np型掺杂非晶硅薄膜工艺优化研究-何玉平-南昌工程学院.pdf-solarbe文库

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第３６卷第４期２０１７年８月南昌工程学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．３６Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０１７收稿日期２０１７－０５－１５作者简介何玉平（１９８１－），男，博士，ｈｅｙｕｐｉｎｇ＠ｎｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．文章编号１６７４－００７６（２０１７）０４－００２８－０３ｎ／ｐ型掺杂非晶硅薄膜工艺优化研究何玉平１，２，黄海宾２（１．南昌工程学院理学院，江西南昌３３００９９；２．南昌大学光伏研究院，江西南昌３３００３１）摘要掺杂层与硅片衬底形成发射极和后背场，掺杂层薄膜质量是影响高效率太阳电池的重要因素之一。以载玻片为衬底沉积掺杂薄膜层后样品电阻为依据对太阳能电池ｎ／ｐ型掺杂非晶硅薄膜主要工艺进行优化。结果表明，ｎ型掺杂非晶硅薄膜最优工艺为电流２０．５Ａ，气压４．０Ｐａ，气体流量比Ｈ２ＳｉＨ４ＰＨ３＝５０ ∶ ２ ∶ ４（ｓｃｃｍ）；ｐ型掺杂层非晶硅薄膜最优工艺为电流２３．５Ａ，气压５．５Ｐａ，气体流量比ＳｉＨ４ ∶ Ｈ２ ∶ Ｂ２Ｈ６＝２ ∶ ５０ ∶ ４（ｓｃｃｍ），沉积时间为３０ｍｉｎ，温度为２００ ℃ 。关键词掺杂非晶硅；电阻；气压；电流；流量比中图分类号Ｏ４８４文献标识码ＡＮ／ｐｔｙｐｅｄｏｐｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＨＥＹｕｐｉｎｇ１，２，ＨＵＡＮＧＨａｉｂｉｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＮａｎｃｈａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００９９，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ，ＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００３１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｏｐｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓｃａｎｂｅｍａｄｅａｓｅｍｉｔｔｅｒａｎｄｂａｃｋｓｕｒｆａｃｅｆｉｌｅｄｆｏｒｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ａｎｄｉｔｓｑｕａｌ  ｉｔｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｄｏｐｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎｏｎｔｈｅｇｌａｓｓｉｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈｈｏｔ  ｗｉｒｅ  ａｓｓｉｓｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＨＷＣＶＤ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｎ  ｔｙｐｅｄｏｐｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎｉｓＨ２ｉｓ５０ｓｃｃｍ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ４．０Ｐａ，ａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｓ２０．５Ａ；ａｎｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐ  ｔｙｐｅｄｏｐｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎｉｓＳｉＨ４ ∶ Ｈ２ ∶ Ｂ２Ｈ６＝２ ∶ ５０ ∶ ４（ｓｃｃｍ），ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ５．５Ｐａ，ｃｕｒｒｅｎｔｉｓ２３．５Ａ，ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇｔｉｍｅｉｓ３０ｍｉｎｕｔｅｓ，ａｎｄｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ２００ ℃ ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｏｐｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｃｕｒｒｅｎｔ；ｆｌｏｗｒａｔｉｏ２０１４年４月日本松下公司（原来的三洋电机公司）的含本征层非晶／晶体硅（ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｒｉｎｓｉｃｔｈｉｎ  ｌａｙｅｒ）电池转换效率高达２５．６％，该电池面积１４３．７ｃｍ２，轰动了全世界光伏领域。该公司公布的高转换效率三大核心技术为减少复合损耗，减少光损耗，减小串联电阻。光损耗可以通过表面制绒得到减少［１］，复合损耗减少可以在硅衬底和发射极间插入一层本征层钝化衬底实施［２－３］，串联电阻与发射极和背场质量等因素有关。前期采用热丝化学气相沉积法（ＨＷＣＶＤ）对较高质量钝化层薄膜进行了详细的研究探讨［４－６］。本文采用ＨＷＣＶＤ法沉积掺杂非晶硅薄膜，以期获得电阻较低的ｎ／ｐ型掺杂非晶硅薄膜工艺，为实验室设计及制作较高效率太阳电池奠定基础。１实验需要的试样有载玻片和抛光的硅片。抛光硅片作用是检测薄膜的厚度并用椭偏仪进行晶型测量，抛光片参数为晶向［１００］，电阻率４～５ｍ，厚度４２５～４７５ｍ；载玻片厚度为１．０～１．２ｍｍ之间，边缘进行过磨砂，作用是在其表面沉积掺杂非晶硅膜，研究其最佳技术工艺。载玻片的清洗步骤为先用洗衣粉清洗，并用超声容器震动，接着用去离子水冲刷，最后用高纯氮气（９９．９９９％）吹干。沉积ｎ／ｐ型掺杂非晶硅气体主要为Ｂ２Ｈ６和ＰＨ３，沉积时用Ｈ２稀释，开腔盖时需要氩气（Ａｒ）。ＨＷＣＶＤ法沉积掺杂非晶体薄膜仪器型号为ＨＷ  ＰＥＣＶＤ  １Ｅ（北京创世威纳科技有限公司），热丝（钽丝）技术参数为直径０．５ｍｍ，纯度９９．９５％（中诺新材（北京）科技有限公司），椭偏仪型号为ＧＥＳ５  Ｅ（匈牙利Ｓｅｍｉｌａｂ公司），测试电阻使用普通万用表和高阻计（型号４３３９Ｂ，美国Ａｇｉｌｅｎｔ安捷伦科技有限公司），超纯水仪型号为ＡＢＹ  ２００１  Ｕ（上海纯浦实业有限公司）。实验过程为清洗载玻璃片（抛光片），沉积非晶体硅薄膜，电阻及椭偏的测量，分析结果。２结果与讨论太阳电池的发射极和后背场（ＢＳＦ）一般有掺杂非晶硅膜构成［７］，该层薄膜的质量影响着太阳电池的转换效率，所以掺杂非晶硅薄膜技术工艺的优化成了必要环节［７－８］。本文主要从沉积气压、沉积电流、气体流量等方面进行优化，样品介电常数虚部反映沉积薄膜是否为非晶型，薄膜电阻则作为性能优劣依据。电阻小于１０５的样品，用万用表测其电阻，电阻高于１０５样品用高阻计测量。为消除偶然性，所有样品的电阻测量３次，每批实验有４个样品，４个样品的平均值就代表该参数的电阻值。所给值均为平均结果。２．１ｎ型掺杂非晶硅薄膜工艺优化沉积ｎ型掺杂非晶硅薄膜的衬底为载玻片，沉积一面后用万用表或高阻计测量样品电阻，椭偏仪分析薄膜晶型，台阶仪测量薄膜厚度。工艺参数如表１所示，沉积时间、温度、ＳｉＨ４和ＰＨ３流量课题组其他成员已进行过优化［９－１０］，综合先期优化结果，进一步对Ｈ２流量、电流以及气压优化。图１为ｎ型掺杂非晶硅薄膜不同电流、气压、Ｈ２含量的介电常数虚部结果。由图１可以明显看出，所有样品均在３．７ｅＶ出现表１工艺参数参数系列电流气压Ｈ２气压／Ｐａ４．５待优化４．０电流／Ａ待优化２０．５２０．５温度／ ℃ ２００２００２００时间／ｍｉｎ３０３０３０Ｈ２ ∶ ＳｉＨ４ ∶ ＰＨ３５０ ∶ ２ ∶ ４５０ ∶ ２ ∶ ４Ｘ ∶ ２ ∶ ４明显的特征峰，说明所沉积的薄膜均为非晶硅型。图１不同电流、气压和Ｈ２流量ｎ型掺杂非晶硅薄膜的介电常数虚部从图２可知，ｎ型掺杂非晶硅膜的电阻及厚度随沉积电流、气压及Ｈ２流量不同而变化。ｎ型掺杂非晶硅在太阳电池中作用主要是构成发射极和后背场，作为发射极的掺杂非晶体硅膜的电阻相对小、厚度稍微薄更好，这样有利于光的吸收和减少串联电阻［１１］；构成后背场（ＢＳＦ）的ｎ型掺杂非晶硅膜也要求电阻尽可能的小，厚度可以在某一适当范围内。根据本实验室制作异质结太阳电池方案和流程，非晶硅／晶体硅异质结太阳衬底通常为ｎ型直拉单晶硅片（ｎ  Ｃｚ  Ｓｉ），ｎ型掺杂非晶硅膜在作用是后背场，该层也需要减小其电阻，而厚度沉积在某一适当范围内。根据图２结果，ｎ型掺杂非晶硅膜的电流和Ｈ２较为理想技术参数为２０  ５Ａ和５０ｓｃｃｍ，而气压取为４．０Ｐａ较为合适，因为气压为５．０Ｐａ时厚度超过了３００ｎｍ，过厚的背场会导致太阳电池输出性能劣化。综合之前研究结果及本次实验分析，本实验室沉积的ｎ型非晶桂薄膜较优技术工艺为电流２０．５Ａ，气压４．０Ｐａ，沉积衬底温度２００ ℃ ，时间为３０ｍｉｎ，气体流量为Ｈ２ ∶ ＳｉＨ４ ∶ ＰＨ３＝５０ ∶ ２ ∶ ４（ｓｃｃｍ）。图２ｎ型掺杂非晶硅膜电阻和厚度９２第４期何玉平，等ｎ／ｐ型掺杂非晶硅薄膜工艺优化研究２．２ｐ型掺杂非晶硅薄膜工艺优化ｐ型掺杂非晶硅膜技术工艺参数中的时间、衬底温度、流量比均已优化研究［９－１０］，实验只优化研究电流和气压，技术工艺主要参数如列表２。图３为不同气压、电流沉积ｐ型掺杂非晶硅薄膜的介电常数虚部，从图３可以明显看出，所有样品的介电常数虚部曲线在３．７ｅＶ左右有特征峰，符合非晶硅特征，表明沉积的薄膜为非晶薄膜。图４为不同气压、电流沉积ｐ型掺杂非晶硅薄膜的电阻及厚度。表２ｐ型掺杂非晶硅薄膜技术工艺系列气压电流衬底温度／ ℃ ２００２００时间／ｍｉｎ３０３０Ｂ２Ｈ６ ∶ Ｈ２ ∶ ＳｉＨ４４ ∶ ５０ ∶ ２４ ∶ ５０ ∶ ２电流／Ａ２３．５待优化气压／Ｐａ待优化５．５由图４知道，沉积电流和气压能极大的影响ｐ型掺杂非晶硅膜的电阻值和厚度，电流气压增加，薄膜厚度总体上呈现增大趋势，而电阻则不同，电流增加，电阻变化规律是先减小然后再增大；气压增加电阻值则逐渐减小。根据本实验室制作非晶硅／晶体硅异质结太阳电池方案和流程，ｐ型掺杂非晶硅薄膜主要是作为发射极，根据发射极要求，该层的电阻值和厚度都尽可能小，以便能保证内建电场的形成，提高太阳电池转换效率［７］。综合比较，该层薄膜最佳气压和电流分别为５．５Ｐａ和２３．５Ａ。结合本课题组之前研究成果，ｐ型掺杂非晶硅膜较优化技术工艺为流量比ＳｉＨ４ ∶ Ｈ２ ∶ Ｂ２Ｈ６＝２ ∶ ５０ ∶ ４（ｓｃｃｍ），沉积时间３０ｍｉｎ，衬底温度２００ ℃ ，气压５．５Ｐａ，电流２３．５Ａ。图３ｐ型掺杂非晶硅薄膜的介电常数虚部图４ｐ型掺杂非晶硅薄膜的电阻和厚度３结论采用ＨＷＣＶＤ法依据电阻和薄膜厚度研究了ｎ／ｐ型优化了掺杂非晶硅薄膜工艺，并其晶体类型进行了探讨，主要结论如下（１）作为ＢＳＦ的ｎ型掺杂非晶硅，Ｈ２，气压和电流分别取５０ｓｃｃｍ，４．０Ｐａ和２０．５Ａ较为理想；（２）ｐ型掺杂非晶硅薄膜较为理想技术工艺为流量比ＳｉＨ４ ∶ Ｈ２ ∶ Ｂ２Ｈ６＝２ ∶ ５０ ∶ ４（ｓｃｃｍ），沉积时间为３０ｍｉｎ，衬底温度为２００ ℃ ，电流为２３．５Ａ，气压为５．５Ｐａ。参考文献［１］肖志刚．多晶硅片酸蒸汽刻蚀制绒技术研究［Ｄ］．南昌南昌大学，２０１６．［２］ＰａｎｋｏｖｅＪＩ，ＴａｒｎｇＭＬ．Ａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎａｓａｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｆｏｒｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９７９，３４１５６－１５７．［３］ＴａｒｎｇＭＬ，ＰａｎｋｏｖｅＪＩ．Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｏｆｐ  ｎｊｕｎｃｔｉｏｎｉｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｂｙａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，１９７９，２６（１１）１７２８－１７３４．［４］何玉平，黄海宾，周浪，等．ＨＷＣＶＤ工艺参数对ａ  ＳｉＨ薄膜结构及其对单晶硅片钝化效果的影响研究［Ｊ］．功能材料，２０１５，２２（４６）２２０６７－２２０７５．［５］ＨｅＹ，ＨｕａｎｇＨ，ＺｈｏｕＬ，ｅｔａｌ．ａ  ＳｉＯｘＨｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｌａｙｅｒｓｆｏｒＣｚ  Ｓｉｗａｆｅｒｄｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙｈｏｔｗｉｒｅｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅｉｎＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１７，６１１－４．［６］宁武涛，何玉平，黄海宾，等．热丝电流对ＨＷＣＶＤ制备ａ  ＳｉＨ膜结构及钝化效果的影响［Ｊ］．半导体制造技术，２０１５，４０（８）６０６－６１０．［７］沈文忠，李正平．硅基异质结太阳电池物理与器件［Ｍ］．北京科学出版社，２０１４．［８］何玉平．非晶硅／晶体硅异质结太阳电池的钝化材料与器件结构研究［Ｄ］．南昌南昌大学，２０１６．［９］龚洪勇．非晶硅／晶体硅异质结太阳电池的界面钝化层研究［Ｄ］．南昌南昌大学，２０１４．［１０］宁武涛．晶硅异质结太阳电池非晶硅薄膜与背场工艺优化研究［Ｄ］．南昌南昌大学，２０１５．［１１］ＨｏｌｍａｎＺＣ，ＤｅｓｃｏｅｕｄｒｅｓＡ，ＢａｒｒａｕｄＬ，ｅｔａｌ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｏｓｓｅｓａｔｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｓｉｌｉｃｏｎｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｉｎｔｅｄｉｇｉｔａｔｅｄｂａｃｋｃｏｎｔａｃｔｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２０１２，５１１０ＮＡ０５．０３南昌工程学院学报２０１７年