晶硅电池表面钝化技术

1.硅片表面特性

表面复合是指在硅片表面发生的复合过程，硅片中的少数载流子寿命在很大程度上受到硅片表面状态的影响，因为硅片表面有以下3个特点：(1)从硅晶体内延伸到表面的晶格结构在表面中断，表面原子出现悬挂键，排列到边缘的硅原子的电子不能组成共价键，因此出现了成为表面态的表面能级，表面态中靠近禁带中心的能级是有效的表面复合中心;(2)硅片在切片过程中表面留下的切割损伤，造成很多缺陷和晶格畸变，增加了更多的复合中心;(3)硅片表面吸附的带正、负电荷的外来杂质，也会成为复合中心。

2.表面钝化介质薄膜研究

2.1SiNx薄膜钝化研究

SiNx薄膜的制备方法有多种，从工艺效果和工业化生产来考虑，目前应用于太阳能电池生产的制备方法主要是等离子增强化学气相沉积(PECVD)法，PECVD方法的过程是在较低气压下，利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上产生辉光放电，利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度，然后通入适量的工艺气体，这些气体经一系列化学反应和等离子体反应，最终在样品表面形成固态薄膜。反应气体主要为硅烷(SiH4)和氨气(NH3)，最终反应方程式如下：

化学方程式1

SiNx薄膜对电池表面钝化原理：PECVD法在沉积SiNx薄膜时，会在薄膜中形成大量固定正电荷和游离的氢原子。大量的固定正电荷在电池表面处形成一个内建电场，使表面处于反型状态，降低载流子在表面相遇和复合的几率，从而降低表面复合速度。而大量的游离氢原子则可以扩散到Si-SiNx界面处，与界面处的硅悬挂键结合，降低表面的界面态密度以达到降低表面复合速率的效果，对电池表面进行钝化。

SiNx薄膜除了具有良好的钝化效果外，采用PECVD法制备的SiNx薄膜还具有良好的减反射功能，随着反应气体硅烷和氨气气体流量比例的不同，SiNx薄膜的折射率可在1.8～3.3的范围内调整，

实际生产中可通过调整气体流量，形成匹配的膜厚和折射率，将反射率降至最低，增加太阳能电池对光的吸收利用。优良的钝化和光学性质使SiNx薄膜成为晶硅太阳能电池生产中最常用的钝化减反膜，但是由于SiNx薄膜带有固定的正电荷，仅对n型硅表面具有良好的钝化效果，应用于高掺杂的p+表面时，没有表现出有效的钝化。

2.2SiO2和SiO2/SiNx叠层钝化减反研究

产业化的SiO2薄膜生长方式主要是热氧化法，利用热氧化生长SiO2薄膜是将硅片放入高温的石英炉管内，硅片表面在氧化物质作用下生长SiO2薄膜，根据氧化气氛的不同，又可以分为干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化，实际应用中主要是干氧氧化和湿氧氧化，反应机理分别为：

干氧氧化的反应：

化学方程式2

硅片表面的Si原子在高温下与氧分子反应，生成SiO2起始层。此后，由于起始氧化层阻止了氧分子与Si表面的直接接触，氧分子只有以扩散方式通过SiO2层，到达SiO2-Si界面，才能与Si原子反应，生成新的SiO2层，使SiO2薄膜继续增厚。

 

湿氧氧化与干氧氧化不同之处是将干氧通入石英管前，先通入加热的高纯去离子水，使氧气中携带一定量的水汽。因此在湿氧氧化中，既有氧的氧化作用，又有水的氧化作用，水的氧化反应式如下：

湿氧氧化反应：

化学方程式3

工艺结果的对比，湿氧氧化薄膜生长较快，但是生成的SiO2薄膜结构疏松，表面有缺陷，对杂质的掩蔽能力较差。虽然干氧氧化的生长速度较慢，但是生成的薄膜致密、均匀性和重复性较好，适合高质量钝化薄膜的制备。

SiO2薄膜的结构和表面钝化原理：SiO2是由Si-O四面体组成，Si-O四面体的中心是硅原子，四个顶角上是氧原子，顶角上的四个氧原子刚好满足了硅原子的化合价。从顶角上的氧到中心的硅，再到另一个顶角上的氧，称为O-Si-O键桥。在热氧化的反应过程中，大量的氧原子与硅表面未饱和的硅原子结合形成SiO2薄膜，该薄膜可降低悬挂键的密度，能够很好地控制界面陷阱和固定电荷，此外高质量SiO2薄膜可把表面态密度降低至1010/cm2，Si-SiO2界面的复合速率可以降到100cm/s以下，从而降低了悬挂键的密度，起到了表面钝化作用。