黃河水電光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司 ■ 馬少華 呂欣崇鋒 孟慶平 侯少攀

基于光學(xué)理論的PERC太陽(yáng)電池背面AlOx/SiNx疊層膜的研究

黃河水電光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司 ■ 馬少華 呂欣*崇鋒 孟慶平 侯少攀

AlOx/SiNx疊層膜廣泛應(yīng)用于PERC(鈍化發(fā)射極和背面局部接觸)太陽(yáng)電池中，以達(dá)到增強(qiáng)背反射和提高背表面鈍化效果的作用。在先前的研究中，光學(xué)理論分析僅應(yīng)用于正面單層SiNx或SiOx/SiNx雙層膜厚度優(yōu)化分析，極少應(yīng)用于背面AlOx/SiNx雙層膜優(yōu)化分析。本文采用Matlab軟件，基于光學(xué)導(dǎo)納矩陣?yán)碚?，同時(shí)將AM 1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，AlOx、SiNx、Al在整個(gè)光譜范圍內(nèi)(280～1200 nm)的折射率系數(shù)n (λ)考慮在內(nèi)，系統(tǒng)分析了AlOx/SiNx雙層膜的背反射效果。另外，依據(jù)背面AlOx/SiNx不同膜厚組合下透射光反射回硅片本體的反射率曲線(xiàn)分布和平均反射率作為評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明：AlOx/SiNx優(yōu)化后最佳膜厚組合為15 nm/80 nm，為PERC太陽(yáng)電池背面膜厚優(yōu)化提供理論支持。

AlOx/SiNx疊層膜；PERC；反射率；光學(xué)矩陣

0 引言

隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)，鈍化發(fā)射區(qū)背面電池(PERC)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注[1-3]。電池正面采用雙層膜鈍化，有效地起到了減反射和鈍化的作用；背面采用3層膜鈍化，既能有效提高少子壽命，還能增加對(duì)長(zhǎng)波的反射，起到背反射的作用，增加硅片對(duì)長(zhǎng)波的吸收。背面鈍化普遍采用AlOx/SiNx膜，用于增加背面的反射率。

在較多的仿真研究中，大多研究者重點(diǎn)關(guān)注的是正面減反射層，并對(duì)不同膜層的最佳厚度進(jìn)行了仿真，如SiOx/SiNx膜、SiNx膜、SiO2/TiO2膜等[4-6]，但很少有學(xué)者對(duì)背面膜層進(jìn)行仿真研究。無(wú)論采用何種工藝的電池，其最終輸出功率均按照IEC 60904標(biāo)準(zhǔn)中要求的方法進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試中需滿(mǎn)足AM 1.5G、溫度25 ℃、1000 W/m2等條件；再加上近年來(lái)對(duì)光伏行業(yè)應(yīng)用端的關(guān)注越來(lái)越多，如何能夠有效提高組件在真實(shí)光照條件下的發(fā)電量更是關(guān)注的重點(diǎn)方向。因此，本文對(duì)背面膜層在AM 1.5G光譜下的特性進(jìn)行了針對(duì)性研究，優(yōu)化電池在實(shí)際運(yùn)行光譜下的真實(shí)性能。

本文基于光學(xué)導(dǎo)納矩陣?yán)碚撗芯苛薃lOx/SiNx背面膜層的最佳厚度，考慮AlOx、SiNx、Al在整個(gè)光譜范圍內(nèi)(280～1200 nm)的折射率系數(shù)n (λ)，而不是單純的將其反射系數(shù)默認(rèn)為常數(shù)，如在633 nm時(shí)，AlOx的反射系數(shù)為1.6，SiNx的反射系數(shù)為2.04，Al的反射系數(shù)為1.3，反射系數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)[7,8]，如圖1所示。

圖1 AlOx、SiNx及Al膜層在280～1200 nm范圍內(nèi)反射系數(shù)的分布

1 仿真方法

本文假設(shè)膜層對(duì)入射光線(xiàn)無(wú)吸收，利用Matlab軟件計(jì)算膜層在每個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的反射率，進(jìn)而獲得整個(gè)光譜范圍內(nèi)(280～1200 nm)的反射率分布曲線(xiàn)。通過(guò)綜合考慮整體反射率分布、平均反射率和AM 1.5G光譜，以期獲得最優(yōu)化的AlOx/SiNx疊層膜的厚度組合。

基于光學(xué)導(dǎo)納矩陣?yán)碚揫9]，對(duì)多層膜特征矩陣仿真如下：

式中，ηj是第j層光學(xué)導(dǎo)納；δj為第j層薄膜的位相厚度；i為復(fù)數(shù)；ηs是硅片基底的光學(xué)導(dǎo)納。

假設(shè)光線(xiàn)為垂直入射，則δj=2πηjd/λ，在波長(zhǎng)λ處，第j層的光學(xué)導(dǎo)納正好是膜層的反射系數(shù)。

將輸入的光學(xué)導(dǎo)納進(jìn)行組合，定義為Y=C/B，那么反射率為：

式中，η0為入射介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納。

則加權(quán)反射率[10]為：

式中，Φ(λ)是AM 1.5G條件下的光通量密度分布，如圖2所示；R(λ)是波長(zhǎng)λ時(shí)的反射率。

圖2 AM 1.5G條件下的光通量密度分布圖

在仿真過(guò)程中，穿過(guò)PERC半成品電池的透射光被當(dāng)作背面AlOx/SiNx膜層的入射光，如圖3所示。使用p型＜100＞、156 mm×156 mm尺寸、厚度在180±20 μm的直拉單晶硅片，樣品經(jīng)過(guò)在堿性溶液中進(jìn)行制絨、背面拋光后，進(jìn)行磷擴(kuò)散，擴(kuò)散方阻為90 Ω/□，然后進(jìn)行濕法刻蝕，PECVD(Roth & Rau)前表面沉積SiNx膜層。使用紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜儀(U4100，Hitachi)測(cè)試樣品的透過(guò)率與反射率，結(jié)果如圖4所示。

圖3 測(cè)試樣品結(jié)構(gòu)圖

圖4 半成品PERC電池樣品反射率與透過(guò)率圖

2 仿真結(jié)果

不同膜層、不同厚度組合的樣品反射率分布曲線(xiàn)如圖5～圖10所示，AlOx薄膜的厚度變化間隔是5 nm，SiNx膜層變化間隔是20 nm。

SiNx膜厚度在60～80 nm較薄的范圍內(nèi)時(shí)，隨著AlOx膜厚度增大，反射率曲線(xiàn)先升高再降低，如圖5、圖6所示。當(dāng)SiNx膜厚度在100～160 nm時(shí)，反射率曲線(xiàn)隨著AlOx膜層厚度的升高而降低，如圖7～圖10所示。

圖5 AlOx/SiNx(60 nm)的反射率曲線(xiàn)

圖6 AlOx/SiNx(80 nm)的反射率曲線(xiàn)

圖7 AlOx/SiNx(100 nm)的反射率曲線(xiàn)

另外，當(dāng)SiNx膜層處于60～80 nm時(shí)，反射率只有輕微變化，但當(dāng)SiNx膜層處于100～160 nm時(shí)，反射率的變化幅度逐漸變大。如圖5～圖10所示，當(dāng)SiNx膜越厚，AlOx膜微小的變化會(huì)使反射率更加敏感；如圖10所示，當(dāng)SiNx膜厚度在160 nm時(shí)，反射率會(huì)有較大改變。

圖8 AlOx/SiNx(120 nm)的反射率曲線(xiàn)

圖9 AlOx/SiNx(140 nm)的反射率曲線(xiàn)

圖10 AlOx/SiNx(160 nm)的反射率曲線(xiàn)

當(dāng)AlOx膜厚度為10 nm，反射率曲線(xiàn)隨SiNx膜層厚度的變化而不同，如圖11所示。當(dāng)SiNx膜厚度增加時(shí)，反射率呈先增加再減小的趨勢(shì)；當(dāng)SiNx厚度達(dá)到80 nm時(shí)，反射率達(dá)到最高點(diǎn)。

圖11 AlOx(10 nm)/SiNx(900～1200 nm)的反射率曲線(xiàn)

如圖12所示，當(dāng)AlOx/SiNx厚度組合為15 nm/80 nm時(shí)，平均反射率達(dá)到最高，約為0.785%。

圖12 AlOx/SiNx膜層平均反射率

3 結(jié)論

兼顧考慮反射曲線(xiàn)的分布、加權(quán)反射率及AM 1.5G光通量密度，研究結(jié)果表明：當(dāng)AlOx/SiNx的厚度為15 nm/80 nm時(shí)，反射到硅片上的光線(xiàn)最多，平均反射率最大，約為0.785%。

但是在此文研究中，我們僅對(duì)AlOx/SiNx背面膜層的光學(xué)反射進(jìn)行了研究，未對(duì)其鈍化效果進(jìn)行測(cè)試，下一步我們會(huì)根據(jù)此項(xiàng)成果，重點(diǎn)對(duì)其鈍化效果進(jìn)行研究。

[1] Green M A. The Passivated Emitter and Rear Cell (PERC): From conception to mass production [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2015, (143): 190－197.

[2] Yeonhee H, Chang-Sub P, Jisun K, et al. Effect of laser damage etching on i-PERC solar cells [J]. Renewable Energy, 2015, (79) : 131－134.

[3] Jisoo K, Jisun K, Jong-Youb L, et al. Laser ablation of aluminum oxide and silicon nitride rear-side passivation for i-PERC cell [J]. Renewable Energy, 2015, (79) : 135－139.

[4] Suxiang Z, Qi Q, Song Z, et al. Rear passivation of commercial multi-crystalline PERC solar cell by PECVD Al2O3[J]. Applied Surface Science, 2014, (290) : 66－70.

[5] Christopher K, Sabrina W, Ulrike B, et al. Industrial cleaning sequences for Al2O3-passivated PERC solar cells[J]. Energy Procedia, 2014, (55) : 211－218.

[6] Vermanga B, Choulata P, Goverdea H, et al. Integration of Al2O3as front and rear surface passivation for large-area screenprinted p-type Si PERC[J]. Energy Procedia, 2012, (27) : 325 –329.

[7] Kim J. Optimization of SiNxlayer for solar cell using computational method[J]. Current Applied Physics, 2011, 11: S39－S42.

[8] Junh?nel M，Sch?del M，Stolze L，et al．Black multicrystalline solar modules using novel multilayers antireflection stacks[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition/5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C], Valencia, Spain, 2010.

[9] Menna P, Francia G D, Ferrara V L. Porous silicon in solar cells: A review and a description of its application as an AR coating[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1995, 37: 13－24.

[10] Dawei W, Rui J, Wuchang D, et al. Optimization of Al2O3/SiNxstacked antireflection structures for N-type surface-passivated crystalline silicon solar cells[J]. Journal of Semiconductors, 2011, 32(9): 094008-1—094008-4.

2016-11-26

呂欣 (1988—)，女，工程師，主要從事高效晶體硅太陽(yáng)電池研發(fā)及光伏電站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、效率提升等方面的研究。lvxin@cpisolar.com