PECVD工艺中RF射频功率对μc-Si:H薄膜各项参数影响

HJT太阳能电池已经在正、背表面实现了钝化接触，因此获得了较高的开路电压，明显高于TOPCon电池和PERC电池。但正表面的非晶硅层存在较为严重的寄生吸收，造成HJT电池在短路电流方面并不占优势。解决该问题的思路之一在于使用微晶硅代替非晶硅。从工艺上来讲，微晶硅的形成需要改变通入硅烷与氢气的稀释率，RF射频功率和沉积压强，来提高微晶硅薄膜的晶化率。美能晶化率测试仪采用325nm激光器，可实现5nm以上非晶/微晶材料的原位测试；搭配高光谱分辨率、极低杂散光的光谱仪，保证光谱数据的准确性和重复性。根据用户需求研发出晶化率拟合软件，高效精准输出晶化率数值。

 

 

根据晶体结构的差异，硅薄膜材料可以分为单晶硅薄膜、多晶硅薄膜和非晶硅薄膜。

 

单晶硅、多晶硅、非晶硅结构示意图

 

 

非晶硅（a-Si:H）是一种成熟的材料，在光伏和微电子领域，它已被广泛应用于开发大面积薄膜太阳能电池和薄膜晶体管（TFT）。但由于其原子的顺序很短：这种顺序主要与共价键的长度和键角有关，而键角只在最邻近的原子之间维持。因此，a-Si:H具有较差的运输特性，低电子迁移率，悬空键密度大，并且在光照射下会降解（Staebler-Wronski效应）。

 

多晶硅（poly-si）拥有良好的运输特性，但由于需要使用较高的沉积温度（600℃），这限制了其在玻璃和柔性基底上集成。

 

微晶硅μc-Si：H薄膜

微晶硅μc-Si:H是一种硅基薄膜，是由PECVD在低温（≤200℃）下制成的，不同于非晶硅和多晶硅，微晶硅μc-Si:H生长在不同取向的晶体柱中，柱状间由非晶硅组成的边界隔开。

 

微晶硅μc-Si:H的带隙和吸收系数与非晶硅不同，具有更高的电导率，更高的红外吸收率，对太阳辐射（光吸收）的稳定性更高。另一方面，μc-Si:H在低温（200℃）下沉积，也表现出高载流子迁移率、高稳定性和高电导率。

 

通常，μc-Si:H薄膜由甲硅烷（SiH4）和氢（H2）混合气体制成，但也可以采用甲硅烷（SiH4）、氢（H2）和氩（Ar）混合气体制成。制成μc-Si:H薄膜的主要参数是H2的稀释度、适中的RF射频功率和较高的沉积压强，通过优化这些参数，来提高结晶率Xc，并优化其性能特征。

 

 

RF射频功率对微晶硅薄膜的厚度、沉积速率、表面粗糙度及晶化率Xc的影响

我们通过对在PECVD反应器中以200℃的温度下，用不同RF射频功率（20、25、30、35、40、45W）沉积30分钟后，制成μc-Si:H薄膜进行研究，我们发现不同的RF射频功率对薄膜的厚度、沉积速率、表面粗糙度、晶化率Xc等特性产生了一定的影响。

 

表.不同RF射频功率对μc-Si:H薄膜的厚度、沉积速率、表面粗糙度以及晶化率Xc的影响数据

 

沉积速率是通过薄膜的平均厚度和沉积时间计算得出的。下图显示了沉积速率与RF射频功率的关系。从图中可以看出，沉积速率随RF射频功率的增加而降低，

 

μc-Si：H薄膜的沉积速率和与RF射频功率的关系

 

很明显，在增加RF射频功率沉积薄膜时，薄膜的粗糙度也在随之增加。据相关文献研究表明，μc-Si:H薄膜中较大的粗糙度值与较大的晶体尺寸有关。

 

下图显示了不同RF射频功率沉积的μc-Si:H薄膜的3D图像。从测量中我们提取了平均粗糙度（Sa）和均方根粗糙度（RMS）值。

 

不同RF功率沉积的μc-Si:H薄膜的3D图像

 

 

拉曼分析

拉曼光谱可用于μc-Si:H薄膜的表征。下图显示了不同RF功率水平下沉积薄膜的拉曼光谱图。可以发现在光谱中520cm-1处有一个明显的峰。所有的样品晶化率Xc在64-75%的范围内，在25W的RF射频功率下沉积的薄膜具有最大的晶化率Xc。

 

上面我们讲到，对于μc-Si:H的沉积，需要三个条件。在沉积的过程中，会发生H2刻蚀过程。在较高的RF射频功率的影响下会促进H2的刻蚀过程，从而影响薄膜的晶化率Xc。

 

 

为什么要测试拉曼光谱？

用拉曼光谱法可以测量评估硅基薄膜的晶化率。拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多数散射光与入射激光具有相同的波长，这种散射称为瑞利散射（弹性散射）。然而，还有极小一部分（大约1/109）散射光的波长与入射光不同，其波长的改变由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射（非弹性散射）。

 

对不同工艺参数制备的薄膜，通过拉曼光谱可以了解硅薄膜的微观结构和钝化效果，通过表征薄膜的晶化率，来判断薄膜的导电性能，为制备高质量的薄膜提供优化方向。因此拉曼光谱表征成为薄膜太阳能电池研发过程中的重要部分。

美能晶化率测试仪

 

 

 

Millennial Galaxy Solar晶化率测试仪可适用于测试拉曼光谱，设备拥有极佳的紫外灵敏度和优异的光谱重复性，采用325nm激光器，可实现5nm以上非晶/微晶材料的原位测试；搭配高光谱分辨率、极低杂散光的光谱仪，保证光谱数据的准确性和重复性。根据用户需求研发出晶化率拟合软件，高效精准输出晶化率数值。

 

 

 

• 紫外灵敏度硅-阶峰信号计数优于1000

 

• 325nm激光器，1s积分时间

 

• 5nm以上非晶/微晶材料原位测试

 

一键晶化率分析软件，大幅提高测试精准度

 

 

对于薄膜太阳能电池应用，μc-Si:H已经得到了广泛的研究。目前，已经开发出a-Si:H/μc-Si:H串联太阳能电池（微晶太阳能电池），其稳定效率高达12%。美能晶化率测试仪拥有强大的适应光伏行业晶化率测试功能，支持过程片原位测试，以适配光伏行业的研发和生产，帮助厂商在制造高效率的太阳能电池过程中更加轻松的面对各项难题。

 

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