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　　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。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。

　　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。

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　　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：

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　　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：

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　　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，

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　　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。

　　2 減反射薄膜的材料

　　要想將光電池對光反~射引起的損失減至最小，因此必須使反射系數ρ最小，如上分析，對單層減反射薄膜必須滿足：

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　　對硅光電池來講，如果光直接從空氣射入電池，n0=1，nSi=3.8，則折射率為1.9時的介質膜為最佳，但是它僅僅對特定波長的單色光為最佳，對于一般的復色光源，鄰近特定波長的光，在確定的介質材料和厚度下，由于條件不完全滿足，反射光只可能部分地被抵消，雖然ρ有所增大，但對波長較遠的光，起不到減反射作用，因此在設計中應選取適當的n1材料和制作合適的膜厚t，才能使其波長落在光源輻射最強的波長附近。

　　幾種能夠作為減反射薄膜的材料和它的折射率列在表1中，可供參考：

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　　由于氮化硅的折射率為1.9，是很理想的減反射膜材料，所以研究中采用的就是這種材質的減反射膜。氮化硅薄膜的折射率高，其中晶態氮化硅薄膜的折射率為2.0;非晶態氮化硅薄膜的折射率會在其左右一定范圍內波動。氮化硅薄膜的厚度和顏色有對應關系，如表2所示。

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　　厚度可用橢圓偏振儀精確測量。在能夠估計厚度范圍的情況下，可根據氮化硅薄膜的顏色和表中所列的顏色進行比較，以此來確定氮化硅膜的大約厚度。圖2～圖4分別為鍍膜前、80 nm左右SiN薄膜和65 nm左右的SiN薄膜圖示。

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　　3 實驗與討論

　　本研究使用德國ROTH&RAU科學儀器研制中心制造的PECVD-SiNA1型設備制備不同厚度的SiN薄膜。

　　測試設備用：SENTECH生產SE-400ADV的激光偏振儀;SEMILAB生產的WT-2000的少子壽命測試儀。

　　實驗材料：材料采用P型(100)的直拉的125 mmx125 mm單晶硅片，電阻率約為0.5～3 Ω·cm，厚度200+50μm。在實驗前經過硅片清洗和制絨，磷擴散，等離子刻蝕，去除磷硅玻璃等工藝。

　　實驗用到的氣體有SiH4，NH3，N2。腐蝕溶液為HF酸。SiH4和NH3氣體分別用于等離子體增強型化學氣相沉積法沉積SiN薄膜，為安全起見，SiH4由氮氣稀釋至10%，NH3濃度為99.999%。N2主要用于在沉積完薄膜后清洗氣路和反應室，它們的純度都為99.999%。

　　PECVD系統主要工藝參數包括射頻功率、反應氣體組分、氣體總流量、襯底溫度和反應壓力等，這些參數對SiN薄膜的性能有很大影響。

　　由于影響PECVD系統淀積效果的參數很多，如氣體流量和流量比，工藝腔溫度，射頻功率，沉積氣壓等等，而且對不同的PECVD設備會有不同的最佳參數，我們有必要就主要的控制參數進行研究，摸索出在這臺PECVD設備上淀積氮化硅薄膜的最佳工藝參數組合。

　　在此一共選取了沉積壓強(6組)、微波功率(5組)、氣體流量比(11組)、工藝腔溫度(4組)四個變量。采取改變其中的變量其他三個變量不變的實驗方法，最后得出各個變量主要對電池片哪些參數有影響，提出一個可行的最優實驗方案。

　　通過查閱相關資料，我們總結出SiN薄膜較好的各參數范圍：薄膜厚度在70～80 nm之間，膜厚差應小于5 nm，折射率2.0～2.1之間，4 nd在630 nm左右，少子壽命越大越好，腐蝕速率越小。

　　根據資料和實際經驗，從以上幾組實驗中找出了一些實驗效果比較好的參數，然后共得到8組優化參數，這8組實驗做完之后，再用1：5的氫氟酸對制得薄膜進行腐蝕，實驗具體參數如表3，實驗結果如表4。

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　　圖5～圖8給出實驗結果。采用平板式PECVD法制備氮化硅薄膜時，沉積條件對氮化硅薄膜特性的影響如下：

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　　(1)壓強主要對折射率和腐蝕速率有影響：隨著壓強的升高(見圖5)，折射率上升而腐蝕速率下降(見圖6)。壓強增大時，膜的均勻性下降(見圖7)。

　　(2)功率主要對膜厚和膜厚差有影響：隨著功率的增大，膜厚增大而膜厚差下降(見圖8)。

　　(3)流量比主要對折射率、膜厚和膜厚差都有影響：隨著流量比的升高，折射率下降而膜厚和膜厚差都是先升后降(見圖8)。

　　(4)溫度對薄膜的各個參數影響都不大。溫度上升，折射率增大(見圖5)，腐蝕速度下降(見圖6)。

　　4 結語

　　經過實驗分析，在溫度為430℃，壓強為2.1×10-1mbar，功率為3 200 W，流量比為3.07，制備的薄膜具有良好特性，是制作減反射膜的良好的方案。