以大面積噴淋式平板電極甚高頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積(VHF- PECVD)反應(yīng)室為研究對象,利用FlexPDE 和CFD- ACE+ 商業(yè)軟件,對反應(yīng)室電極間的電場和流場分布進行了數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知：對于大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應(yīng)室，電極間氣體流速分布呈現(xiàn)管流特征，而氣壓分布和電場分布具有類似的分布規(guī)律，即在大面積電極中央?yún)^(qū)域電場較強氣壓較高，而電極邊緣區(qū)域電場較弱氣壓較低；另外，反應(yīng)室采用噴淋式平板電極進行反應(yīng)氣體饋入,氣體總流量、工作氣壓和電極間距是調(diào)節(jié)電極間氣壓分布均勻性的重要參量，采用大電極間距、高工作氣壓，以及小的氣體總流量有助于獲得均勻的氣壓分布。

　　等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）是目前硅基薄膜太陽電池工業(yè)化生產(chǎn)的主要制備技術(shù)。當前，大面積非晶硅（a- Si:H）薄膜太陽電池的制備主要采用標準13.56 MHz 射頻激發(fā)的電容耦合平行板電極PECVD 反應(yīng)室。然而，對于新一代高效率非晶硅/微晶硅疊層太陽電池的氫化微晶硅(μc- Si:H) 底電池制備， 采用甚高頻（30~300 MHz） 等離子體增強化學(xué)氣相沉積（VHF- PECVD） 被認為是一種很好的選擇，其主要原因在于VHF- PECVD 技術(shù)可以在高沉積速率下獲得高質(zhì)量的薄膜材料，大幅度降低氫化微晶硅底電池的制備時間。然而， 目前采用VHF- PECVD 技術(shù)制備非晶/微晶硅疊層電池，國內(nèi)外大部分公司還正在研發(fā)間段，還不能大規(guī)模生產(chǎn)，其主要原因在于沒有適合微晶硅薄膜生長的大面積高產(chǎn)能PECVD 設(shè)備。因此，研發(fā)高產(chǎn)能VHF- PECVD 設(shè)備將推動國內(nèi)乃至國際太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　硅基薄膜太陽電池的制備一般要求薄膜厚度非均勻性在±10％之內(nèi)，因而VHF－PECVD技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用所面臨的首要問題在于如何實現(xiàn)大面積薄膜的均勻沉積。VHF- PECVD 技術(shù)沉積薄膜的過程是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其反應(yīng)室內(nèi)部電極間電場、流體場、溫度場的分布均勻性將直接影響到薄膜沉積的均勻性，但這些物理場空間分布均勻性，如果通過實驗研究不僅費錢費時，同時也存在很多技術(shù)問題，這給VHF－PECVD 反應(yīng)室電極結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝條件優(yōu)化造成很大的障礙。然而，計算機數(shù)值模擬以其經(jīng)濟、高效的特點為大面積VHF- PECVD 薄膜沉積均勻性研究提供了一種有效手段，可以通過對大面積VHF- PECVD 反應(yīng)室內(nèi)部物理場的數(shù)值分析，為大面積VHF- PECVD 反應(yīng)室電極設(shè)計和工藝條件優(yōu)化提供重要的理論指導(dǎo)。

　　本文以面積尺度為120 cm×80 cm 的噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應(yīng)室為研究對象，應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件CFD－ACE+ 和二維準平面電路模型，對反應(yīng)室內(nèi)部電極間電場和流場的空間分布進行數(shù)值模擬研究。

1、模型與方法

　　本文所討論的大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應(yīng)室簡化結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1（a）所示。VHF-PECVD 反應(yīng)室內(nèi)部主要由噴淋式平板電極和接地電極構(gòu)成，噴淋式平板電極作為功率電極被放置在接地真空反應(yīng)室中，與接地電極構(gòu)成電極結(jié)構(gòu)對稱的理想反應(yīng)室。反應(yīng)室采用VHF 功率源激發(fā)等離子體產(chǎn)生，功率饋入點分布于噴淋式平板電極背面。

　　對于上述結(jié)構(gòu)的大面積反應(yīng)室電極間電場分布的模擬，本文主要考慮電極間電勢駐波效應(yīng)對大面積VHF- PECVD 反應(yīng)室電極間電場分布的影響，忽略電極邊緣效應(yīng)、衰勢波效應(yīng)等因素對電極間電場分布均勻性的影響。因此，本文采用了二維準平面電路方法和FlexPDE 軟件對反應(yīng)室電極間的電場分布進行計算。本文這里不對二維準平面電路方法做詳細的敘述，具體推導(dǎo)可參考文獻。

　　另外，對于反應(yīng)室內(nèi)部流場的模擬，本文假設(shè)反應(yīng)室為等溫反應(yīng)室, 忽略了反應(yīng)室內(nèi)部溫度場的分布問題；同時也假設(shè)參與反應(yīng)的氣體通過噴淋式平板電極均勻進入到反應(yīng)室等離子體區(qū)，并從電極四周邊緣排出等離子體區(qū)。本文僅簡單考慮氣體在反應(yīng)室電極間流動所形成的流場分布，排除了噴淋式平板電極內(nèi)部流場分布對反應(yīng)室電極間流場分布的影響。

圖1 (a)大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應(yīng)室示意　圖(b)反應(yīng)室二維模型

　　根據(jù)上述反應(yīng)室結(jié)構(gòu)及其假設(shè)，本文利用計算流體力學(xué)軟件CFD- ACE+ 建立了用于反應(yīng)室電極間流場分析的簡化二維模型，模型流場計算區(qū)域如圖1（b）所示。模型將反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體考慮為可壓縮理想氣體，并采用速度進口邊界條件和氣壓出口邊界條件，在穩(wěn)態(tài)條件下求解N- S方程。噴淋式電極氣體進口處的法向氣體流速定義為v，流速v 與氣體總流量Q 存在Q=v×S×P 的換算關(guān)系，S 為噴淋式平板電極面積，P 被定義為反應(yīng)室工作氣壓。另外，氣體出口邊界氣壓設(shè)為P。考慮到反應(yīng)室模型結(jié)構(gòu)的對稱性，本文選擇兩電極間的中間位置處作為流場分布的討論區(qū)。

3、結(jié)論

　　本文主要針對大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應(yīng)室，采用數(shù)值方法研究了反應(yīng)室電極間電場和流場的空間分布均勻性問題。通過對電極間流場和電場的模擬可知，電極間氣壓分布與電場分布具有相似的趨勢，即在電極中央?yún)^(qū)域電場強氣壓高而在邊緣區(qū)域電場弱氣壓低。這種電極間電場和氣壓分布規(guī)律會導(dǎo)致電極間等離子體的非均勻分布，從而影響到薄膜的均勻生長。另外，對電極間氣壓分布的進一步研究表明，采用大電極間距、高工作氣壓，以及小的氣體總流量有助于獲得均勻的氣壓分布。