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：2016—11—26 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。 lvxin@cpisolar．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／rhsi¨ndi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6j=2xr／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y=C／ B，那么反射率为： 胙＼l rloB-C八l lrloB-C／l*qoB+C qoB+C＼ 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。 3(×l 4fH} 5fH} 6lHl 7(Xl 8IXl 90t) 1(HHl 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 mm×l 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，PECVD(Roth＆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 8(1 am 入射光 SlN 透射光 图3测试样品结构图 AI() SiN、 ^l 50() 60() 70I 80(1 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 l()nm／6(}nil) 5 nm／6(1 nm 一10 nm／6(1 nil) 二5 nm／6(1 nln ——30 nm／6(1 nil) 一—————．．．．．。：=二：：：———————一400 500 600 700 80()900 1000 1100 1200波长／nma 2H()～l 20()nill 051) llI)O 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／8(J nm 一1 5 nm／8(J nm 一10 nm／8(J nm 一25 rim／8(1 nm ——30 nm／8(J rln／ 300 400 500 600 70( 8I)(1 q()(1 l()(11)ll(JI)120《 波长／nm a．28()～12()(J nIll 050 ll()() 11 5【) 12(J() 波长／nm b 1()50～12()()nnl 图6 AIO,／SIN。(80 nm)的反射率曲线 Ji 20( 5 nln／1()()nnl l()11m川()Il nm 5 nm／l()()Fin) 20 nm，l【J()11111 25 nm l()(】11111 30 nm 7lfl()nIn 』、一1．J一…1一…-----；--_----，．，．，，1．．．．一一300 400 500 600 7()0 800 900 l()00 1l 0()120( 波长／nm a 18()～】20()nil) SOLAR ENERGY 1 21201 6 —0上0—3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 8·0 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{J()nm 】5 nnl／1()(J 11m 2()nm／1()()nm 25 rim／1()()n131 30 nm／1()()nm |10() |l 50 200 波长／nm b l()50～1200tim 图7 AIOIS N。(100 nm)的反射率曲线 7·O 6·5 6 0 莲5 5 褂5 0 葱4．5 4(J 3 5 3．() 善＼ 褂 接 呕 波长／n… a．28()～120()n“ 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／14()nm 10 nm／140 lira 5 nm川40 nlll 20 nm川40 11131 25 nm／140 nm 30 nm／140 nill 200 300 40(J 500 60() 700 80()900 1000 110()1200 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 20()nm 5 13ill／14(J nm 10mn／140 nm 5 nnl／140 nm 20 rim／140 rim 25 rim／140 nln 3(1 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() 2·5 蓬2() 篓¨ 呕．。 ‘ ● ()’ 95 5 niii／l州)11111 lI)n111¨州l nnl 5mn／16Il nm 20 Bill／1¨)IIill 25 nm／161)rlnl 3()nnl／16()rlill 800 900 l{}I)()ll()(1 120( |l 28Il～1 20I)nn 5 13m／6()11111 l()nm／60 11111 一l 5 11m／60 IlIll ——20 nm／611 nnl 25 nm／6(1 nnl 30 nm／6(1 nnl 【)(1(J ()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() 95(1 lf¨川 I(J5(1 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1=i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 Cell(PERC)： From conception tO mass production【J】Solar Energy Materials& Solar Cells，2015，(143)：190 197． (摄第68贞) P尺值最高，沙地次之，草地最低。造成这种 差异主要是由于不同地而条件下光的反射率不 同，从而造成组件背面的功率差异和发电效率 的差异。 3)草地的反射率随自然生长规律发生改变， 沙地的反射率由湿度等影响因素决定；综合第一 季度与第二季度实际测试值可知，P尺会随季节 变化出现波动。 [2】Yeonhee H，Chang—Sub P Jisun K，et a1．Effect of laser damage etching on i-PERC solar cells[J]．Renewable Energy，20 1 5，(79)： 13l—134． [3]Jisoo K，Jisun K，Jong—Youb L，et a1．Laser ablation of aluminum oxide and Silicon nitride rear—side passivation t’or i-PERC cell[J]．Renewable Energy,201 5．(79)：1 35 1 39． [4】4 Suxiang Z，Qi Q，Song Z，et al，Rear passivation ofcommercial multi—crystalline PERC solar cell by PECVD 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