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本征非晶硅钝化薄膜能很好的钝化晶硅表面[1-2]，松下公司利用在晶体硅与掺杂层之间插入一层本征氢化非晶硅（i-a-Si:H）制作的HIT太阳电池（Heterojunction with intrinsic thin layer）获得了良好的转换效率[3-4]，该公司网站报道插入i-a-Si:H是太阳电池高转换效率三大核心技术之一[5]。i-a-Si:H的沉积方式主要有PECVD（等离子体增强化学气相沉积）和HWCVD(热丝化学气相沉积)，相比较于HWCVD，PECVD由于是利用辉光放电等离子体使得组成薄膜气态物质发生化学反应，从而得到薄膜材料的一种沉积技术，通过反应气体放电沉积薄膜，很好的利用了非平衡等离子体的反应特点[6]，因而应用更为广泛与成熟, Stree R A等[7]研究了PECVD法沉积i-a-Si:H薄膜的工艺及有关钝化机理。随着钝化材料研究的深入，人们发现除了本征氢化非晶硅（i-a-Si:H），本征氢化非晶氧化硅（i-a-SiOx:H）也能较好的钝化硅片表面，a-Si:H/c-Si中插入i-a-SiOx:H有利于提高太阳电池效率，而且i-a-SiOx:H具有PECVD技术低温沉积、带隙较宽致蓝光区吸收减小、工艺窗口较大方便制备等优点[6,8-10]，钝化后的硅片少子寿命可达14.2 ms，但工艺与所使用制备仪器紧密相关，为在本实验室探索较高转换效率的a-Si:H/c-Si异质结太阳电池，本文在前期研究基础上，研究PECVD法制备i-a-SiOx:H薄膜钝化性能随沉积衬底温度的影响，采用微波光电导(MW-PCD)和射频光电导(RF-PCD)两种方法测试硅片少子寿命，光谱型椭偏仪检验薄膜样品的晶型。
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本实验衬底材料为n型直拉单晶硅片（n-Cz-Si），晶向为（100），厚约180 μm，大小是40 mm×40 mm；硅片经激光切割机切割后，经RCA清洗法清洗[11-12]，沉积设备为国产北京创世威科技有限公司生产的HW-PECVD-1E型设备；采用射频光电导（R F-PCE，仪器型号WCT-120）与微波光电导（MW-PCD,仪器型号WT-2000PV）测试硅片少子寿命，RF-PCD测试结果能直接反应钝化效果，MW-PCD测试结果则体现硅片整体钝化性能是否均匀，椭偏仪为匈牙利Semilab公司生产的GES5-E。除衬底温度外，气体其他工艺参数如下[13]：功率12 W，气压22 Pa，流量比SiH4:H2:CO2=3:15:0.6 mL/min，沉积时间10 min，衬底温度分别取值25℃（室温）、100℃、180℃、200℃、220℃、250℃。
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图1为WCT-120法测出的室温（25℃）沉积i-a-SiOx:H后硅片少子寿命结果，本次实验共有6个硅片，图1（a）是所有样品少子寿命随注入浓度 的结果（MW-PCD测试法），图1（b）为注入浓度1×1015 cm−3硅片的少子寿命。
图1可知，不加热n-Cz-Si表面沉积i-a-SiOx:H作为钝化材料对硅片钝化效果不理想，这应该是室温（25℃）沉积i-a-SiOx:H不能较好的钝化硅片悬挂键，与25℃沉积氢化非晶硅i-a-Si:H钝化性能不优相似。从图1（a）还可以显著得知，少子寿命随注入浓度增加减小明显，这应该理解为硅片沉积i-a-SiOx:H后仍存在相当数量的空位和其他缺陷，注入浓度为1×1015 cm−3时，少子寿命在1～2 μs之间，说明室温沉积i-a-SiOx:H钝化n-Cz-Si效果不理想。
图2为椭偏仪测的室温条件下双面沉积i-a- SiOx:H膜后n-Cz-Si的介电常数实部与虚部。
图2中介电常数实部（ε1）与虚部（ε2）特征峰与非晶硅介电常数特征峰吻合度高，说明沉积的薄膜确属非晶相[14-15]。为获得较好钝化性能的i-a-SiOx:H膜，研究沉积衬底温度对i-a-SiOx:H钝化性能的影响，继续不同衬底温度沉积i-a-SiOx: H膜实验，测的少子寿命结果如图3所示，本批实验3个硅片。
图3为1号位置硅片不同衬底温度n-Cz-Si双面沉积i-a-SiOx:H膜后的少子寿命结果，少子寿命测试结果表明i-a-SiOx:H钝化性能与沉积衬底温度关系密切，温度为100℃以下时硅片少子寿命少于10 μs，钝化效果不太理想，这可理解为温度低对SiH4热分解不利，难于钝化悬挂键，文献[16-17]得知，SiH4热分解及反应过程，会产生硅原子和氢原子，分解出来的和H2中的氢原子会让硅片中悬挂键得到补偿，起到钝化硅片的作用。从图3还得知，硅片少子寿命随衬底温度升高，出现先增大然后减少的变化趋势，220℃时达最大为747 μs (注入浓度1×1015 cm−3)。3个硅片注入浓度均取为1×1015 cm−3，少子寿命结果如图4。3个硅片少子寿命随沉积温度变化趋势一致，最优温度在200℃～220℃（不同位置略有不同），说明本实验设备及气体沉积工艺参数条件下，PECVD法沉积i-a-SiOx:H衬底温度可设置为210℃，跟文献[18]研究结论基本一致。
图5为采用微波光电导（MW-PCD）测试法所得1号位置硅片少子寿命扫描结果。颜色深黑表示少子寿命高，红色表示少子寿命低，整块硅片少子寿命并不均匀，温度越高越明显，这可理解为硅片表面各处气流差异带来辉光放电不同，导致各处薄膜厚度及成分有所差别。为研究RF-PCD法与MW-PCD法测试结果表征钝化性能异同，表1列出了图5主要特征值，并与RF-PCD法测试结果比较。
表1 给出了MW-PCD法测的少子寿命主要特征值，硅片各处少子寿命不均匀，此处以平均值说明其钝化性能。从表1可知，MW-PCD法和RF-PCD法测试结果均可看出，少子寿命随衬底温度升高呈现先增加再减小的变化趋势，220℃为最大，但二者的数据并不一样，说明它们的测试原理有所不同，MW-PCD是瞬态方法，所用仪器型号Semilab WT采用200 ns波长904 nm的脉冲激光注入从而产生非平衡载流子，对硅片反射回来的微波功率随时间变化情况记录光电导衰减；而RF-PCD是非接触检测，仪器型号为WCT-120是通过硅片少子寿命选择瞬态测试或者准瞬态测试。沉积薄膜均匀性不够好，少子寿命分布不均匀，一般选取RF-PCD测试结果更为可靠，二者测试结果差别明显[19]。图6为1号位置硅片椭偏测试结果，结果表明：测的介电常数实部和虚部符合非晶硅特征峰，表明沉积的i-a-SiOx:H膜属非晶相，符合预期实验要求。
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实验采用PCEVD法在n-Cz-Si表面沉积不同衬底下本征氢化非晶氧化硅（i-a-SiOx:H），i-a-SiOx:H膜钝化性能与衬底温度关系密切，室温沉积硅片钝化效果不理想，沉积i-a-SiOx:H后硅片少子寿命随衬底温度升高呈现先增加后减小，钝化效果先优再劣的变化趋势，室温（25℃）少子寿命最低，少子寿命最高、钝化效果最优温度为200℃～220℃（不同位置略有差异），说明衬底温度过高过低都对i-a-SiOx:H膜钝化性能不利。
衬底温度对氢化非晶氧化硅（i-a-SiOx:H）钝化 性能的影响研究
Effect of Substrate Temperature on Passivation Properties of Hydrogenated Amorphous Silicon Oxide (i-a-SiOx:H)
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摘要: 本征氢化非晶氧化硅（i-a-SiOx:H）是a-Si:H/c-Si异质结太阳电池中重要的钝化材料之一。本文采用PECVD法研究不同沉积衬底温度下n-Cz-Si表面沉积i-a-SiOx:H的钝化性能，采用微波光电导(MW-PCD)和射频光电导(RF-PCD)两种方法测试硅片少子寿命，光谱型椭偏仪检验沉积薄膜的晶型。结果表明：（1）椭偏仪结果显示实验所沉积薄膜为所需非晶型；（2）MW-PCD与RF-PCD法测试均显示，n-Cz-Si双面室温（25℃）沉积i-a-SiOx:H后硅片少子寿命很低，随沉积衬底温度升高硅片少子寿命先增加后减少，25℃少子寿命最低，200℃～220℃(不同位置略有差别）少子寿命最高、钝化效果最优。
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关键词:
- 衬底温度 /
- 少子寿命 /
- i-a-SiOx:H /
- 钝化性能 /
- 椭偏仪
Abstract: Intrinsic hydrogenated amorphous silicon oxide (i-a-SiOx:H) is one of the important passivation materials in a-Si: H/c-Si heterojunction solar cells. In this paper, the passivation properties of i-a-SiOx:H deposited on the surface of n-Cz-Si at different substrate temperatures were studied by PECVD. The minority carrier lifetime of silicon wafers was measured by microwave photo-conductivity (MW-PCD) and radio frequency photo-conductivity (RF-PCD). The crystal form of the deposited films was examined by spectroscopic ellipsometry. The results show that: (1) the ellipsometer results show that the deposited films are amorphous; (2) MW-PCD and RF-PCD tests show that the minority carrier lifetime of the silicon wafer is very low after i-a-SiOx:H deposited on both sides of n-Cz-Si at room temperature. With the increase of deposition substrate temperature, the minority carrier lifetime of the silicon wafer increases first and then decreases, and the passivation effect is optimal at 200℃~ 220℃.-
Key words:
- Substrate temperature /
- Minority carrier lifetime /
- i-a-SiOx:H /
- Passivation performance /
- Ellipsometer .
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图 1 n-Cz-Si室温沉积i-a-SiOx:H膜后硅片少子寿命（MW-PCD测试法）。(a)少子寿命随注入浓度变化，(b)注入浓度1×10 15 cm−3 硅片少子寿命
Figure 1. Minority carrier lifetime of n-Cz-Si after deposition of i-a-SiOx: H film at room temperature. (a) Minority carrier lifetime changes, (b) lifetime of silicon wa- with injection concentration fer with 1×10 15 cm−3
图 2 室温沉积i-a-SiOx:H膜硅片介电常数。(a)实部， (b)虚部
Figure 2. Dielectric constant of silicon wafer with i-a-SiOx: H films deposited at room temperature. (a)Real part, (b) imaginary part
图 3 不同衬底温度a-SiOx:H膜钝化后硅片少子寿命。(a)不同注入浓度硅片少子寿命，(b)注入浓度为1×1015 cm−3 时少子寿命
Figure 3. Minority carrier lifetime of silicon wafer after a-SiOx: H film passivation at different substrate temperatures. (a)Lifetime of silicon wafers with, (b)lifetime of injection different injection concentration concentration 1×1015 cm−3
图 4 不同衬底温度i-a-SiOx:H膜钝化后硅片少子寿命
Figure 4. Lifetime of silicon wafer after passivation of i-a-SiOx: H films at different substrate temperatures
图 5 i-a-SiOx:H膜钝化后硅片少子寿命
Figure 5. Minority carrier lifetime of silicon wafer after passivation of i-a-SiOx: H film
图 6 不同衬底温度沉积 i-a-SiOx:H膜硅片介电常数谱。（a）实部，（b）虚部
Figure 6. Dielectric constant of silicon wafer with i-a-SiOx: H films deposited at different temperatures. (a) Real part, (b) imaginary part
表 1 MW-PCD法测试硅片少子寿命主要特征值（单位：μs）
Table 1. Main characteristic values of minority carrier lifetime of silicon wafer tested by MW-PCD method （μs）
温度/℃ 最小 最大 平均值 RF-PCD 25 2 4 3 2 100 3 9 7 6 180 15 419 192 423 200 19 92 250 634 220 22 1886 316 747 250 41 655 285 487 
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