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基于光学理论的PERC太阳电池背面AIOxSiNx叠层膜的研究-马少华-黄河水电.pdf

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基于光学理论的PERC太阳电池背面AIOxSiNx叠层膜的研究-马少华-黄河水电.pdf

SOLAR ENERGY圜嘲■_ ~ 基于光学理论的PERC太阳电池背面 AIOJSi Nx叠层膜的研究 黄河水电光伏技术产业有限公司■马少华吕欣崇锋孟庆平侯少攀 摘 要AIO]SiN。叠层膜广泛应用于PERC钝化发射极和背面局部接触太阳电池中,以达到增强背 反射和提高背表面钝化效果的作用。在先前的研究中,光学理论分析仅应用于正面单层SiN. 或SiO。/SiN。双层膜厚度优化分析,极少应用于背面A10。/SiN。双层膜优化分析。本文采用 Matlab软件,基于光学导纳矩阵理论,同时将AM 1.5G标准太阳光谱,AIO。、SiN。、AI在整 个光谱范围内280~1200 nm的折射率系数门五考虑在内,系统分析了A10。/SiN。双层膜的 背反射效果。另外,依据背面AIO]SiN、不同膜厚组合下透射光反射回硅片本体的反射率曲线 分布和平均反射率作为评估指标进行理论分析,结果表明AIO。/SiN。优化后最佳膜厚组合为 15 nm/80 nm,为PERC太阳电池背面膜厚优化提供理论支持。 关键词A10]SiN。叠层膜;PERC;反射率;光学矩阵 O引言 随着光伏行业的发展,近年来,钝化发射区 背而电池PERC技术得到了广‘泛关注[I-3]o电池 正面采刖双层膜钝化,有效地起到了减反射和钝 化的作用;背面采用3层膜钝化,既能有效提高 少子寿命,还能增加对长波的反射,起到背反射 的作片j,增加硅片对长波的吸收。背面钝化普遍 采用AIOdSiN、膜,用于增加背面的反射率。 在较多的仿真研究中,大多研究者重点关注 的是正面减反射层,并对不同膜层的最佳厚度进 行了仿真,如SiO。/SiN。膜、SiN。膜、Si02/Ti02 膜等M】,但很少有学者对背面膜层进行仿真研 究。无论采用何种工艺的电池,其最终输出功率 均按照lEC 60904标准中要求的方法进行测试, 在测试中需满足AM 1.5G、温度25℃、1000 W/m2等条件;再加上近年来对光伏行业应用端 的关注越来越多,如何能够有效提高组件在真实 光照条件下的发电量更是关注的重点方向。因此, 本文对背面膜层在AM 1.5G光谱下的特性进行 了针对性研究,优化电池在实际运行光谱下的真 实性能。 本文基于光学导纳矩阵理论研究了AIO。/ SiN。背面膜层的最佳厚度,考虑AlO。、SiN。、AI 在整个光谱范围内280~1200 nm的折射率系 数t/∽,而不是单纯的将其反射系数默认为常数, 如在633 nm时,AIO。的反射系数为1.6,SiN。 的反射系数为2.04,AI的反射系数为1.3,反射 系数是波长的函数‘7‘8],如图1所示。 收稿日期20161126 通信作者吕欣1988,女,工程师,主要从事高效晶体硅太阳电池研发及光伏电站系统集成设计、效率提升等方面的研究。 lvxincpisolar.corn SOLAR ENERGY 12/2016 万方数据 波长/rlnl c.AI膜层 图l AIO,、SiN、及Al膜层在280~1200 nm范围内 反射系数的分布 1仿真方法 本文似设膜层对入射光线无吸收,利用 Matlab软件计算膜层在每个波长卜.对应的反射 率,进而获得整个光谱范剧内280~1200 nm 的反射率分布曲线。通过综合考虑整体反射率分 布、平均反射率和AM 1.5G光谱,以期获得最 优化的AIOI/SiN。叠层膜的厚度组合。 基于光学导纳矩阵理论【9】,对多层膜特征矩 阵仿真如下 黔C鱼慨i/rhsindi蚴cos8i8鸣i㈣r/ ㈩【 J 一【 儿。J 式中,,7.是第/层光学导纳;6,为第/层薄膜 的位相厚度i为复数;叩s是硅片基底的光学导纳。 假设光线为垂直入射,则6j2xr/jd肌,在波 长五处,第,层的光学导纳正好是膜.层的反射 系数。 将输入的光学导纳进行组合,定义为yC/ B,那么反射率为 胙\l rloB-C八l lrloB-C/l*qoBC qoBC\ 八 / 式中,‰为入射介质的光学导纳。 则加权反射率llOl为 k餐竺生 3““。r函五d2 V 7 式中,函五是AM 1.5G条件下的光通谴密 度分布,如图2所示尺五是波长五时的反射率。 3l 4fH} 5fH} 6lHl 7Xl 8IXl 90t 1HHl 110I 1二JI 波长711111 图2 AM 1.5G条件下的光通量密度分布图 在仿真过程中,穿过PERC半成品电池的透 射光被当作背面AIO。/SiN。膜层的入射光,如图 3所示。使用P型、l 56 mml 56 mm尺 寸、厚度在180士20 lam的直拉单晶硅片,样品 经过在碱性溶液中进行制绒、背面抛光后,进 行磷扩散,扩散方阻为90刚口,然后进行湿 法刻蚀,PECVDRoth&Rau前表面沉积SiN、 膜层。使用紫外一可见一近红外光谱仪fU4100, Hitachi测试样品的透过率与反射率,结果如图 4所示。L一 SOLAR ENERGY 1212016 万方数据 SOLAR ENERGY 6 5 摹4\ 篓,r 岖,r 蓦\ 褂 捌 蚓 磷扩散发射极 直拉P型硅1-3Qm 81 am 入射光 SlN 透射光 图3测试样品结构图 AI SiN、 l 50 60 70I 801 90 波长/Illll a反射率 l 120 波长/nm b.透过率 图4半成品PERC电池样品反射率与透过率图 2仿真结果 不同膜层、不同厚度组合的样品反射率分布 曲线如图5~图10所示,AIO,薄膜的厚度变化 间隔是5 nm,SiM膜层变化间隔是20 nm。 SiN。膜厚度在60~80 nm较薄的范围内时, 随着AIO,膜厚度增大,反射率曲线先升高再降 低,如图5、图6所示。当SiN。膜厚度在100~ 160 nm时,反射率曲线随着AIO,膜层厚度的升 高而降低,如图7~图10所示。 另外,当SiN。膜层处于60~80 nm时,反 更\ 褂 苌 呕 9 8 誉7 褂 亲6 呕 5 4 3 ‘5 nm/60 nm lnm/6}nil 5 nm/61 nm 一10 nm/61 nil 二5 nm/61 nln 30 nm/61 nil 一.....。二一400 500 600 700 80900 1000 1100 1200波长/nma 2H~l 20nill 051 llIO 波长/nm b.1050~120I 9 8 7 6 姿5 篓a 呕3 20 9 H 摹 7\ 褂 搡6 呕 5 4 3 基\ 料 杂 岖 图5 AIO,/SiN,60 nm l】5【 20】 nm 的反射率曲线 5 nm/80 nm 10 rim/8J nm 一1 5 nm/8J nm 一10 nm/8J nm 一25 rim/81 nm 30 nm/8J rln/ 300 400 500 600 70 8I1 q1 l11llJI120 波长/nm a.28~12J nIll 050 ll 11 5【 12J 波长/nm b 150~12nnl 图6 AIO,/SIN。80 nm的反射率曲线 Ji 20 5 nln/1nnl l11m川Il nm 5 nm/lFin 20 nm,l【J11111 25 nm l】11111 30 nm 7lflnIn 』、一1.J一1一-----;--_----,.,.,,1....一一300 400 500 600 70 800 900 l00 1l 0120 波长/nm a 18~】20nil SOLAR ENERGY 1 21201 6 0上03厂l『,}[{一m 9 8 7 6 5 4 3 2,0 H 8 7 6 5 4 3 2 万方数据 80 7 5 7 0 6 5 善6 孬5 5 杂5 0 岖4 5 4 0 3.5 3】 寥 、’ 横} 接 呕 .∥ 5 nm/l 0}nm l{mn/1{Jnm 】5 nnl/1J 11m 2nm/1nm 25 rim/1n131 30 nm/1nm |10 |l 50 200 波长/nm b l50~1200tim 图7 AIOIS N。100 nm的反射率曲线 7O 65 6 0 莲5 5 褂5 0 葱4.5 4J 3 5 3. 善\ 褂 接 呕 波长/n a.28~120n“ 050 110I ll 50 200 波长/13111 h l{5~1200 nm 图8 AIO,/SIN。120 rim的反射率曲线 5 rlnl/14nm 10 nm/140 lira 5 nm川40 nlll 20 nm川40 11131 25 nm/140 nm 30 nm/140 nill 200 300 40J 500 60 700 80900 1000 1101200 波长/nm 6【J 5 5 r 5 0 、。4 5 料4.J 葱3 5 3, 2 5. 2 0 105 a 2 8{}~l 20nm 5 13ill/14J nm 10mn/140 nm 5 nnl/140 nm 20 rim/140 rim 25 rim/140 nln 31 nm/140 nm 110 11 5 1200 波长/lira b.“50~l 200 nm 图9 AIO,/SIN。140 nm的反射率曲线 1‘ 3 苫宅2 5\ 槲2 0 杀 呕l 5 o 200 300 400 500 600 700 波长/nm 3-5 3 25 蓬2 篓 呕.。 ‘ ● ’ 95 5 niii/l州11111 lIn111州l nnl 5mn/16Il nm 20 Bill/1IIill 25 nm/161rlnl 3nnl/16rlill 800 900 l{}Ill1 120 |l 28Il~1 20Inn 5 13m/611111 lnm/60 11111 一l 5 11m/60 IlIll 20 nm/611 nnl 25 nm/61 nnl 30 nm/61 nnl 【1J 50 波长/nm b 950~l 20[1 nnl 图10 A JOJSiY、160 nm的反射率曲线 I 射率只有轻微变化,但当SiN。膜层处于100~ 160 rim时,反射率的变化幅度逐渐变大。如图5 ~图10所示,当SiN,膜越厚,A10,膜微小的变 化会使反射率更加敏感;如图10所示,当SiN。 膜厚度在160 ilm时,反射率会有较大改变。 当AIO,膜厚度为10 nm,反射率曲线随 SiN,膜层厚度的变化而不同,如图1 1所示。当 SiN,膜厚度增加时,反射率呈先增加再减小的 趋势;当SiN,厚度达到80 nm时,反射率达到 最高点。 摹\ 褂 杀 皑 90 951 lf川 IJ51 llI I|5 c】 】 波长/nm 图11 AIO,10 nm/SiN,900~1200 nm的反射率曲线 如图12所示,当AIO,/SiN。厚度组合为 15 nm/80 nm时,平均反射率达到最高,约为 0.785%。 一一泸~一 SOLAR ENERGY 12,2016 多一 M m h h h h鲫㈨比H№ i n n n i n n n n n n n 二一 /. 一么 万方数据 SOLAR ENERGY E量呵曩蛋技术产品与r程 图12 AIO。/SiN,膜层平均反射率 3结论 兼顾考虑反射曲线的分布、加权反射率及 AM 1.5G光通量密度,研究结果表明当AIO。/ SiN、的厚度为15 nm/80 nm时,反射到硅片上的 光线最多,平均反射率最大,约为0.785%。 但是在此文研究中,我们仅对AIO。/SiN。背 面膜层的光学反射进行了研究,未对其钝化效果 进1i钡JJ试,下一步我们会根据此项成果,重点对 其钝化效果进行研究。 参考文献 [1]Green M A.The Passivated Emitter and Rear CellPERC From conception tO mass production【J】Solar Energy Materials Solar 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