PECVD沉积SiNx:H薄膜HID氢诱导退化的研究

PECVD SiNx:H 薄膜常用作晶硅太阳能电池的减反射和钝化层，其钝化效果与氢含量有关，但该薄膜在光照和热辐射下会发生氢致退化（HID）。光照后，p型和n型样品的有效少数载流子寿命值和带间PL强度显著降低。光诱导退化与氢和氧相关缺陷有关，FTIR和PL光谱技术能够识别出导致光诱导体积和表面退化的化学物种。

样品制备：采用 Cz 法生长的硼掺杂 p 型和磷掺杂 n 型双面抛光电池，经 RCA 清洗后，在双面沉积 SiNx:H 钝化层，再进行快速热退火处理，样品封装于太阳能玻璃内。

印度孟买平均太阳辐照度变化

实验过程：在印度孟买户外进行光照实验（2020 年 1 月 - 3 月），测量光照强度、环境温度及湿度，用多种仪器测量样品的少子寿命、光致发光强度、化学物种变化等参数。

太阳辐照度在4.56 kWh/m² 至 5.60 kWh/m²之间波动，反映了户外光照条件的变化，为后续样品光照实验提供环境数据基础，表明样品在不同辐照度下接受光照，对研究光照对样品的影响具有重要意义。电学性能的表征

少子寿命的变化

p 型和n型样品光照后少子寿命变化

p 型样品在长达111h 的光照过程中，少子寿命从初始的84μs降至35μs，表明光照引入缺陷，增加了复合中心，导致少子寿命降低，且少子寿命随光照时长增加而降低，累积辐照度增加也对少子寿命产生影响。

n 型样品在111h 光照期间，少子寿命从135μs 降至93μs，同样说明光照导致缺陷产生，使少子寿命下降，其变化趋势与p 型样品相似，体现光照对不同类型样品少子寿命影响的共性。光照前后PL强度变化

p 型和 n 型样品光照前后 PL 强度变化

p 型和 n 型样品在光照前和光照 111h 后的Si带间PL强度图像，光照后整个样品区域PL 强度显著降低，且传感器区域内PL强度变化与少子寿命测量变化一致，进一步证明光照对样品产生影响，导致样品内部复合过程发生变化，影响了PL发射归一化缺陷密度变化

p 型和 n 型样品表观归一化缺陷密度变化

两种样品的缺陷密度均增加，p 型从 3.39×10⁻³μs⁻¹ 升至 1.68×10⁻²μs⁻¹，n 型从 3.42×10⁻⁴μs⁻¹ 升至 3.46×10⁻³μs⁻¹，且在光照 73h 后变化率最大，之后趋于饱和，表明光照过程中缺陷产生和演化存在一定规律，对理解样品退化机制有重要意义。

复合电流密度和体寿命变化

n 型样品表面复合电流密度和体寿命变化

光照后表面复合电流密度从259 fA/cm²增加到502 fA/cm²，体寿命从166μs 降至124μs，说明光照导致n型样品表面和体性能退化，与之前少子寿命和 PL 强度变化结果相互印证，共同反映光照对样品电学性能的影响。光学性能的表征

光照前后FTIR光谱

p 型和 n 型样品在光照73h前后的 FTIR 光谱

在 400 cm⁻¹ 至 3500 cm⁻¹ 的光谱范围内，观察到与 Si-N、Si-H 和氧相关的吸收峰。其中，750 cm⁻¹ 至 1100 cm⁻¹ 范围内的吸收峰与 Si-N 键的拉伸振动有关，不同峰位对应不同氮含量的 Si-N 键化学环境。

光谱中与 Si-N、Si-H 和氧相关的吸收峰变化，为后续分析化学物种变化提供基础，有助于确定光照对样品中化学键和化学物种的影响。

光照前后FTIR光谱去卷积

p型和n型样品光照前后 FTIR 光谱去卷积

不同化学物种对应的高斯分量的积分吸光度强度

光照后 p 型和 n 型样品中与 Si-N、Si-H 和氧相关的一些化学物种浓度降低，这与 FTIR 分析中观察到的光照后化学物种浓度变化一致。

SiNxH 薄膜中与υ2和υ3相关的化学物种浓度变化与表面钝化退化相关；而 SiO2i 和 SiOn 等与氧相关的化学物种浓度变化与样品体性能退化相关。在 n 型样品中，这些化学物种浓度变化对性能的影响更为明显，这与之前观察到的 n 型样品在光照后表面复合电流密度增加和体寿命降低等现象相符。

光照前后PL光谱变化

n 型样品光照前后 PL 光谱

光谱中不同波长范围的 PL发射与样品中的缺陷和杂质相关，如 1400nm 至 1570nm 范围的 PL 发射与硅氧物种有关，光照后该范围内 PL 强度略有降低，与 FTIR 分析中硅氧物种浓度降低结果相符，表明光照后硅氧缺陷转变为其他形式缺陷导致体寿命降低。

FTIR 和 PL 光谱技术表明，户外光照下 PECVD SiNx:H 钝化样品的光致退化与多种化学物种有关，如 SiNxH 薄膜中化学物种浓度变化与表面和体退化相关，PL 光谱证实 n 型样品中氧相关缺陷参与退化机制。美能傅里叶红外光谱仪

美能傅里叶红外光谱仪用于研究各种分子在红外波段发射或吸收辐射规律与分子结构关系的有力工具，主要用于物质结构的分析。通过测量物质红外吸收的频率、强度和线型等，可以获得物质中局域结构方面的信息。

光谱范围：7800~350 cm-1

分束器：多层镀膜溴化钾，带有防潮涂层（进口）

波数：重复性：优于0.1cm-1；准确度：优于1.0cm-1

美能傅里叶红外光谱仪，针对光照前后的FTIR 光谱进行分析提供了丰富的数据，使得我们能够深入理解光照对PECVD SiNx:H薄膜性能的影响。通过这些数据，我们能够更好地优化薄膜的制备工艺，提高太阳能电池的稳定性和效率。原文出处：Characterization of light induced degradation in PECVD silicon nitride passivated Cz silicon wafers using spectroscopic techniques

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