北極星太陽能光伏網訊:在光伏工業中，通常採用由具有不同折射率的三個SiNx層組成的抗反射塗層，以降低反射率並提高單晶矽PERC（鈍化發射極和後部電池）太陽能電池的效率。然而，對於SiNx，不能實現低至約1.40的折射率，這是三層抗反射塗層的第三層的最佳值。因此，在本報告中，第三層被SiOx取代，它具有更合適的1.46的折射率，並且可以很容易地集成到SiNx中採用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）方法的沉積工藝。通過SunSolve的模擬和分析，選擇三種不同的厚度來構建SiOx第三層。用30nm SiOx代替15nm SiNx作為第三層抗反射塗層可以帶來0.15％的效率增益，這源於低於約550nm波長的反射率降低和光譜響應增強。然而，由於太陽能模塊的EVA封裝材料吸收短波長的光，具有30 nm SiOx的太陽能電池的光譜響應優勢部分被覆蓋，導致太陽能電池組件的電池 - 模塊（CTM）比率略低，輸出功率增益僅為0.9 W.
1.簡介
抗反射塗層在提高矽太陽能電池的短路電流密度和光電轉換效率方面起著重要作用。使用抗反射塗層，可以在整個吸收帶上大大降低反射率[1]。為了實現單波長的法向入射波的最小反射，抗反射塗層可以由單層組成，其必須具有（a）折射率等於限制塗層的材料的折射率的平方根（和b）厚度等於塗層材料[1]內波長的四分之一，如等式（1）和（2）所示。當設計波長為550 nm（λ空氣），單層抗反射塗層的最佳折射率和厚度確定為1.85和74nm（nair= 1.00，nSi= 3.42）。截至目前，幾種材料已經採用單層抗反射塗層，如TiO2的SiO2，等[2，3]。
但是，如果想要獲得寬帶抗反射塗層，則必須添加額外的層[ 1 ]。對於雙層抗反射塗層，根據Rids [ 4 ] 的報告，可以使用等式（3）和（4）優化設計。折射率如下堆疊：n Si > n 1 st > n 2 nd > n air，其中n 1 st和n 2 nd表示抗反射塗層的第一層和第二層的折射率。當設計波長為550 nm（λ 空氣），每層的最佳折射率和厚度確定為2.27（n 1 st），1.51（n 2 nd），61 nm（d 1 st）和91 nm（d 2 nd）。考慮到實際材料，將Al 2 O 3與TiO 2 [ 5 ]結合，並將MgF 2與ZnS [ 6 ]結合以構成雙層抗反射塗層。
根據Bouhafs等人的報告。[ 7 ]，矽上三層抗反射塗層的設計可以用公式（5） - （7）優化，其中n 1 st，n 2 nd和n 3 rd是第一層，第二層的折射率層和第三層。折射率以n Si > n 1 st > n 2 nd > n 3 rd > n 空氣的順序降低。當設計波長為550 nm（λ 空氣），每層的最佳折射率和厚度確定為2.52（n 1 st），1.85（n 2 nd），1.36（n 3 rd），55 nm（d 1 st），74 nm（d 2 nd）和101nm（d 3 rd）。三層抗反射塗層，例如SiO 2 / SiO 2 -TiO 2 / TiO 2 [ 1 ]和SiO x / SiO x N y / SiN x [ 8採用降低矽太陽能電池的反射率和提高效率。
顯然，三層抗反射塗層在這三種結構中顯示出最低的反射率[ 1 ]。因此，光伏產業非常願意採用三層結構以獲得更好的光伏性能。儘管作為三層抗反射塗層的第一層具有適當的折射率（n = 2.26），但由於其表面鈍化能力差，TiO 2似乎不是最佳選擇，這對開路電壓是不利的。太陽能電池[ 1 ]。對於SiN x，一方面，採用PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）方法，在沉積過程中，其折射率可以從1.98調整到2.98 [ 9]]。另一方面，由於固定正電荷密度高，氫含量高，SiN x具有優異的表面鈍化能力，有利於提高開路電壓[ 8 ]。因此，在光伏工業中，考慮到抗反射效果，表面鈍化和工藝的簡單性，抗反射塗層通常由通過PECVD沉積的具有不同折射率的三個SiN x層構成。
儘管隨著折射率的增加可以改善SiN x的表面鈍化效果，但寄生吸收變得更加嚴重。因此，為了平衡，第一SiN x層的折射率通常約為2.37（n 1 st）。相應地，根據等式（5），將另外兩個SiN x層的最佳折射率確定為1.85（n 2 nd）和1.44（n 3 rd）。當設計波長為550 nm（λ 空氣）時，每個SiN x層的最佳厚度確定為58 nm（d 1）根據等式（7）， st），74nm（ d 2 nd）和95nm（ d 3 rd）。
然而，可以發現第二層和第三層的折射率不能通過SiN x [ 9 ]實現。因此，Kuo等人。採用SiO x N y（n = 1.8）作為第二層，SiO x（n = 1.46）作為第三層[ 8 ]，兩者都可以用PECVD方法容易地集成到SiN x沉積工藝中。在晶體矽太陽能電池的實際生產中，在PECVD管式爐中同時沉積240個帶有抗反射塗層的部件，這意味著控制每個部件之間的一致性是特別重要的。當SiO x N.在沉積y時，需要同時將三種氣體（SiH 4，NH 3和N 2 O）注入管式爐中，這對於控制稠度是一個很大的挑戰。Kuo等人。使用計算出的最佳厚度（59.78,76.39和94.18 nm）作為每層的實際厚度，從而產生令人印象深刻的抗反射效果[ 8]。然而，整個厚度高達230nm，這顯著增加了抗反射塗層的成本。此外，由於採用了燒穿銀觸點金屬化，塗層厚度高達230 nm肯定會影響銀和矽之間的接觸。因此，為了平衡成本，電極接觸和抗反射效果，抗反射塗層的整個厚度在批量生產中通常為約80n。
因此，在本報告中，為了尋求在大規模生產中具有較低反射率的更可行的抗反射塗層結構，採用SiOx代替傳統的三層SiNx抗反射塗層的第三層，保留另外兩層。這種新型抗反射塗層用於提高單晶矽PERC（鈍化發射極和後部電池）太陽能電池的效率，預計在未來幾年內將主導光伏市場。
2。材料和方法
採用硼摻雜的單晶矽晶片，其長度為156.75mm，厚度為180μm，電阻率為約0.8Ω·cm。工業化單晶矽PERC太陽能電池的製造工藝流程如圖1所示。
圖1. 工業化單晶矽太陽能電池的製造工藝流程。
首先用基於鹼的蝕刻溶液對切割後的單晶矽晶片進行紋理化。然後，將樣品轉移到管式爐中以完成磷擴散和發射體形成。隨後，用溼法蝕刻技術完成磷矽酸鹽玻璃（PSG）的去除，邊緣隔離和後表面拋光。之後，依次通過ALD（原子層沉積）和PECVD沉積氧化鋁和氮化矽，以在後表面上形成鈍化疊層（Al2O3/ SiNx）。之後，仍然使用PECVD在前表面上沉積抗反射塗層。在Al2O3/ SiNx之後通過雷射燒蝕局部打開堆疊，將電極漿料（背面銀，背面鋁和正面銀）絲網印刷並乾燥。最後，將樣品在網帶爐中燒結以完成金屬化並完成太陽能電池製造過程。
在沉積抗反射塗層期間，改變氣體源以調節層組成。對於SiNx，採用矽烷（SiH4）和氨（NH3）作為氣源。並且對於SiOx，氨被笑氣（N2O）代替。詳細地說，兩個具有不同折射率（n = 2.37和n = 2.09）的SiNx層和一個SiOx層（n= 1.46）組合形成三層抗反射塗層。如上所述，對稠度的控制特別重要，因為在管式爐中同時製造240個樣品。調節和優化氣流（SiH4和N2O），壓力，射頻功率和不同區域的溫度以改善一致性。在優化之後獲得以下所示的結果。為了比較，還採用傳統的SiNx三層抗反射塗層來製造太陽能電池，即採用折射率為1.99的SiNx層作為第三層。
在完成太陽能電池的整個製造工藝流程之後，通過電流注入進行載流子誘導的缺陷的鈍化，以抑制PERC太陽能電池的嚴重的光誘導的劣化。
在實驗之前，進行理論分析以探索SiO x層的最佳厚度。對於紋理化的晶片，光線傾斜地穿過抗反射塗層，這將增加光學路徑長度。此外，最初從表面反射的光的比例可以第二次到達表面並且還有另一個進入晶圓的機會[ 10 ]。因此，鑑於與平面晶圓的這些差異，採用了來自PV Lighthouse的SunSolve仿真軟體，而不是上述方程式，以進一步提高理論分析的準確性。將蒙特卡羅射線追蹤與薄膜光學相結合，SunSolve可以確定所選光譜下太陽能電池或太陽能模塊的光學損耗[11 ]。
如圖2所示，模擬結構由三層抗反射塗層，高度為2μm的隨機直立金字塔紋理，厚度為170μm的單晶矽晶片，平面後表面，Al 2 O組成。3 / SiN x鈍化疊層，以及從上到下的鋁電極。排除前母線和指狀物以聚焦在抗反射塗層上。
圖2. SunSolve中單晶矽PERC太陽能電池的模擬結構。排除前母線和指狀物以聚焦在抗反射塗層上。
三層抗反射塗層的模擬參數列於表1中。第一SiN x層和第二SiN x層的參數分別固定為20nm（n = 2.37）和45nm（n = 2.09）。調整第三層的參數，包括材料，折射率和厚度。
表 1.SunSolve中單晶矽PERC太陽能電池的三層抗反射塗層的模擬參數。
3.結果
3.1。仿真結果
在SunSolve中具有不同第三層抗反射塗層的單晶矽PERC太陽能電池的模擬反射曲線如圖3所示。可以發現，低於約550nm，具有SiOx作為第三層的樣品具有比具有SiNx作為第三層的樣品低得多的反射率。隨著SiOx第三層厚度的增加，低於約400nm的反射率降低。相反，在400nm和550nm之間，反射率增加。有趣的是，在高於約600nm的情況下，隨著厚度增加，反射率也降低。當SiOx厚度落在30nm和40nm之間時，SiO的反射率x第三層樣品在約600nm以上接近SiNx第三層樣品。
圖3. 在SunSolve中具有不同第三層抗反射塗層的單晶矽PERC太陽能電池的模擬反射曲線。列出了相應的加權平均反射率（WAR）。
根據Bouhafs等人的報告。[ 7 ]，加權平均反射率（WAR）使用以下等式（8）計算，因為太陽能電池性能也受光子通量和內部量子效率的影響。˚F 我（λ） ，Q 我（λ） ，和R（λ）表示的光子通量，內部量子效率和反射率，分別在波長λ 我（λ 1（300納米）≤ λ 我 ≤ λ 2（1100nm））。內部量子效率數據來自單晶矽PERC太陽能電池。每種抗反射塗層的相應WAR值列於圖3中。
可以發現，隨著SiO x第三層厚度的增加，WAR從3.13％（10nm SiO x）降低到2.46％（50nm SiO x）。顯然，用10nm SiO x作為第三層的15nm SiN x的替代物不能改善反射率，這意味著SiO x厚度應該至少為20nm。另一方面，考慮到所施加的燒穿銀接觸金屬化，三層抗反射塗層的厚度增加受到限制，以保證銀和矽之間的有效接觸。因此，三個SiO x 在以下實驗中，在20nm，30nm和40nm下使用厚度。
3.2。太陽能電池
根據模擬結果，採用具有三種不同厚度的SiO x第三層來構建抗反射塗層，即20nm，30nm和40nm，得到三組單晶矽PERC太陽能電池。具有15nm SiN x第三層的組用作對照。每組包含約100個樣品，並且光伏參數在箱形圖中顯示（圖4）。可以發現，由於存在少數異常值，一些平均值顯著低於中值。因此，提取中值並列於表2，這可以更好地反映實際情況。此外，與15 nm SiN x相比，效率提高圖 4d中的組也用中值計算。結果表明，用SiO x作為第三層代替SiN x可以有效地改善短路電流（I sc）。當20nm SiO x第三層可以產生40mA的電流增益時，通過將SiO x厚度增加到30nm或40nm，可以實現高於20mA的另一增益。該電流改善與模擬結果一致，表明反射率在短波長下降。除了電流，其他兩個光伏參數，即開路電壓（V oc）和填充因子（FF），具有很小的變化，這意味著用SiO x作為第三層替代SiN x在前表面鈍化和前柵極金屬化方面沒有差別。結果，由於短路電流的改善，光電轉換效率（Eff）得到改善。由於非常相似的電流，30nm和40nm的SiO x基團具有非常相似的效率，其比SiN x基團高約0.15％（絕對值）。另外，從在示出的箱形圖圖4，可以發現，這種更換的SiN X與的SiO X由於第三層在一定程度上對電流分布產生負面影響，導致效率分布略有擴大。如上所述，所採用的PECVD裝置設計用於工業生產，並且在管式爐中同時製造240個樣品。雖然我們調整和優化了沉積條件以提高一致性，例如氣流（SiH 4和N 2 O），壓力，射頻功率和不同區域的溫度，但仍需要對條件進行微調以進一步調整減少分布寬度和異常值的數量。
圖4. 光電參數的箱形圖（一個 -open電路電壓，b -short電路電流，Ç -fill因子，和d -efficiency）與抗反射塗層的不同層第三製造的單晶矽PERC太陽能電池。每組包含約100個太陽能電池。異常值和平均值由實心菱形和空心方塊表示。d中的實心黑球表示與15nm SiN x組相比的中值效率增益。
表2. 用不同的第三層抗反射塗層製造的單晶矽PERC太陽能電池的光伏參數。每組包含約100個太陽能電池，並列出中值。
為了研究電流改善的起源，測量了反射率和外量子效率（EQE）。應當注意，因為採用工業生產設備來沉積抗反射塗層，所以SiO x是第三層的厚度之間的組差異可能被正常波動所掩蓋。因此，僅選擇一組SiO x第三層與SiN x基團進行比較。考慮到效率增益和經濟性，30 nm SiO x第三層是最佳選擇，因為與40 nm SiO x相比，它具有非常相似的效率增益並且消耗更少的原材料。一個30nm SiO的反射率曲線X樣本和一個15納米的SiN X的金屬化前的樣品示於圖5 A，和金屬化後的EQE曲線展出圖5灣 由於相應測試儀器的限制，圖5中的兩個波長範圍之間存在輕微差異，即反射率為350-1050nm，EQE為300-1100nm。平滑反射曲線以使結果更容易觀察。可以發現，與15nm SiN x樣品相比，30nm SiO x樣品具有低於約550nm的顯著較低的反射率和高於約600nm的幾乎相同的反射率，這與模擬結果一致。在金屬化之後，30nm SiO x樣品具有低於約550nm的顯著更高的EQE和高於約600nm的幾乎相同的EQE，這與反射率結果一致。由於EQE改善，30nm SiO x樣品表現出更高的短路電流，這證實了上述光伏參數。
圖5. （a）金屬化前30nm SiO x第三層樣品和15nm SiN x第三層樣品的反射曲線。（b）金屬化後30nm SiO x第三層樣品和15nm SiN x第三層樣品的外量子效率曲線。
3.3。太陽能組件
為了檢查基於SiOx的單晶矽PERC太陽能電池作為第三層抗反射塗層是否具有可靠性問題，需要製造太陽能模塊。如上所述，30nm的厚度被認為是SiOx作為第三層抗反射塗層的最佳選擇。因此，製造另外1200個具有30nm SiOx的單晶矽PERC太陽能電池，並且根據效率對整個1300個太陽能電池進行分類。因此，480個太陽能電池的效率水平為21.5％（21.5％≤Eff挑選出<21.6％）來製造八個太陽能模塊。兩個太陽能模塊用於檢查光誘導降解（LID），另外兩個用於檢查電位誘導降解（PID）。標準測試條件下獲得通過，即，LID：1000瓦/米2，60℃，和60小時; PID：85°C，85％RH（相對溼度），-1000 V，PID為192 h。具有15nm SiNx的太陽能模塊用作對照。具有不同的第三層抗反射塗層的單晶矽PERC太陽能模塊的平均電池 - 模塊（CTM）比率，LID速率和PID速率，即30nm SiOx和15nm SiNx，列於表3中。很明顯，太陽能電池組件具有30納米的SiOx具有比具有15nm SiNx的CTM比略低的CTM比率，這可歸因於低於約550nm的光譜響應優勢。已知太陽能模塊的EVA（乙烯 - 乙酸乙烯酯共聚物）封裝材料將吸收短波長的光，導致部分掩蓋相應的光譜響應優勢。根據CTM比率，可以推斷的是，替換為15nm的SiNX與30納米的SiOX可能帶來約0.9 W的用於太陽能電池組件的平均輸出功率增益。30nm SiOx太陽能模塊的LID和PID速率接近15nm SiNx的LID和PID速率。此外，從LID測試前後的電致發光圖像（圖6b）或PID測試（圖6c，d），太陽能模塊中沒有存在嚴重劣化的太陽能電池，這證實了具有30nm SiOx的太陽能電池作為第三層抗反射塗層的一致性。因此，這種新型抗反射塗層不會對太陽能組件的可靠性產生負面影響。
4.進一步討論
在上面的結果中，缺乏內部量子效率數據，這對於評估抗反射塗層的寄生吸收是必不可少的。因此，為了解決這個問題，最近製造了具有不同第三層（即15nm SiN x和30nm SiO x）的抗反射塗層的新太陽能電池樣品。每組包含約400個太陽能電池，平均光伏參數列於圖7中。應該注意的是，因為已經應用了其他幾種優化方法，例如晶片電阻率降低，磷摻雜分布調整以及利用熱生長SiO 2改善表面鈍化薄層（~2 nm），光伏性能取得了良好進展。在此基礎上，當開路電壓和填充因子幾乎保持不變時，第三層抗反射塗層的改變導致56mA的短路電流增益和0.13％（絕對值）的效率增益。測量了兩種太陽能電池的反射率，外量子效率和內量子效率，如圖7所示。可以發現，改變後短波長的反射率和EQE得到改善，這與之前的結果一致。相反，IQE的下降低於約400納米。一方面，改變的抗反射塗層是第三層，它不與矽襯底直接接觸。另一方面，開路電壓根據先前和當前結果幾乎沒有變化。因此，據信表面鈍化不受第三層抗反射塗層改變的影響。相應地，IQE下降到約400nm以下可歸因於寄生吸收的增加，這可能是由SiO x引起的。
事實上，除了本報告中的空氣優化外，太陽能電池的抗反射塗層可以直接針對玻璃/ EVA封裝進行優化，預計這對於改善太陽能模塊的輸出功率更有利。然而，這種策略有些不可行，因為太陽能電池的幾乎所有表徵方法都是在空氣中進行的，例如IV（電流 - 電壓），QE（量子效率）和反射率。然而，可以根據理論計算和實驗結果討論這兩種策略之間的差異。如上所述，第一SiNx抗反射塗層的折射率通常約為2.37。根據等式（5）（nair用nEVA代替，其他兩個SiNx層的最佳折射率確定為玻璃/ EVA封裝的2.26（n2nd）和2.15（n3rd）（nglass=nEVA= 1.50）。相反，空氣的值為1.85（n2nd）和1.44（n3rd），遠低於封裝的值。從另一個角度來看，可以根據實驗結果估計由不同光學環境引起的增益/損失。當SiNx時第三層抗反射塗層被SiOx代替，太陽能電池和太陽能模塊的相對性能改進分別為0.70％（絕對0.15％）和0.30％（絕對0.9W）。可以推斷，當在模塊中實施SiOx時，太陽能電池中的性能增益降低了57％。
5.前景
在本報告中，採用三層結構來構建單晶矽PERC太陽能電池的抗反射塗層。然而，僅調整和優化第三層抗反射塗層，另外兩層是固定的。這種結構改進使太陽能電池的效率增益為0.15％。可以預期，如果其他兩層也參與抗反射塗層的優化，則太陽能電池的反射率和轉換效率將進一步提高。
另一方面，除了太陽能電池的進一步改進之外，還應該注意太陽能電池組件。EVA封裝材料在短波長下的吸收導致部分掩蓋具有SiOx作為第三層的太陽能電池的光譜響應優勢，這導致太陽能模塊的輸出功率增益僅為0.9W。因此，通過增強短波長的封裝材料透射率，可以增加CTM比，並且期望實現更高的輸出功率增益。
目前，抗反射塗層的進一步優化正在進行中，並且已經實現了太陽能電池的平均效率增益為0.2％。結合晶圓電阻率降低，磷摻雜分布調整和表面鈍化改善，單晶矽PERC太陽能電池的平均效率增長到21.93％。應該注意的是，如果應用選擇性發射極技術，預計太陽能電池效率將達到22.1％。對於太陽能模塊，需要與供應商建立合作，以減少短波長封裝材料的吸收，而不會降低太陽能模塊的可靠性。
6。結論
在光伏工業中，通常採用由具有不同折射率的三個SiNx層組成的抗反射塗層，以降低反射率並提高單晶矽PERC太陽能電池的效率。然而，由於SiNx的物理限制，不能實現低至約1.40的折射率，這是第三層三層抗反射塗層的最佳值。因此，在本報告中，第三層被SiOx取代，它具有更合適的折射率1.46，並且可以很容易地集成到SiNx中採用PECVD方法沉積工藝。通過使用SunSolve的模擬和分析，選擇三種不同的厚度，即20nm，30nm和40nm，以構建SiOx第三層。與15nm SiNx相比，SiOx第三層可以增加太陽能電池的短路電流，從而提高轉換效率。儘管太陽能電池效率隨著SiOx第三層厚度的增加而增加，但是30nm厚度是最佳選擇，因為與40nm厚度相比，它具有非常相似的效率增益並且消耗更少的原材料。替換為15nm的SiNX與30納米的SiOX因為第三層抗反射塗層可以帶來0.15％的效率增益。根據反射率和EQE測量，該效率改進源於低於約550nm波長的反射率降低和光譜響應增強。然而，相反，IQE下降到約400nm以下，這可歸因於SiOx引起的寄生吸收增加。至於太陽能電池組件，由於EVA封裝材料吸收短波長的光，太陽能電池的光譜響應優勢為30 nm SiOx部分被遮蓋，導致太陽能電池組件的CTM比率略低，輸出功率增益僅為0.9 W. LID和PID測試結果表明，這種新型三層抗反射塗層不會對太陽能組件的可靠性產生負面影響，可以大規模生產。
作者：張樹德1,2 OrcID，嶽瑤2，黨黨虎2，Weifei Lian 2,3，洪強強2，Jiansheng Jie 1，*，Qingzhu Wei 2,4，*，知春倪2,3，肖曉紅1和靈芝謝5
1蘇州大學功能納米與軟材料研究所（FUNSOM）江蘇省碳基功能材料與器件重點實驗室，蘇州215123
2蘇州泰樂森太陽能科技有限公司，江蘇常熟215542
3南京航空航天大學，南京210016
4常熟理工學院，江蘇常熟215500
5四川大學新能源與低碳技術研究所，成都610065
北極星太陽能光伏網聲明：此資訊系轉載自北極星電力網合作媒體或網際網路其它網站，北極星太陽能光伏網登載此文出於傳遞更多信息之目的，並不意味著贊同其觀點或證實其描述。文章內容僅供參考。