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氮化硅和碳化硅及其复合双层减反射膜研究

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标签: 碳化硅、氮化硅、减反射膜

碳化硅、氮化硅、减反射膜

氮化硅和碳化硅及其复合双层减反射膜研究

摘  要 

太阳电池的转换效率的提高一直是太阳能光伏行业研究的热点,在太阳电池表面

形成减反射膜是提高其转换效率的有效途径之一。目前太阳电池减反射膜在实际应用

中主要采用等离子体化学气相沉积法制备的  SiNx  减反射膜,但生产过程中由于使用

硅烷气体而存在安全隐患,采用磁控溅射法能避免上述问题的出现并在低温环境下制

备得到非晶的  SiNx  薄膜;另外,由于双层减反射膜的减反效果明显优于单层减反射

膜,且  SiC  薄膜在太阳电池窗口层中已有广泛应用,具有良好的光学、力学性能、抗

辐射性能和钝化能力,将它们用作双层减反射膜材料并研究其组织结构、形貌特征、

力学和光学性能对提高太阳电池的使用寿命具有重要意义。

本文以石英玻璃和不锈钢作为基底材料,采用射频磁控溅射SiC、SiNx陶瓷靶的

方法,通过改变溅射时间,溅射功率,工作压强等沉积条件,制备了一系列的SiC、

SiNx薄膜,并采用TCFCAL光学薄膜设计软件设计得到的SiC/SiNx双层减反射膜,采

用划痕仪,紫外-可见光分光光度计,X射线衍射仪(XRD),原子力显微镜(AFM),椭

圆偏振仪等设备对薄膜的组织结构和力学、光学性能进行了研究。主要结论如下:

(1)SiNx  薄膜试样中一定含有  Si-N2-Si2  键合结构,而  SiC  薄膜主要以  Si-C  键形

式存在,可能含有  Si-C-H  键;SiNx、SiC  薄膜和  SiC/SiNx  双层减反射膜都以非晶结

构存在,都可能含有微晶结构,其中  SiC  薄膜在  35.6º衍射角处存在一个微弱的(111)

衍射峰,SiC/SiNx  双层减反射膜在  22°衍射角附近可能存在衍射峰,SiNx、SiC  薄膜

经过  1000℃真空退火处理后非晶结构稳定,高温稳定性好;

(2)在  100W~175W  溅射功率范围内,SiNx、SiC  薄膜晶粒呈柱状或颗粒状生长,

均呈椭圆状;高温退火处理可明显改善  SiNx、SiC  薄膜的表面结构,能大大减小其表

面均方根粗糙度  Rrms  并有助于细化晶粒,得到更加平滑均匀的致密性优良的薄膜,当

溅射功率为  125W  时,SiNx  薄膜晶粒细化效果尤为明显;在  100W  溅射功率下,不同

氩气压强下的  SiNx  薄膜的都呈现出良好的膜层结构,颗粒尺寸均匀性好,膜层致密

性良好,在  1.0Pa  溅射压强下可制备得到平滑致密的  SiNx  薄膜;在  75W~175W  的溅

射功率范围内,SiC  薄膜随着溅射功率的增大,颗粒度的总体变化呈现先增大后减小

II

的趋势,但不同氩气压强条件下出现最大颗粒尺寸时的溅射功率大小有所不同;而

SiC/SiNx  薄膜随着溅射时间的增加其颗粒直径和粗糙度均变大;  (3)SiNx、SiC  薄膜的复合显微硬度随着溅射功率的增加而不断递增,膜基结

合力也呈现增大的趋势,且当溅射功率为  150W  时它们的硬度变化明显;膜基结合力

与复合显微硬度变化曲线规律性相似;

(4)75W~175W  溅射功率范围内的  SiNx、SiC  薄膜的生长速率随着溅射功率的

增大而不断增大,但  SiNx  薄膜生长速率呈线性增长,由  6.440nm·min-1  提高到

13.052nm·min-1;SiC  薄膜的生长速率增幅在  150W  溅射功率时突然变缓;SiNx、SiC

薄膜随着溅射功率的增加薄膜的折射率也逐渐变大,SiNx  薄膜折射率变化范围维持在

1.72~2.25;而  SiC  薄膜的折射率大小在  1.71~2.95  范围内变化,且在较低溅射功率

下薄膜折射率变化不大;

(5)SiNx  减反射膜的透射率在  100W  溅射功率和  2.0Pa  氩气压强条件下表现更

为优异,而  SiC  单层减反射膜在  125W  和  3.0Pa  的溅射工艺下透射率更好;SiNx  薄膜

在溅射功率为  100W  时具有高达  85%的透射率,而  SiC  薄膜在  125W  溅射功率附近具

有更加优异的透射性能,它们在氩气压强为  2.0Pa  时薄膜都具有更佳优异的透射性能,

且经过退后处理后的薄膜透射率均有所下降,随着退火温度的升高透射率也随之下

降;

(6)理论设计得出  SiC、SiNx  的膜层厚度分别为  76.4nm和  106.8nm时的  SiC/SiNx

双层膜具有最佳减反效果。

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