1 引言

增加晶硅太阳电池在光谱响应范围内的太阳光的利用率是提高晶硅太阳电池转换效率的重要途径之一^[1]。硅棒被切割成硅片时表面存在损伤层,表面织构化只能将硅片反射率减小至10%左右。为能得到更小的表面反射率,可利用光学多次反射和薄膜干涉原理进一步减小硅片表面反射率^[2]。

氮化硅(SiN_X)膜可通过调节流量比来改变折射率,并具有易制作的优越性,因此得到了学者们的广泛关注^[3-5]。研究表明,双层SiN_X膜对单晶硅和多晶硅太阳电池的减反射及钝化效果有明显影响,且在一定程度上增大了太阳电池转换效率。目前,双层氮化硅减反射膜单晶硅太阳电池已基本实现工业化制作。针对三层减反射膜的相关研究也相继被报道。

杨文华等^[6]通过计算机软件对单层、双层和三层减反射薄膜参数进行了理论研究,为多层减反射膜的制备提供了理论依据。陈亮^[7]提出了一种太阳能电池表面三层减反钝化膜,这种薄膜先在近电池表面沉积两层不同膜厚和折射率的氮化硅,再在两层氮化硅表面沉积一层二氧化硅,通过这种操作减少了电池片形成组件后的匹配差异。徐飞等^[8]通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 法研究了三层氮化硅减反射膜和单层氮化硅减反射膜对晶体硅的影响,结果显示,三层氮化硅减反射膜比单层氮化硅减反射膜具有更好的输出特性。孙占峰等^[9]从制作工艺角度研究了三层氮化硅减反射膜对多晶硅太阳能电池基本特性的影响。韩菲等^[10]对三层氮化硅减反射膜在晶体硅太阳电池中的应用进行了研究,通过将三层氮化硅膜的连续沉积改为间断性沉积,提高了氮化硅膜的致密性,改善了色差问题 。

本文使用PC1D软件模拟了具有双层和三层SiN_X减反射膜的太阳电池,对反射率等光学特性进行了理论分析。通过调节PECVD时间和气体流量比,制作出了所需的减反射膜结构太阳电池。最后对具有不同结构减反射膜的太阳电池的减反射作用、钝化效果和电学输出特性进行了测试,并对比分析了双层和三层SiN_X膜对太阳电池性能的影响。

2 太阳电池模型参数和实验

2.1 电池模拟参数设置

PC1D软件主要用于光伏电池的计算仿真,具有较完整的半导体器件模型,便于描述半导体器件中电子空穴的传输特性,目前已成为模拟光伏器件的标准软件之一^[11]。

实验采用PC1D软件对双层和三层SiN_X减反射膜进行模拟。设定太阳电池面积为244.3 cm²,电池厚度为180 μm,前后表面制绒深度为4 μm,扩散方阻为90 Ω,少子寿命为23 μs,前后表面复合速率为10000 cm/s。表1为PC1D模拟方案,其中方案A、B、C为双层SiN_X减反射膜模拟方案,方案D、E、F为三层SiN_X减反射膜模拟方案,d₁为减反射膜第一层厚度,d₂为减反射膜第二层厚度,d₃为减反射膜第三层厚度。n₁、n₂、n₃为减反射膜对应层的折射率。按表1所示方案通过PC1D软件对具有双层和三层SiN_X减反射膜的太阳电池进行模拟。

2.2 电池制作工艺和实验方案

2.2.1 电池制作工艺

实验选用尺寸为156 mm×156 mm,表面积为244.3 cm²,厚度约为180 μm,电阻率为1~3 Ω·cm的P型单晶硅片。单晶硅片先经过碱制绒、磷扩散形成PN结,再通过湿法刻蚀去掉边沿PN结和表面磷硅酸玻璃(PSG),然后采用PECVD方法在扩散层表面制作双层和三层SiN_X膜,最后经过丝网印刷及烧结制作成品电池片。

采用少子寿命测试仪对镀膜前后的半成品电池片进行少子寿命的测试,通过反射率测试仪对反射率进行测试,并采用太阳电池测试仪对太阳电池电学特性进行测试。

2.2.2 实验方案

表2给出了具有双层和三层SiN_X减反射膜的单晶硅太阳电池的实验方案。设定双层SiN_X膜外层膜NH₃、SiH₄气体流量比为55∶8,时间为420 s;内层膜NH₃、SiH₄气体流量比为38∶8,时间为240 s。形成的双层SiN_X膜平均膜厚约为75 nm,等效折射率约为2.1。设定三层SiN_X膜外层膜NH₃、SiH₄气体流量比为65∶8,时间为525 s;中间膜NH₃、SiH₄气体流量比为50∶9,时间为200 s;内层膜NH₃、SiH₄气体流量比为40∶95,时间为100 s。形成的三层SiN_X减反射膜平均膜厚同样约为75 nm、折射率约为2.1。在太阳电池制备过程中,除了PECVD工艺不同外,其余制备工艺均相同。

3 结果与讨论

3.1 反射率、量子效率及转换效率分析

图1给出了具有不同结构双层和三层SiN_X减反射膜的单晶硅太阳电池反射率在300~1200 nm和300~600 nm波长范围内的模拟结果。从图1(a)和图1(b)中可以看出,当波长位于300~600 nm范围时,C方案双层SiN_X膜和E方案三层SiN_X膜的反射率较小,平均反射率分别为24.41%和22.56%。具有三层SiN_X膜的太阳电池的减反射效果明显优于具有双层SiN_X膜的太阳电池的减反射效果,具有更好的短波响应。当波长位于600~1200 nm范围内时,具有双层SiN_X膜的太阳电池的反射率略小于具有三层SiN_X膜的太阳电池的反射率。整体而言,在整个波长响应范围内,具有三层SiN_X膜的太阳电池(平均反射率为17.92%)的减反射效果比具有双层SiN_X膜的太阳电池(平均反射率为18.18%)的减反射效果好。这是由于三层SiN_X膜结构比双层SiN_X膜结构的相消干涉效果更好。

图 1. 具有双层和三层SiNX膜的太阳电池的反射率模拟曲线。(a) 300~1200 nm;(b) 300~600 nm

Fig. 1. Simulated reflectivity curves of solar cells with double-layer and three-layer SiNX coatings. (a) 300-1200 nm; (b) 300-600 nm

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外量子效率被定义为入射光谱范围内每一个波长为λ的光波对外电路提供一个电子的几率^[11]。图2给出了具有不同结构双层和三层SiN_X减反射膜的单晶硅太阳电池的外量子效率模拟曲线。可以看出,在300~600 nm波长范围内,具有三层SiN_X膜的太阳电池的外量子效率明显大于具有双层SiN_X膜的太阳电池的外量子效率。对比各减反射膜结构的外量子效率,C方案双层SiN_X膜和E方案三层SiN_X膜太阳电池具有更大的外量子效率。当波长位于600~1200 nm范围内时,具有双层和三层SiN_X膜的太阳电池的外量子效率几乎一致。就整体效果而言,具有三层SiN_X膜的太阳电池的外量子效率大于具有双层SiN_X膜的太阳电池的。根据反射率模拟结果可知,减反效果更好的太阳能电池会有更多的入射光子进入电池内部,激发更多的电子空穴对,增大了电池为外电路提供电子的几率,外量子效率更大。由此可见,外量子效率模拟结果与反射率模拟结果一致。

图 2. 具有双层和三层SiNX膜的太阳电池的外量子效率模拟曲线

Fig. 2. Simulated external quantum efficiency curves of solar cells with double-layer and three-layer SiNX coatings

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图3给出了具有不同结构双层和三层SiN_X膜的太阳电池的内量子效率模拟曲线。可以看出,具有双层SiN_X膜的太阳电池和具有三层SiN_X膜的太阳电池的内量子效率无明显变化。这说明在该模拟参数下,在双层SiN_X膜的基础上再增加一层SiN_X层对单晶硅太阳电池的内量子效率影响不大。

图 3. 具有双层和三层SiNX膜的太阳电池的内量子效率模拟曲线

Fig. 3. Simulated internal quantum efficiency curves of solar cells with double-layer and three-layer SiNX coatings

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图 4. 具有双层和三层SiNX膜的太阳电池的转换效率模拟结果

Fig. 4. Simulated conversion efficiency results of solar cells with double-layer and three-layer SiNX coatings

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图4所示为具有双层和三层SiN_X减反射膜的单晶硅太阳电池的转换效率模拟结果。根据反射率和外量子效率模拟结果可知,C方案具有双层SiN_X膜的太阳电池和E方案具有三层SiN_X膜的太阳电池具有较大的反射率和外量子效率。由转换效率模拟结果可知,B方案双层SiN_X膜和E方案三层SiN_X膜太阳电池的转换效率较大,分别为19.67%和19.70%,且具有三层SiN_X膜的太阳电池的转换效率大于具有双层SiN_X膜的太阳电池。在三层SiN_X膜的三种方案中,E方案太阳电池具有较大的光电转换效率,与前面分析结果一致,但采用C方案的具有双层SiN_X膜的太阳电池的光电转换效率不如采用B方案的具有双层SiN_X膜的太阳电池的大。这可能是因为软件模拟存在一定的局限性。反射率和外量子效率的大小主要取决于薄膜结构,而光电转换效率的大小不仅与反射率和外量子效率等光学特性有关,还与薄膜钝化效果、基底材料性能等因素有关。

3.2 反射率测试结果分析

根据3.1节模拟分析结果,通过PECVD法可制作输出特性较好的具有双层SiN_X减反射膜的单晶硅太阳电池(B结构)和具有三层SiN_X减反射膜的单晶硅太阳电池(E方案)。图5所示为具有双层和三层SiN_X膜的太阳电池的反射率测试曲线。可以发现,当波长位于300~600 nm范围内时,具有三层SiN_X膜的单晶硅太阳电池的反射率明显小于具有双层SiN_X膜的单晶硅太阳电池的;当波长位于600~1200 nm范围内时,两者基本一致,无明显变化。这与反射率模拟结果存在一定的差异。一方面,实际太阳电池表面的减反射膜材料对入射太阳光有部分吸收,这是软件模拟时考虑不到的地方^[12];另一方面,通过PECVD法制作减反射膜时,镀膜腔体的温度、压强等分布不均会导致结果存在一定的差异。但就整个光谱响应范围而言,具有三层SiN_X膜的太阳电池的减反射效果明显优于具有双层SiN_X膜的太阳电池的减反射效果,测试结果与模拟结果一致。反射率越小,减反射效果越好,通过SiN_X膜进入到Si体内的光子数越多,激发产生的电子空穴对几率就越大,这有利于增大短路电流,进而增大太阳电池的光电转换效率^[13]。

图 5. 具有双层和三层SiNX膜的太阳电池的反射率测试曲线

Fig. 5. Reflectivity testing curves of solar cells with double-layer and three-layer SiNX coatings

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3.3 少子寿命测试结果分析

多层减反射膜设计的目的在于使减反射膜结构有更明显的减反射作用和更好的钝化效果。因此,为了进一步说明三层和双层SiN_X膜对太阳电池的钝化效果,对镀膜前后半成品电池片的少子寿命进行测试。表3所示为具有双层和三层SiN_X膜的太阳电池的少子寿命测试结果。由表3数据可知,双层和三层SiN_X镀膜前扩散Si片的平均少子寿命分别为15 μs和16 μs,两者基本一致。镀膜后双层和三层SiN_X膜半成品电池片的平均少子寿命分别为22 μs和25 μs,相比镀膜前分别增加了7 μs和9 μs,镀膜后具有三层SiN_X膜的太阳电池样品的少子寿命比具有双层SiN_X膜的太阳电池样品的大3 μs。由此可知,三层SiN_X膜相比双层SiN_X膜具有更好的钝化效果。这说明三层SiN_X膜经烧结释放出更多的H离子进入Si片的表面及体内,减少了因Si片表面及体内缺陷而形成的复合中心,有助于太阳电池开路电压的增加^[14]。

3.4 电学测试结果分析

表4给出了具有双层和三层SiN_X减反射的膜太阳电池的电学测试结果。由测试结果可知,相比双层SiN_X膜太阳电池,三层SiN_X膜太阳电池的开路电压V_oc、短路电流I_sc和转换效率E_ff分别增加了36 mV、67 mA和0.05%,与模拟结果基本一致。由上述分析可知,具有三层SiN_X膜的太阳电池良好的性能,这主要归功于三层SiN_X膜良好的减反射作用和钝化效果。减反射效果越好,进入Si体内的光子数越多,激发出电子空穴对的几率越大,少数载流子数目越多。钝化效果好可使少数载流子寿命增加,从而增大光电流,减小复合电流,增大开路电压,进而增大太阳电池的光电转换效率^[15]。另一方面,相比于双层SiN_X膜,三层SiN_X膜经烧结从薄膜中释放出了更多的H离子进入到Si体内。烧结前H离子在氮化硅薄膜中主要以Si—H键、H—H键和N—H键的形式存在,烧结后这些键会获得能量挣脱共价键的束缚,形成游离的H离子,在薄膜中留下Si、N离子。这些Si、N离子固定在氮化硅薄膜中而无法移动,导致薄膜中固定电荷密度增大,场钝化效应增强,从而增加少数载流子寿命,增大短路电流、开路电压和太阳电池的光电转换效率^[16]。由测试结果还可以看出,具有三层SiN_X膜的太阳电池的填充因子F_F小于双层SiN_X膜太阳电池的。这主要是因为具有三层SiN_X膜的太阳电池的串联电阻R_s较大而并联电阻R_sh较小。

4 结论

分析了双层和三层氮化硅减反射膜对单晶硅太阳电池的影响。通过PC1D软件从理论上分析了具有双层和三层SiN_X减反射膜的太阳电池的反射率、内外量子效率及光电转换效率。结果表明,具有三层SiN_X膜的太阳电池具有更好的减反射效果。在只改变PECVD工艺的基础上制作了具有双层和三层SiN_X膜的太阳电池,并对其反射率、少子寿命和电学特性进行了测试。结果表明,太阳电池反射率、转换效率测试结果与PC1D模拟结果基本吻合,三层SiN_X膜的钝化效果优于双层SiN_X膜的,具有三层SiN_X膜的太阳电池的电学特性优于具有双层SiN_X膜的太阳电池的。