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-solarbe文库

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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／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 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{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 7·O 6·5 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 2·5 蓬2 篓¨ 呕．。 ‘ ● ’ 95 5 niii／l州11111 lIn111¨州l nnl 5mn／16Il nm 20 Bill／1¨IIill 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 Cells，2015，143190 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。 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