用于硅基薄膜太陽(yáng)電池的大面積VHF-PECVD系統(tǒng)模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)是硅基薄膜太陽(yáng)電池的主要制備技術(shù)。目前,非晶硅(a-Si:H)薄膜太陽(yáng)電池的工業(yè)化生產(chǎn),主要采用13.56MHz激發(fā)的電容耦合平行板電極PECVD反應(yīng)室。然而,對(duì)于微晶硅薄膜太陽(yáng)電池,采用高于13.56MHz激發(fā)頻率的甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(VHF-PECVD),既可以實(shí)現(xiàn)微晶硅薄膜的高速率沉積,又能改善微晶硅薄膜材料性能。但是,硅基薄膜太陽(yáng)電池的制備要求薄膜厚度非均勻性低于士10％,而激發(fā)

2、頻率的提高使PECVD沉積薄膜的均勻性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本論文針對(duì)大面積VHF-PECVD系統(tǒng)沉積薄膜的均勻性問(wèn)題,進(jìn)行了以下幾方面的研究工作:
　　 (一)大面積VHF-PECVD反應(yīng)室的電磁場(chǎng)模擬
　　 1、針對(duì)平行板電極VHF-PECVD反應(yīng)室,建立了準(zhǔn)平面二維電路模型,應(yīng)用該模型首先在真空條件下研究了激發(fā)頻率、電極尺寸及功率饋入方式對(duì)電極間電勢(shì)差分布均勻性的影響。研究結(jié)果表明:在電極面積和激發(fā)頻率確定的情況下,功率饋

3、入點(diǎn)數(shù)量和位置的優(yōu)化是改善電極間電勢(shì)差分布均勻性的有效手段;對(duì)于激發(fā)頻率為40.68MHz和電極尺寸為1.2×0.8m2的VHF-PECVD反應(yīng)室,通過(guò)功率饋入點(diǎn)數(shù)量和位置的優(yōu)化計(jì)算,電極間真空電勢(shì)差分布非均勻性可以降低到±2.5%。
　　 基于等離子體對(duì)電磁波衰減作用的考慮,本論文在引入波長(zhǎng)衰減因子條件下,應(yīng)用準(zhǔn)平面二維電路模型進(jìn)行了電極間電勢(shì)差分布均勻性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示,隨波長(zhǎng)衰減因子增加,電極間電勢(shì)差分布非均勻性顯著增加

4、。
　　 2、應(yīng)用HFSS三維電磁場(chǎng)仿真軟件,首先針對(duì)梯形電極VHF-PECVD反應(yīng)室進(jìn)行了電磁場(chǎng)模擬。梯形電極反應(yīng)室的電磁場(chǎng)模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果具有很好的吻合。這驗(yàn)證了HFSS軟件模擬大面積VHF-PECVD反應(yīng)室電磁場(chǎng)分布的有效性。
　　 基于HFSS對(duì)梯形電極反應(yīng)室的電磁場(chǎng)模擬,我們進(jìn)一步應(yīng)用HFSS軟件對(duì)平行板電極VHF-PECVD反應(yīng)室進(jìn)行了三維電磁場(chǎng)模擬。模擬結(jié)果表明:對(duì)于邊緣功率饋入的

5、大面積VHF-PECVD反應(yīng)室,在鄰近功率饋入點(diǎn)的局部區(qū)域存在較大表面電流密度,它導(dǎo)致了功率饋入點(diǎn)局部區(qū)域電場(chǎng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非均勻分布。針對(duì)這種功率饋入端局部區(qū)域電場(chǎng)非均勻分布,我們創(chuàng)新性地提出采用刻槽式電極、異形電極和背饋入式電極來(lái)減小饋入點(diǎn)局部區(qū)域表面電流密度分布,改善電場(chǎng)分布均勻性。
　　 針對(duì)上面提出的背饋入平行板功率電極VHF-PECVD反應(yīng)室,應(yīng)用HFSS研究了接地電極對(duì)電極間電場(chǎng)分布的影響。通過(guò)兩種接地方式的模擬結(jié)果比

6、較看到,接地方式對(duì)電極間電場(chǎng)分布也有重要的影響。此外,由反應(yīng)室電磁場(chǎng)的模擬結(jié)果顯示,對(duì)于多點(diǎn)功率饋入,功率饋入端之間很小的相位差將導(dǎo)致電極間電場(chǎng)分布的改變。
　　 (二)大面積噴淋式(Showerhead)VHF-PECVD反應(yīng)室流體場(chǎng)模擬
　　 考慮到薄膜均勻性不僅與電極間電磁場(chǎng)分布有關(guān),而且還與電極間氣體流動(dòng)及氣壓分布相關(guān),因而本文利用CFD-ACE+商業(yè)軟件對(duì)大面積噴淋式平板電極VHF-PECVD反應(yīng)室的流場(chǎng)分布進(jìn)

7、行了模擬研究。通過(guò)二維"H"形電極區(qū)域模型的流場(chǎng)模擬結(jié)果看到,從電極中心到電極邊緣,電極間氣體流速逐漸增大,而氣壓分布逐漸降低。鑒于氣壓分布對(duì)薄膜沉積均勻性的影響,繼而研究了電極間氣壓分布均勻性隨氣體流量Q、工作氣壓P0和電極間距d的變化。模擬結(jié)果表明,隨工作氣壓和電極間距增加,電極間氣壓分布非均勻性降低;而氣體流量增加,氣壓分布非均勻性增加。
　　 對(duì)于大面積矩形反應(yīng)室,二維"H"形電極區(qū)域模型儀能反映一個(gè)截面的流場(chǎng)分布信息,

8、不能充分反映出整個(gè)大面積電極區(qū)域的流場(chǎng)分布情況。因此,我們進(jìn)一步進(jìn)行了反應(yīng)室的三維流場(chǎng)模擬。在反應(yīng)室三維流場(chǎng)模擬中,我們應(yīng)用多孔介質(zhì)模型研究了Showerhead電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)電極間流場(chǎng)分布的影響。通過(guò)兩種Showerhead電極反應(yīng)室流場(chǎng)模擬結(jié)果的比較,清楚地看到Showerhead電極內(nèi)部二次布?xì)庋b置對(duì)電極間氣壓分布均勻性的改善。
　　 (三)大面積VHF-PECVD反應(yīng)室等離子體模擬
　　 基于前面對(duì)反應(yīng)室電極間電

9、場(chǎng)分布和流體場(chǎng)分布的模擬,本文進(jìn)一步引入等離子體,通過(guò)建立的二維流體自適應(yīng)等離子體模型,首先在假設(shè)電場(chǎng)分布均勻的情況下,研究了電極間氣壓非均勻分布對(duì)等離子體分布均勻性的影響。不同流量下的模擬結(jié)果顯示,電極間氣壓非均勻分布使電極間等離子體呈現(xiàn)非均勻分布。然而,從定量上看,在氣體總流量不是特別大的情況下,這種氣壓分布對(duì)電極間等離子體分布均勻性影響比較小。
　　 其次,結(jié)合前面電極間真空電勢(shì)差的計(jì)算結(jié)果,研究了電場(chǎng)非均勻分布對(duì)等離子體

10、分布均勻性的影響。非均勻電場(chǎng)分布條件下的等離子體模擬結(jié)果表明:隨激發(fā)頻率的增加,電極間電場(chǎng)分布均勻性成為決定薄膜均勻性的主要因素。另外,不同電極電壓的等離子體模擬結(jié)果表明,輝光功率也是影響薄膜均勻性的重要參數(shù)之一。
　　 考慮到實(shí)際大面積VHF-PECVD反應(yīng)室電極間距總存在一定的偏差,本論文以一個(gè)非平行電極反應(yīng)室模型為例,模擬了電極間距變化對(duì)薄膜沉積均勻性的影響。模擬結(jié)果表明,電極間距偏差也是影響薄膜厚度均勻性和材料微結(jié)構(gòu)均勻

11、性重要因素之一。
　　 (四)大面硅薄膜材料及非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池的制備
　　 基于大面積VHF-PECVD反應(yīng)室電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)和等離子體的模擬研究結(jié)果,我們自行設(shè)計(jì)和制造了國(guó)內(nèi)首套五室VHF-PEVD系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在甚高頻下進(jìn)行大面積非晶硅、微晶硅薄膜的均勻沉積。
　　 根據(jù)前面不同流量、不同電極電壓以及非恒定電極間距下的等離子體模擬,在實(shí)驗(yàn)上,通過(guò)對(duì)輝光功率、電極間距、氣體流量等工藝參數(shù)的綜合優(yōu)化,應(yīng)