PECVD工藝中RF射頻功率對μc-Si:H薄膜各項參數(shù)影響

HJT太陽能電池已經(jīng)在正、背表面實現(xiàn)了鈍化接觸，因此獲得了較高的開路電壓，明顯高于TOPCon電池和PERC電池。但正表面的非晶硅層存在較為嚴重的寄生吸收，造成HJT電池在短路電流方面并不占優(yōu)勢。解決該問題的思路之一在于使用微晶硅代替非晶硅。從工藝上來講，微晶硅的形成需要改變通入硅烷與氫氣的稀釋率，RF射頻功率和沉積壓強，來提高微晶硅薄膜的晶化率。美能晶化率測試儀采用325nm激光器，可實現(xiàn)5nm以上非晶/微晶材料的原位測試；搭配高光譜分辨率、極低雜散光的光譜儀，保證光譜數(shù)據(jù)的準確性和重復性。根據(jù)用戶需求研發(fā)出晶化率擬合軟件，高效精準輸出晶化率數(shù)值。

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的差異，硅薄膜材料可以分為單晶硅薄膜、多晶硅薄膜和非晶硅薄膜。

單晶硅、多晶硅、非晶硅結(jié)構(gòu)示意圖

非晶硅（a-Si:H）是一種成熟的材料，在光伏和微電子領域，它已被廣泛應用于開發(fā)大面積薄膜太陽能電池和薄膜晶體管（TFT）。但由于其原子的順序很短：這種順序主要與共價鍵的長度和鍵角有關，而鍵角只在最鄰近的原子之間維持。因此，a-Si:H具有較差的運輸特性，低電子遷移率，懸空鍵密度大，并且在光照射下會降解（Staebler-Wronski效應）。

多晶硅（poly-si）擁有良好的運輸特性，但由于需要使用較高的沉積溫度（600℃），這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是一種硅基薄膜，是由PECVD在低溫（≤200℃）下制成的，不同于非晶硅和多晶硅，微晶硅μc-Si:H生長在不同取向的晶體柱中，柱狀間由非晶硅組成的邊界隔開。

微晶硅μc-Si:H的帶隙和吸收系數(shù)與非晶硅不同，具有更高的電導率，更高的紅外吸收率，對太陽輻射（光吸收）的穩(wěn)定性更高。另一方面，μc-Si:H在低溫（200℃）下沉積，也表現(xiàn)出高載流子遷移率、高穩(wěn)定性和高電導率。

通常，μc-Si:H薄膜由甲硅烷（SiH4）和氫（H2）混合氣體制成，但也可以采用甲硅烷（SiH4）、氫（H2）和氬（Ar）混合氣體制成。制成μc-Si:H薄膜的主要參數(shù)是H2的稀釋度、適中的RF射頻功率和較高的沉積壓強，通過優(yōu)化這些參數(shù)，來提高結(jié)晶率Xc，并優(yōu)化其性能特征。

RF射頻功率對微晶硅薄膜的厚度、沉積速率、表面粗糙度及晶化率Xc的影響

我們通過對在PECVD反應器中以200℃的溫度下，用不同RF射頻功率（20、25、30、35、40、45W）沉積30分鐘后，制成μc-Si:H薄膜進行研究，我們發(fā)現(xiàn)不同的RF射頻功率對薄膜的厚度、沉積速率、表面粗糙度、晶化率Xc等特性產(chǎn)生了一定的影響。

表.不同RF射頻功率對μc-Si:H薄膜的厚度、沉積速率、表面粗糙度以及晶化率Xc的影響數(shù)據(jù)

沉積速率是通過薄膜的平均厚度和沉積時間計算得出的。下圖顯示了沉積速率與RF射頻功率的關系。從圖中可以看出，沉積速率隨RF射頻功率的增加而降低，

μc-Si：H薄膜的沉積速率和與RF射頻功率的關系

很明顯，在增加RF射頻功率沉積薄膜時，薄膜的粗糙度也在隨之增加。據(jù)相關文獻研究表明，μc-Si:H薄膜中較大的粗糙度值與較大的晶體尺寸有關。

下圖顯示了不同RF射頻功率沉積的μc-Si:H薄膜的3D圖像。從測量中我們提取了平均粗糙度（Sa）和均方根粗糙度（RMS）值。

不同RF功率沉積的μc-Si:H薄膜的3D圖像

拉曼分析

拉曼光譜可用于μc-Si:H薄膜的表征。下圖顯示了不同RF功率水平下沉積薄膜的拉曼光譜圖?？梢园l(fā)現(xiàn)在光譜中520cm-1處有一個明顯的峰。所有的樣品晶化率Xc在64-75%的范圍內(nèi)，在25W的RF射頻功率下沉積的薄膜具有最大的晶化率Xc。

上面我們講到，對于μc-Si:H的沉積，需要三個條件。在沉積的過程中，會發(fā)生H2刻蝕過程。在較高的RF射頻功率的影響下會促進H2的刻蝕過程，從而影響薄膜的晶化率Xc。

為什么要測試拉曼光譜？

用拉曼光譜法可以測量評估硅基薄膜的晶化率。拉曼是一種光散射技術(shù)。激光光源的高強度入射光被分子散射時，大多數(shù)散射光與入射激光具有相同的波長，這種散射稱為瑞利散射（彈性散射）。然而，還有極小一部分（大約1/109）散射光的波長與入射光不同，其波長的改變由測試樣品（所謂散射物質(zhì)）的化學結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射（非彈性散射）。

對不同工藝參數(shù)制備的薄膜，通過拉曼光譜可以了解硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和鈍化效果，通過表征薄膜的晶化率，來判斷薄膜的導電性能，為制備高質(zhì)量的薄膜提供優(yōu)化方向。因此拉曼光譜表征成為薄膜太陽能電池研發(fā)過程中的重要部分。

美能晶化率測試儀

Millennial Galaxy Solar晶化率測試儀可適用于測試拉曼光譜，設備擁有極佳的紫外靈敏度和優(yōu)異的光譜重復性，采用325nm激光器，可實現(xiàn)5nm以上非晶/微晶材料的原位測試；搭配高光譜分辨率、極低雜散光的光譜儀，保證光譜數(shù)據(jù)的準確性和重復性。根據(jù)用戶需求研發(fā)出晶化率擬合軟件，高效精準輸出晶化率數(shù)值。

• 紫外靈敏度硅-階峰信號計數(shù)優(yōu)于1000

• 325nm激光器，1s積分時間

• 5nm以上非晶/微晶材料原位測試

一鍵晶化率分析軟件，大幅提高測試精準度

對于薄膜太陽能電池應用，μc-Si:H已經(jīng)得到了廣泛的研究。目前，已經(jīng)開發(fā)出a-Si:H/μc-Si:H串聯(lián)太陽能電池（微晶太陽能電池），其穩(wěn)定效率高達12%。美能晶化率測試儀擁有強大的適應光伏行業(yè)晶化率測試功能，支持過程片原位測試，以適配光伏行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)，幫助廠商在制造高效率的太陽能電池過程中更加輕松的面對各項難題。

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