晶體硅太陽電池減反射膜的研究

摘要：在太陽電池表面形成一層減反射薄膜是提高太陽電池的光電轉換效率比較可行且降低成本的方法。應用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)系統，采用SiH4和NH3氣源以制備氮化硅薄膜。研究探索了PECVD生長氮化硅薄膜的基本物化性質以及在沉積過程中反應壓強、反應溫度、硅烷氨氣流量比和微波功率對薄膜性質的影響。通過大量實驗，分析了氮化硅薄膜的相對最佳沉積參數，并得出制作戰反射膜的優化工藝。
關鍵詞：太陽電池；PECVD減反射；氮化硅薄膜

0 引言
太陽能光伏技術是將太陽能轉化為電力的技術，其核心是半導體物質的光電效應。最常用的半導體材料是硅。光伏電池由P型和N型半導體構成，一個為正極，一個為負極。陽光照射在半導體上時，兩極交界處產生電流，陽光強度越大，電流就越強。太陽能光伏系統不僅只在強烈陽光下運作，在陰天也能發電。晶體硅是當前太陽能光伏電池的主流。目前晶體硅電池光電轉換效率可以達到20％，并已實現大規模生產。除效率外，光伏電池的厚度也很重要。薄的硅片(wafer)意味著較少的硅材料消耗，從而可降低成本。在查閱了大量國內外相關文獻，并結合我國對晶體硅太陽電池技術開發的迫切需要，在制備太陽電池減反射膜(氮化硅薄膜)的工藝中，對氣體流量比、微波功率、沉積壓強和溫度對減反射膜性質的影響進行了研究，通過大量有效的工作及一系列工藝數據，得出了制作減反射膜，分析了氮化硅薄膜的相對最佳沉積參數和優化工藝。

1 減反射膜原理
在了解減反射薄膜原理之前，要先了解幾個簡單的概念：第一，光在兩種媒質界面上的振幅反射系數為(1-ρ)／(1+ρ)，其中ρ為界面處兩折射率之比。第二，若反射光存在于折射率比相鄰媒質更低的媒質內，則相移為180°；若該媒質的折射率高于相鄰媒質的折射率，則相移為零。第三，光因受薄膜上下兩個表面的反射而分成2個分量，這2個分量將按如下方式重新合并，即當它們的相對相移為180°時，合振幅便是2個分量振幅之差；稱為兩光束發生相消干涉。

如圖1所示膜有2個界面就有2個矢量，每個矢量表示一個界面上的振幅反射系數。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則每個界面上的反射系數都為負值，這表明相位變化為180°。當膜層的相位厚度為180°時，即膜層的光學厚度為某一波長的1／4時，則2個矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，則對該波長而言；2個矢量將完全抵消，于是反射率為零。鍍制有減反射薄膜的太陽電池的反射率R為：

式中：R1，R2分別為外界介質與膜和膜與硅表面上的菲涅爾反射系數；△為膜層厚度引起的位相角。其中：

式中：n，n0，nSi分別為外界介質、膜層和硅的折射率；λ入射光的波長；d為膜層的實際厚度；nd膜層的光學厚度。當波長λ0為光的垂直入射時，


因此，完善的單層減反射薄膜條件是膜層的光學厚度為1／4波長，其折射率為基片和入射媒質折射率相乘積的平方根。