為翹曲度。硅片翹曲度測試方法示意圖如圖4所示。

不同硅片厚度對比實驗的實驗條件及結果如表5所示。

從表5可以看出：在管式PECVD工藝沉積硅片厚度越厚，硅片在背面沉積鈍化介質膜工序鈍化介質膜的過程中，在其他條件一樣的情況下，后的翹曲度越小，正面角部發紅色差硅片的占比越低。厚度為160 μm的實驗組中正面角部發紅色差硅片的占比比厚度為140 μm的實驗組中正面角部發紅色差硅片的占比降低了50%。分析原因，由于硅片與石墨舟接觸才可以導電，而硅片翹曲后會導致其與石墨舟接觸異常，因此翹曲度會導致硅片在石墨舟內部與石墨舟接觸不良；同時，相鄰硅片之間的距離較近，影響了沉積工藝過程中射頻電源下的電壓強度及工藝氣體總流量[21，從而影響了沉積速率，最終導致硅片正面出現角部發紅色差。

綜合考慮，后續對比實驗均以實驗條件2作為基準。

3.2工器具狀態對硅片正面角部發紅色差的影響

對硅片正面角部發紅色差與管式PECVD工藝沉積時所用工器具狀態之間的關系進行分析，工器具狀態包括石墨舟狀態和卡點點位情況。本實驗在同一路徑從雙面制絨工序下傳至正面沉積鈍化介質膜工序，以排除濕法減重對不同條件硅片厚度的影響，同時也排除其他環節的干擾；選擇同一爐管、在同一沉積工藝條件下進行；然后根據實驗條件的設定，通過改變石墨舟的狀態及硅片在卡點內的狀態進行對比分析，石墨舟形變量分別為0、3、6、9 mm（即對應實驗條件2、實驗條件4、實驗條件5、實驗條件6），硅片在卡點內的狀態分別為正常和異常（即對應實驗條件2、實驗條件7）;最后統計各實驗條件下的正面角部發紅色差硅片的占比情況。

石墨舟形變量采用“直尺+魚線”的方式進行測量，將魚線與石墨舟之間的距離記為石墨舟形變量，測量結果示意圖如圖5所示。

硅片在卡點內的狀態是否正常以硅片接觸的卡點數量來表征。本文實驗所用石墨舟每個位置的卡點共3個，接觸3個卡點為正常，其他情況為異常。硅片在卡點內的狀態示意圖如圖6所示。

不同工器具狀態對比實驗的實驗條件及結果如表6所示。

從表6可以看出：

1）對4個不同石墨舟狀態的實驗條件及結果進行對比分析后可以看出：采用管式PECVD工藝沉積鈍化介質膜時，在其他條件一致的情況下，石墨舟形變量越大，正面角部發紅色差硅片的占比越高，即角部發紅色差硅片的占比與石墨舟形變量成正比關系。而石墨舟形變量與其自身材質、使用過程中的損壞程度有關。

2）對硅片在卡點內狀態正常和異常時的實驗條件及結果進行對比分析后可以看出：采用管式PECVD工藝沉積鈍化介質膜時，在其他條件一致的情況下，硅片未完全裝進卡點（即

硅片在卡點內的狀態為異常）時正面角部發紅色差硅片的占比嚴重偏高，說明卡點裝片不正對硅片角部發紅色差存在影響。這主要是因為在卡點未完全卡緊硅片的情況下，因硅片偏薄，容易出現硅片偏離石墨舟的情況，導致相鄰硅片之間的距離縮小，所以工藝氣體總流量降低，影響反應物生產速度，最終導致硅片出現角部發紅色差[3]

3.3背面膜層結構對硅片正面角部發紅色差的影響

對硅片正面角部發紅色差與背面膜層結構之間的關系進行分析，背面膜層采用2合1管式PECVD工藝沉積。本實驗在同一路徑從雙面制絨工序下傳至正面沉積鈍化介質膜工序，以排除濕法減重對不同條件硅片厚度的影響，同時也排除其他環節的干擾；選擇同一爐管、同一石墨舟進行，根據實驗條件設定，通過將背面膜層結構分別調整為“SiNx+SiO，”、SiNx（即對應實驗條件2、實驗條件8）進行對比分析；然后兩個實驗條件均在同一正面爐管、石墨舟下進行正面沉積鈍化介質膜工序；最后統計各實驗條件下的正面角部發紅色差硅片的占比情況。兩種背面膜層結構中，SiN、薄膜自身為3層膜結構，折射率由內到外逐層遞減；“SiN+SiO，”結構中，SiO，薄膜在最外層，且折射率比SiN、薄膜中各層的折射率均低。不同背面膜層結構對比實驗的實驗條件及結果如表7所示。

從表7可以看出：在硅片厚度、工器具狀態及正面鈍化介質膜沉積工藝一樣的條件下，背面膜層結構僅為SiN、薄膜（即去除SiO，薄膜）時，正面角部發紅色差硅片的占比增加了約兩倍，說明背面膜層結構對硅片正面角部發紅色差有一定影響。

分析背面膜層結構會對硅片正面角部發紅色差存在影響，主要原因在于薄膜應力的影響。“SiNx+SiO，”、SiNx薄膜是表面鈍化介質膜，都屬于固態薄膜。一般來說，固態薄膜都處于某種應力狀態中，其所受應力分為外應力和內應力。其中，內應力是指在薄膜生長和制造過程中，在薄膜內部產生的應力。本實驗考慮管式PECVD工藝制備薄膜時薄膜的內應力對硅片翹曲度的影響[4]。在其他基本工藝條件不變的情況下，隨著含N氣體流量與含Si氣體流量比（即氣體流量N/Si比）的變化，薄膜內應力有一個起伏變化的過程。通常隨著氣體流量N/Si比的減少，生成的薄膜逐漸成為富硅膜，折射率逐漸變大，腐蝕速率降低，使薄膜內應力向張應力變化5。當含Si氣體流量較大時，薄膜呈現出張應力；當含Si氣體流量較小時，薄膜呈現出壓應力。因此，可通過調整工藝氣體流量得到適合的鈍化介質膜。本實驗中，氣體流量N/Si比大于8.3時，薄膜表現為壓應力；氣體流量N/Si比小于6.2時，薄膜表現為張應力。

3.4正面鈍化介質膜沉積工藝對硅片正面角部發紅色差的影響

對硅片正面角部發紅色差與采用管式PECVD工藝時正面鈍化介質膜沉積工藝之間的關系進行分析，主要研究沉積工藝中射頻功率、腔體壓力對硅片角部發紅色差的影響。本實驗在同一路徑從雙面制絨工序下傳至正面沉積鈍化介質膜工序，以排除濕法減重對不同條件硅片厚度的影響，同時也排除其他環節的干擾；根據實驗條件設定控制變量，通過分別調整射頻功率及腔體壓力條件進行對比分析，在其他條件一致的情況下，將射頻功率分別調整為25、27、29 kW（即對應實驗條件9、實驗條件2、實驗條件10）;在其他條件一致的情況下，將腔體壓力分別調整為186、212、239 Pa（即對應實驗條件11、實驗條件2、實驗條件12）;最后統計各實驗條件下正面沉積介質膜工序后正面角部發紅色差硅片的占比情況，結果如表8所示。

從表8可以看出：在其他條件一致的情況下，隨著射頻功率的降低，正面角部發紅色差硅片的占比明顯升高；在低射頻功率為25 kW的實驗條件下，正面角部發紅色差硅片的占比高達32.26%。隨著沉積工藝腔體壓力的逐漸升高，正面角部發紅色差硅片的占比逐漸降低。綜上所述，在管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜的過程中，不同的射頻功率及腔體壓力對硅片正面角部發紅色差均有明顯影響[6。

分析原因，是因為在管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜的過程中，沉積工藝的射頻功率為反應氣體提供能量，通過輝光放電激活反應氣體生成薄膜前驅物，然后薄膜前驅物被氣相或電場輸運到硅片表面，通過在硅片表面發生反應沉積成薄膜。因此在高射頻功率下，單位時間內可以生成更多的薄膜前驅物，再加上石墨舟之間的電場強度較大，離子的速度相對較大，被加速轟擊到硅片表面，提高了薄膜的沉積速率。另外，增加沉積工藝的腔體壓力會導致腔體內的反應物增多，從而使薄膜前驅物增多，也會導致薄膜沉積速率增加。當腔體壓力較低時，在同樣的進氣速率下，氣體分子在腔體內的駐留時間短，流速較快，在腔體內呈現紊流狀態，從而導致氣體分子的分布與腔體壓力較高時相比不均勻，因此薄膜的均勻性也相對較差7。

綜上所述，采用高射頻功率和高腔體壓力，可有效降低正面角部發紅色差硅片的占比。

4硅片正面角部發紅色差問題的解決方案

根據前文實驗結論，針對管式PECVD工藝對硅片正面角部發紅色差存在的影響提出解決方案。該解決方案為采用最具優勢的管式PECVD工藝條件，即優化自動化裝片技術、控制石墨舟形變量、采用合適的背面膜層結構，以及正面鈍化介質膜沉積工藝采用高射頻功率疊加高腔體壓力（即對應實驗條件13），統計正面沉積介質膜工序后正面角部發紅色差硅片的占比情況，結果如表9所示。

從表9可以看出：在最具優勢的管式PECVD工藝條件下，正面角部發紅色差硅片的占比可降低至0%。采用該解決方案，可有效提高“SE+PERC”晶體硅太陽電池的成品率，提升生產線的經濟效益。

5結論

本文針對管式PECVD工藝對“SE+PERC”晶體硅太陽電池鍍膜均勻性的影響進行了研究，以管式PECVD工藝沉積正面鈍化介質膜后硅片正面出現角部發紅色差為研究對象，通過實驗，對硅片厚度、工器具狀態、背面膜層結構、正面鈍化介質膜沉積工藝等影響因素分別進行了分析和驗證，并提出解決方案。研究得到以下結論：

1）硅片正面角部發紅色差的產生與硅片自身厚度、工器具狀態、背面膜層結構、正面鈍化介質膜沉積工藝均存在一定關系。

2）在其他工藝條件一致的情況下，硅片厚度越薄，其翹曲度越大，出現角部發紅色差硅片的占比越高。石墨舟形變量及硅片在卡點內的狀態異常均會導致硅片正面產生角部發紅色差，且石墨舟形變量越大，正面角部發紅色差硅片的占比越高。不同背面膜層結構對硅片產生的薄膜應力不同，背面膜層結構為“SiNx+SiO，”時對硅片正面角部發紅色差產生的影響小于背面膜層結構為SiN時。正面鈍化介質膜沉積工藝中射頻功率、腔體壓力均會導致硅片正面產生角部發紅色差，高射頻功率和高腔體壓力可有效降低正面角部發紅色差硅片的占比。

3）通過采用最具優勢的管式PECVD工藝條件，即優化自動化裝片技術、控制石墨舟形變量、采用合適的背面膜層結構，以及正面鈍化介質膜沉積工藝采用高射頻功率疊加高腔體壓力，可將正面角部發紅色差硅片的占比降低至0%，從而可有效提高“SE+PERC”晶體硅太陽電池的成品率，提升生產線的經濟效益。

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RESEARCH ON EFFECT AND IMPROVEMENT OF TUBE PECVDTECHNOLOGY ON COATING UNIFORMITY OF \"SE+PERC\"c-Si SOLAR CELLS

Zhang Fuqing，ZhangRuofan，WangGuimei，HuMingqiang，ZhangPengcheng

（JingAo solar Co.，Ltd.，XingTai055550，China）

Abstract：In the process of preparing \"SE+PERC\"c-Si solar cells，after the positive passivation dielectricfilm is deposited by the tube type plasma enhanced chemical vapor deposition （PECVD）technology，theredcolor difference at the corners will appear on the front of silicon wafer，thatis，coating uniformity abnormal.This paper takes this as the research object，and through experiments，analyzes and discusses the influence ofsilicon wafer thickness，the status of tools and instruments，back film structure，deposition process of positivepassivation dielectric film，and other factors on the red color difference at the corners of front side of siliconwafers，respectively，and proposes solutions.The research results show that the red color difference at thecorners of front side of the silicon wafer is related to the thickness itself，the status of tools and instruments，the back film structure，and deposition process of positive passivation dielectric film.By adopting the mostadvantageous process conditions，thatis，optimizing the automatic chip loading technology，controllingthegraphite boat shaped variable，adopting the appropriate back film structure，and using the high RF power andhigh cavity pressure in the deposition process of positive passivation dielectric film，the proportion of siliconwafers with red color difference at the front side corners can be reduced to 0%，which can effectively improve theyieldof\"SE+PERC\"c-Sisolar cells and improve the economic benefits of production lines.

Keywords：tube PECVD;\"SE+PERC\"solarcells;siliconwafers;depositionprocess;thin film stress;graphiteboat;RFpower;chromatic aberration