单晶硅太阳能电池表面PECVD淀积SiN减反射膜工艺研究Word文件下载.docx

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________年________月________日

学院意见

同意立题（　　）　

不同意立题（　　）　　教学院长签名：

注：

1、此表一式三份，学院、教研室、学生档案各一份。

2、课题来源是指：

1.科研，2.社会生产实际，3.其他。

3、课题类别是指：

1.毕业论文，2.毕业设计。

4、教研室意见：

在组织专业指导委员会审核后，就该课题的工作量大小，难易程度及是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。

5、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。

课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题）

Rau的SiNA等离子增强化学气相淀积薄膜设备，对淀积氮化硅薄膜工艺条件进行重点研究。

1.了解单晶硅太阳能电池的原理；

2.了解PECVD的使用和工作原理；

3.研究PECVD淀积氮化硅薄膜的工艺条件。

研究目标：

薄膜重要参数（淀积速率、膜厚度、折射率）与微波功率、衬底温度、淀积时间、NH3/SiH4流量比和淀积腔压力等因素的关系。

寻找最佳的工艺方案。

关键问题：

获得最佳质量膜的工艺条件的选择。

课题的研究方法和技术路线

研究方法：

在熟悉掌握PECVD设备的工作原理、结构基础上，利用该设备进行氮化硅薄膜淀积，探索最佳淀积工艺方案。

技术路线：

1.熟悉设备结构，掌握设备使用；

2.熟悉PECVD的工作原理；

3.通过调研及查找资料，获得成熟的工艺方案；

4.获得实验样品，通过测试，再探索最佳淀积工艺方案。

基　础　条　件

PECVD设备：

Roth&

RauSiNA

气源：

N2，NH3，SiH4

测试设备：

SE400型椭偏仪

材料：

六英寸单晶硅抛光片

参考文献

[1]施敏著．半导体器件物理与工艺（第二版）[M]．苏州：

苏州大学出版社，2004，359—366

[2]关旭东．硅集成电路工艺基础[M]．北京：

北京大学出版社，2003，122—156

[3]Stephen.A.Campbell．微电子制造科学原理[M]．北京：

电子工业出版社，2003，326—352

[4]陈力俊．微电子材料与制程[M]．上海：

复旦大学出版社，2005，350—370

[5]MichaelQuirkandJulianSerda．半导体制造技术[M]．北京：

电子工业出版社，2003，220—230

[6]ThomasHengstDr.SaulWinderbaum.ROTH&

RAUREMOTEMW-PECVDSINAin-linesystems.

[7]GuillermoSantana,ArturoMorales-Acevedo.OptimizationofPECVDSiN:

H"

lmsforsiliconsolarcellsSolarEnergyMaterials&

SolarCells60（2000）135}142

[8]L.C.-K.Liau,C.-J.Huang,C.-C.Chen,C.-S.Huang,C.-T.Chen,S.-C.Lin,L.-C.Kuo*.ProcessmodelingandoptimizationofPECVDsiliconnitridecoatedonsiliconsolarcellusingneuralnetworks.SolarEnergyMaterialsaSolarCells71（2002）169–179

本课题必须完成的任务：

1.完成一套PECVD淀积氮化硅薄膜工艺方案。

2.完成样品的测试分析。

成果形式

工艺数据、毕业论文

进度计划

起讫日期

工作内容

备注

3.5－3.18

查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。

3.19－3.30

消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告。

3月30日

上交开题报告

3.31－4.29

了解PECVD设备的工作原理及使用。

4.2－4.6

完成开题答辩

4.30－5.11

准备毕业设计中期检查。

5月11日前

完成中期检查

5.12－5.27

探索工艺条件，完成实验样品的制作和测试。

5.20－6.3

撰写毕业论文。

6月3日

交毕业论文草稿

6.4－6.8

修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收。

6月8日前

毕业论文定稿

6.9－6.15

准备和进行毕业论文答辩。

学生姓名

吴超

学号

0313046w

专业

电子科学与技术

阅读文献

情况

国内文献6篇

开题日期

2007.4.9

国外文献4篇

开题地点

文峰校区西632

一、文献综述与调研报告：

（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）

1.课题现状及发展趋势

如今世界各国都在大力鼓励太阳能光电产业的发展。

据报道，日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。

德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。

太阳能之所以引起全世界的关注，除了因为全球化石能源价格的不断上涨外，另一个重要原因是：

由于这些年来人们对太阳能光电池所做的努力，使得太阳能电池的光电转换效率提高到比较实用范围。

实验室制得的多晶硅光电池转化率达到19%，单晶硅光电池转化率是25%，砷化镓光电池是25%，在实验室中特制的砷化镓光电池甚至已高达35%-36%。

然而众多高效电池只能在实验室中制得，工业化生产的电池转换效率只有15%-17.5%。

日本一家知名光伏企业利用超浅结扩散制得的电池转换效率达18%。

业内人甚至称这已经接近工业生产的极限。

使用PECVD的方法在太阳能电池表面淀积氮化硅减反射薄膜可以降低光线的反射率，提高半导体对光的吸收。

同时，氮化硅中含有的氢可以对半导体进行良好的表面钝化和体钝化，这样可以降低载流子的复合率达到增加短路电流的目的。

实践证明，经过PECVD淀积氮化硅减反射薄膜后的电池效率提高了40%以上，而电池的短路电流也增加了30%以上。

2.课题研究的意义和价值

目前，众多国际标准都对太阳能电池质量做出了严格的规定。

而世界光伏市场也都是以发电功率对电池进行定价。

光伏市场90%以上都是晶体硅电池产品。

随着电池厂家产能的迅速扩大，使得太阳级的单晶硅和多晶硅供应紧张，甚至已成为行业发展的瓶颈，这也增加了生产成本。

所以，不断提高电池的转化效率和质量对降低生产成本和提高企业竞争力有着重要的意义。

在电池表面淀积氮化硅减反膜可以提高电池对光的吸收，从而提高效率。

由于其稳定的化学性质又可以对电池提供长期的保护，使电池不会失效。

但是，由于设备之间的差异和老化等原因，使得制备的薄膜质量存在许多不稳定性。

所以，在生产之前要对设备进行工艺条件的实验，得到最佳的工艺参数。

在生产中还要对产品质量进行跟踪，并根据实际情况对工艺参数进行优化。

通过这些努力希望能够得到尽可能质量稳定可靠而又高效的电池。

本课题将以

七．综上所述，使用PECVD在太阳能电池上沉积对提高电池效率，保护电池表面，同时可以保证产量，降低成本。

我将以SiNA系统为基础来完成设计。

SiNA是德文Silizium（硅）-Nitrid（氮）-Anlage（处理系统）的缩写。

它是专门利用PECVD过程来沉积氮化硅薄膜的系统，最初SINA系统只用于研究。

SiNA系统是一个模块化的在线生产系统，主要用于太阳电池减反膜的沉积。

3.参考文献

[6]赵亮.SiNx:

H减反射膜和PECVD技术.

[7]何祚庥.太阳能引起全世界关注.中国新能源网.

[8]ThomasHengstDr.SaulWinderbaum.ROTH&

[9]GuillermoSantana,ArturoMorales-Acevedo.OptimizationofPECVDSiN:

[10]L.C.-K.Liau,C.-J.Huang,C.-C.Chen,C.-S.Huang,C.-T.Chen,S.-C.Lin,L.-C.Kuo*.ProcessmodelingandoptimizationofPECVDsiliconnitridecoatedonsiliconsolarcellusingneuralnetworks.SolarEnergyMaterialsaSolarCells71（2002）169–179

二、课题的基本内容，预计解决的难题

1.了解单晶硅太阳能电池的原理；

三、课题的研究方法、技术路线

1.熟悉设备结构，掌握设备使用；

2.熟悉PECVD的工作原理；

3.通过调研及查找资料，获得成熟的工艺方案；

4.获得实验样品，通过测试，再探索最佳淀积工艺方案。

四、研究工作条件和基础

RauSiNA；

N2，NH3，SiH4；

SE400型椭偏仪；

材料：

六英寸单晶硅抛光片。

题目：

单晶硅太阳能电池表面PECVD淀积SiN

减反射膜工艺研究

摘要

等离子增强化学气相淀积氮化硅减反射薄膜已经普遍应用于光伏工业中，其目的是在晶体硅太阳能电池表面形成减反射薄膜，同时达到了良好的钝化作用。

氮化硅膜的厚度和折射率对电池性能都有重要的影响。

探索最佳的工艺条件来制备最佳的薄膜具有重要意义。

本课题是利用Roth&

Rau的SiNA设备进行淀积氮化硅薄膜的实验，介绍了几种工艺参数对薄膜生长的影响，获得了生长氮化硅薄膜的最佳工艺条件，制作出了高质量的氮化硅薄膜。

实验中使用了椭偏仪对样品进行膜厚以及折射率的测量。

关键词：

等离子增强化学气相淀积，氮化硅薄膜，太阳能电池，光伏效应，钝化

ABSTRACT

SiNfromplasma-enhancedchemicalvapordeposition（PECVD）iswidelyusedinP-Vindustryasanantireflectionthinfilmonthesurfaceofcrystalsiliconsolarcell.Inadditionthisprocesstakesadvantageofanexellentpassivationeffect.BoththethicknessandrefractiveindexoftheSiNfilmmakeimportantinfluencestotheperformanceofsolarcells.Soitisveryimportanttofindthebestprocessparameterstodepositthebestfilm.Inthispaper,theexperimentofSiNfilmdepositionwascompletedwiththeequipmentnamedSiNAproducedbyRoth&

Rau.Theinfluenceoftheparameterstothegowthofthefilmwasintroducedbasedontheexperiment,andthebestparameterstoproducethetop-qualitySiNfilmwereobtainted.TheSpectroscopicellipsometrywasusedtotestthethicknessandrefractiveindexofthesamplesduringtheexperiment.

Keywords:

PECVD,SiNfilm,solarcell,photovoltaiceffect,passivation

第一章绪论

从2003年开始，全球化石能源的缺乏引发了能源价格不断攀升，可再生能源也因此得到了更多的重视，太阳能光伏行业迎来了发展的春天。

1.1太阳能光伏产业发展现状和未来

近年来，光伏产业一直保持着40%以上的高增长率[1]。

2006年权威分析师MICHAELROGOL在其最新的光伏行业报告中预测：

2010年底前太阳能电池及组件生产增长6倍，太阳能电池及组件的产量在2010年底前至少将达到10GW（相对于2005年增长530%），而这大部分仍为晶体硅太阳能电池及组件。

在2008--2010年间光伏市场的需求将大大的超出产能所能提供的供给，并且需求比供给增长快的多。

目前全球对价格在$3.50至$4.50/W之间组件的需求大约为5GW，远远大于2006年的产量（2.4GW），这导致组件价格提高了15%及全行业税前30%的平均利润率。

光伏产业的快速发展得益于世界上许多国家和政府有力的政策支持。

我国现在也在大力支持新能源事业的发展，制定了许多扶植的政策和法规。

《可再生能源法》在2006年1月1日起实施，2005年4月份国家能源领导小组会议已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中长期发展规划、发展重点和目标。

国家发改委还同时发布了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》。

国家的这些扶植政策和措施将大力促进我国太阳能光电产业的发展。

近几年我国太阳能电池制造业已经凸显了快速发展的势头，尤其是江浙地区涌现了许多优秀企业，如无锡尚德电力有限公司，江苏林洋新能源有限公司，常州天合光能有限公司等。

据《国家发改委/全球环境基金/世界银行中国可再生能源发展项目》办公室估计，2006年底我国太阳能电池产量将达到280MW，而生产能力可达1450MW[2]。

1.2晶体硅太阳能电池技术的发展

晶体硅太阳电池是光伏行业的主导产品[3]，占市场份额的90%，尤其是多晶硅太阳电池的市场份额已远超过单晶硅电池的市场份额，自从六十年代太阳能电池作为能源应用于宇航技术以来，太阳能电池的技术得到非常迅速的发展，单晶硅太阳能电池的转换效率已接近25%（单晶硅电池理论上极限转换效率为27%），多晶硅太阳能电池的转换效已接近近20%。

由于太阳能光伏电池的高制造成本使得它的发展和应用受到了一定的影响[4]。

而如果太阳能光发电的成本能够下降到10美分/千瓦时，将有巨大的经济效益！

所以现在所有的光伏企业以及研究机构都在努力研究更加先进的太阳能电池制作工艺和寻找更好更加廉价的电池材料，以达到提高转化效率，降低成本的目的。

对晶体硅电池的研究应遵循以下工艺原则，即低成本、大批量和高效化。

薄片化具有双重目的。

薄片化可以降低成本，同时薄片电池可以降低载流子的体内复合从而提高光电转化效率。

目前硅片厚度已普遍地从370μm降到240μm，很多厂家已减薄到220μm，仍能保持较高的成品率。

现在已开始试制200μm的薄硅片产品。

所以不断减薄硅片厚度，同时又保持高的成品率、产率和转化效率可以大幅降低成本。

预计到不久的将来薄片电池可以做到100μm[5]。

大片化符合大批量的原则，目前多数光伏企业已能批量生产六英寸和八英寸晶圆硅片。

而根据预测，中国有可能在未来156×

156（mm）单晶硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小视的一席之地。

因为中国有批量生产8吋单晶炉设备的厂家，很多硅片厂家也在上8吋单晶生产线，这些都将大大促进中国光伏产业的发展。

通过设计优化太阳电池生产工艺和电池结构，已经研制出了许多高效电池。

其中包括PESC电池（发射结钝化太阳电池）、表面刻槽绒面PESC电池、背面点接触电池（前后表面钝化电池）和PERL电池（发射结钝化和背面点接触电池）。

由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均高于20%，其中保持世界记录（24.7%）的单晶硅和多晶硅电池（19.8%）的转换效率均是由著名的澳大利亚新南威尔斯大学设计的PERL电池实现的。

但由于工艺复杂，应用于工业生产成本过高。

1.3本课题的主要内容

目前众多光伏企业都采用PECVD的方法在太阳能电池表面淀积一层氮化硅减反射薄膜。

这除了可以大大减少光线的反射率外，它还起到了良好的表面钝化和体钝化效果，达到了提高电池的光电转换效率和短路电流的目的。

而氮化硅稳定的化学性质起到了抗腐蚀和阻挡金属离子的目的，能够为电池提供长期的保护。

所以，高质量的氮化硅薄膜对提高电池性能和质量都有重要作用。

本课题主要内容包括对单晶硅太阳能电池的基本原理和基本工艺的介绍，重点讨论其中的PECVD淀积氮化硅减反射薄膜工艺。

然后通过实验的方法对淀积薄膜的工艺条件进行研究，根据实验结果对工艺条件进行分析比较，从而获得最佳的工艺参数。

第二章单晶硅太阳能电池的原理与工艺

半导体太阳能电池是基于p-n结的光伏效应发电的。

目前发展比较成熟的有晶体硅太阳能电池（单晶硅和多晶硅）、砷化镓电池、非晶硅电池。

晶体硅电池因为具有较高的转化效率和比较成熟的制造工艺被广泛的采纳（因为已有成熟的硅集成电路工艺可以应用于晶体硅电池制造）。

以下主要介绍单晶硅太阳电池的原理及工艺流程。

2.1p-n结电池的基本结构

图2.1为一基本p-n结电池结构图[6]。

正面为利用晶体表面的各向异性腐蚀原理形成的金字塔形减反射结构；

条状物为印刷的正电极；

n++为形成欧姆接触的重掺杂；

n+为发射极扩散，以形成p-n结；

背面为印刷背电场金属层形成背电极；

p+为形成欧姆接触的重掺杂。

图2.1p-n结电池基本结构

2.2p-n结电池的基本原理

假设入射光垂直pn结面[7]，如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。

能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。

在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。

图2.2光伏效应原理

由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动，p区的电子穿过p-n结进入n区，n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。

如图2.2，由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF。

在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。

如图2.3，如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。

这就是光电池的基本原理。

图2.3光电池的原理图

2.3单晶硅太阳能电池工艺流程

图2.4为当前比较流行的单晶硅太阳能电池的工艺流程，利用此工艺生产的电池的光电转换效率可达17.4%。

图2.4单晶硅电池的工艺流程图

1.一次清洗

由于硅片表面有硅粉，金属离子等污染物，还有在切片过程中留下的损伤层，一次清洗就是为了消除这些影响。

主要流程如图2.5所示。

图2.5一次清洗工艺流程

一次清洗的另一个主要目的是在电池表面形成绒面，利用NaOH溶液在（100）面上各向异性腐蚀在硅表面形成倒金字塔结构，使光线在硅片表面多次反射，增加阳光的吸收。

在反应的过程中需要加入一定量的硅酸钠和异丙醇，以减慢反应速度，防止硅片在反应以后变得很薄，导致碎片率上升。

2.扩散和等离子体刻蚀

扩散的作用就是在硅片表面形成PN结，采用P型衬底，在表面扩散N型杂质，扩散源为POCl3，主要的反应如下：

5POCl3

3PCl5+P2O5（2.1）

4PCl5+5O2→2P2O5+10Cl2↑（2.2）

2P2O5+5Si→4P+5SiO2（2.3）

扩散是太阳能电池工艺中最为关键的一部，PN结深度大致控制在500nm。

这是由生产线的设备和工艺条件所决定的。

理论上，较浅的PN结有利于对光的吸收。

但是浅结更容易受到后面工艺的破坏而导致电池性能大幅下降，这是相当危险的。

结深是通过测量电池的方块电阻来间接控制的，一般在35~45Ω/□。

日本的一家较为先进的光伏企业可以将方块电阻控制在90Ω/□，同时可以保持高达18%的光电转化效率。

扩散完成以后，进行等离子体刻边，主要是使