非金属材料专业毕业设计（论文）外文翻译1.doc

河南科技大学毕业设计(论文)外 文 资 料 译 文PECVD法在低阻P型硅上沉积化学计量氮化硅的高质量表面钝化作用Jan Schmidt,Mark Kerr摘要通过直接式高频PECVD在低阻(1cm)P型硅太阳能电池片基体沉积具有表面钝化性能的氮化硅薄膜一直被研究。反应气体为氨气与硅烷和氮气的混合气体。为了找到氮化硅的最佳沉积参数，测试了不同沉积条件下的勺子寿命和结构。优化的沉积参数导致出色的低表面复合速率小于12cm/s，我们发现最低的表面复合速率是化学计量的氮化硅薄膜，此时折射率为1.9。在以前研究中同样低的表面复合速率只有用富硅氮化硅薄膜能够获得。我们得到的氮化硅薄膜钝化行为根本不同点归因于反应气体中加入的氮。关键词：氮化硅；表面钝化；PECVD；硅；太阳能电池1、绪论近年，通过PECVD低温(400）沉积氮化硅薄膜实现晶体硅太阳能电池的表面钝化在光伏行业吸引了越来越多的注意。这些薄膜以被证明能够同时具有突出的表面钝化质量和优异的减反射性能【1.2】。已经证明在典型的P型硅太阳能电池基板上，等离子体沉积时对硅表面的离子轰击被避免。富硅的氮化硅薄膜的表面钝化效果优于高温氧化的二氧化硅【3-6】。氮化硅薄膜非常适合做双面太阳能电池的背表面顿化，并且已被实现转换效率达到20%【7】。然而，这些极其富硅的氮化硅薄膜事实上也具有若干问题：1、通过激光刻蚀和化学刻蚀刻蚀速率非常低，阻碍了氮化硅的进一步发展；2、它在太阳的紫外线光谱范围内吸收率非常大，导致短路电流的减少，并且这种薄膜具有较差的绝缘性，不能被用于背面点接触太阳能电池。这些问题强烈限制了富硅氮化硅薄膜的应用。我们首次展示了化学计量氮化硅（例如，a-SiNx:H 其中x=1.3)能够在P型硅片上产生与富硅氮化硅同样低的表面复合速率，只要在沉积氮化硅时向反应气体硅烷和氨气中加入氮。这些具有优良钝化性能的化学计量氮化硅薄膜易于刻蚀，不吸收波长大于320nm的紫外线，并且可称作是完美的绝缘体。2、实验过程利用载流子测试系统检测在400m厚、表面晶向为（100）的1cm 抛光的P型区溶硅片上沉积的氮化硅薄膜钝化行为。在经过超声波清洗的硅片上双面对称沉积厚度为约60nm的氮化硅薄膜。这种测试系统已被证明能够极其灵敏地检测因为表面复合速度的变化导致的有效载流子寿命变动【3】。氮化硅薄膜是由可用于商业的平板式反应器（Oxford等离子体技术）制备，反应气体为氨气与硅烷/氮气（4.5%硅烷，95.5%氮气）的混合气体。与纯硅烷对比硅烷与氮气的混合气体更加的安全当他直接与空气接触时不易燃烧。为了避免在等离子体沉积时离子轰击硅片表面，采用了高的激发频率（13.56）远大于等离子体的移动频率。样品的有效载流子寿命采用接触式电感耦合光电导仪（辛顿咨询，WCT100），可以进行瞬态光电导衰减（PCD）和准稳态光电导（QSSPC）测量【8】。波长依赖于氮化硅薄膜的折射率n和消光系数k通过薄膜测试光谱仪F20测试的反射数据计算得来。此外，有一些薄膜通过椭偏仪进行测量。特定下的n，k相互依存关系通过椭偏仪测量发现能够较好地吻合反射率测量结果。3、等离子体化学气相沉积参数的优化这次研究的PECVD不同参数是基体温度，气体压力，离子源功率，气体流速和硅烷/氮气与氨气流量的比SiH4:N2/NH3.图1显示了两个最重要参数的影响：沉积温度和气体流量比。图1还涵盖了一些氮化硅薄膜在波长630nm下的折射率，由反射率测量得出。有效少子寿命通过PCD方法测量。在本次实验中NH3流速固定为50sccm，压力为0.2托，离子源功率为100W。当离子功率不认为对表面钝化质量产生影响时，发现减少压力能够增加少子寿命因此，我们使用可调整的最低压力在图1中。注意到有效少子寿命同样依赖于气体流量比是很重要从在图1显示的，还有一个NH3流量为100sccm，表明氮化硅沉积的关键参数事实上是气体流量比而不是实际流速。从图1还能看出，存在一个最佳气体流量比，位于47，决定于沉积温度。最佳气体流量比和最大有效少子寿命随着沉积温度增加。在本次研究中使用的是最高沉积温度（400），有效梢子寿命值为900s被获得在最佳的气体流量比。对应着一个非常低的表面复合速度SRV<10cm/s,因此，本次所作的氮化硅薄膜表面钝化优化工作相当于迄今报告的最好的氮化硅钝化方案【3-6】。我们优化的氮化硅薄膜和那些调查的参考对象主要的不同之处在于，他们接近化学计量（表示为折射率1.9）而不是富硅的（折射率>2.2).我们得到的氮化硅薄膜钝化行为的根本不同之处好像是由于在反应气体中加入了氮气。注意到图1中的富硅薄膜折射率为2.1时也具有相对优异的表面钝化质量是很重要的。相应样品的有效载流子寿命为450s意味着对于多数应用的太阳能电池具有充分高的表面钝化效果（SRV30cm/s)所做的相同的优化实验在0.3cm区溶P型硅上进行，具有相同的最佳沉积参数。图 1.沉积氮化硅温度和硅烷/氮气与氨气；流量比对有效载流子寿命的影响。展示了一些样品的折射率n。4、有效表面复合速度对注入水平的依赖图2显示了体注入水平n对个氮化硅钝化的样品与1cm P型硅片热氧化后的表面复合速率的对比。氮化硅薄膜沉积选用最佳的PECVD优化工艺参数。二氧化硅在1100氧气/三氯乙酸氛围下生成，然后在400的混合气体（5%H2，95%Ar）氛围下退火30min来改善钝化质量。有效表面复合速率被测定通过有效少子寿命测量使用的QSSPC技术【8，9】具有的实际体寿命为1.6ms。考虑由于不确定的假设的体寿命引起的误差，我们也计算了表面复合速度的不确定范围，表示为误差线在图2中。对于氧化样品，误差线比符号尺寸小因此被忽略不计。从图2可以看出通过优化工艺制备的氮化硅薄膜的表面复合速率比通过二氧化硅钝化的样品差很多。在Si/SiO界面上表面复合速率从注入水平为5×1015cm-3时的最小28cm/s增加到注入水平为1013cm-3时的700cm/s，在Si/SiN界面上表面复合速率注入水平1.5×1015cm-3的最小9cm/s仅仅增加到1013时的40cm/s。观察具有低的表面复合速率的Si/SiN界面的作用原理也与报道中所说的硅表面覆盖一层高质量的富硅氮化硅薄膜不同，表面复合速率增加是其中一个因素当注入水平从1015降到1013cm-3【3，6】。我们制备的低注入水平下低的表面复合速率对太阳能电池在最大功率点的运作情况是非常重要的，这通常决定使得电池片背表面注入水平在1013-1014cm-3之间。图表 2.显示有效表面复合速率随氮化硅薄膜和氢气氛退火的热生长氧化膜在低阻P型硅片注入水平的变化5、光学性能氮化硅薄膜的吸收次数可以通过测量消光系数利用方程=4k/计算得来。图3分别显示优化后的化学计量氮化硅薄膜折射率为1.9和折射率为2.1的富硅氮化硅薄膜的吸收系数随波长的变化，从图3可以看出，富硅氮化硅薄膜在紫外线太阳光谱范围具有明显的吸收，然而优化的化学计量氮化硅薄膜不吸收任何波长320nm以上的紫外线光子。具有良好钝化质量的化学计量氮化硅薄膜的降低吸收作用提高了太阳能电池的短路电流密度约0.5-1mA/cm2在标准大气质量（大气质量1.5G 光谱）与参考的富硅氮化硅薄膜相比【3-6】。而且，化学计量氮化硅具有最佳的折射率（1.9）作为硅的单层减反射膜。无论如何，必须要注意到后者化学计量的优势相对于富贵的氮化硅薄膜只能在实验室里利用，因为它不适合封装太阳能电池。对于使用玻璃封装的硅太阳能电池最佳的没有吸收的减反射膜的折射率是2.3并且不是最佳折射率的化学计量氮化硅导致短路电流下降了0-1.3mA/cm2，略高于从减少吸收所获得的补偿增益。因为在图3显示的富硅氮化硅薄膜也拥有相当好的表面钝化质量，所以我们折射率为2.1的氮化硅更加适合做封装硅太阳能电池的表面钝化减反射膜。图 3.表示了化学计量氮化硅和富硅薄膜的吸收系数。列举了沉积氮化硅薄膜的1cm P型硅片在=630nm下的有效载流子寿命和折射率。6、刻蚀速率优化氮化硅在缓冲HF溶液50ml HF(50%)+500mlNH4F（50%）的腐蚀速率约为35nm/min。相对高的刻蚀速率（折射率为2.1的富硅氮化硅薄膜的腐蚀速率要低6个点）使激光刻蚀和化学刻蚀更容易在氮化硅上刻蚀图案，这已经在我们实验室内成功的实现。7、结论总之，我们已经证明等离子体化学气相沉积化学计量氮化硅薄膜可以使表面复合速率降到10cm/s在低阻P型硅表面，只要（i）可以避免在等离子体沉积时对硅表面的离子轰击的一种等离子体技术并且（ii)在反应气体硅烷和氨气中加入氮气。这个研究中优化的氮化硅薄膜除了具有突出的表面钝化，薄膜具有非常低的注入水平有效表面复合速率，他们是优秀的绝缘体并且有非常有利的光学性能：他们不吸收波长大于320nm的紫外线光并且可以作为硅片上有效地减反射膜。此外，使用缓冲HF的腐蚀试验表明优化的氮化硅很容易使用激光和化学刻蚀图形。因此，在这个研究中所介绍的氮化硅钝化方案真的是非常适合作高效硅太阳能电池点接触背表面。这有着特别的意义对高效多晶硅太阳电池，高温氧化方法会明显的降低基板材料的体载流子寿命。此外，氮化硅薄膜中的大量的氢可以被利用去提高多晶硅基板的体载流子寿命.对于改进的氮化硅钝化方案第二个非常有前景的应用领域是太阳能电池的双面钝化和背接触。这种类型的太阳能电池要求氮化硅的钝化性能在太阳光下能稳定存在，这些已被证明关于参考的富硅氮化硅薄膜，但是还必须验证这次工作中所提交的氮化硅钝化方案。全面调查氮化硅在紫外线的照射下的钝化行为目前正在我们的实验室中进行。致谢作者非常感谢C.Jagadish 和H.Tan使得可以使用澳洲国立大学电子材料工程系的PECVD反应器。也要感谢A.Blakers和A.Cuevas一直的支持。另外作者（J.S.）诚挚地感谢德国亚历山大冯洪堡基金会提供的Feodor Lynen 奖学金其他的资金有澳大利亚研究理事会提供。参考文献6