基于光學理論的PERC太陽電池背面AlOx/SiNx疊層膜的研究

黃河水電光伏技術產業有限公司 ■ 馬少華 呂欣崇鋒 孟慶平 侯少攀

基于光學理論的PERC太陽電池背面AlOx/SiNx疊層膜的研究

黃河水電光伏技術產業有限公司 ■ 馬少華 呂欣*崇鋒 孟慶平 侯少攀

AlOx/SiNx疊層膜廣泛應用于PERC(鈍化發射極和背面局部接觸)太陽電池中，以達到增強背反射和提高背表面鈍化效果的作用。在先前的研究中，光學理論分析僅應用于正面單層SiNx或SiOx/SiNx雙層膜厚度優化分析，極少應用于背面AlOx/SiNx雙層膜優化分析。本文采用Matlab軟件，基于光學導納矩陣理論，同時將AM 1.5G標準太陽光譜，AlOx、SiNx、Al在整個光譜范圍內(280～1200 nm)的折射率系數n (λ)考慮在內，系統分析了AlOx/SiNx雙層膜的背反射效果。另外，依據背面AlOx/SiNx不同膜厚組合下透射光反射回硅片本體的反射率曲線分布和平均反射率作為評估指標進行理論分析，結果表明：AlOx/SiNx優化后最佳膜厚組合為15 nm/80 nm，為PERC太陽電池背面膜厚優化提供理論支持。

AlOx/SiNx疊層膜；PERC；反射率；光學矩陣

0 引言

隨著光伏行業的發展，近年來，鈍化發射區背面電池(PERC)技術得到了廣泛關注[1-3]。電池正面采用雙層膜鈍化，有效地起到了減反射和鈍化的作用；背面采用3層膜鈍化，既能有效提高少子壽命，還能增加對長波的反射，起到背反射的作用，增加硅片對長波的吸收。背面鈍化普遍采用AlOx/SiNx膜，用于增加背面的反射率。

在較多的仿真研究中，大多研究者重點關注的是正面減反射層，并對不同膜層的最佳厚度進行了仿真，如SiOx/SiNx膜、SiNx膜、SiO2/TiO2膜等[4-6]，但很少有學者對背面膜層進行仿真研究。無論采用何種工藝的電池，其最終輸出功率均按照IEC 60904標準中要求的方法進行測試，在測試中需滿足AM 1.5G、溫度25 ℃、1000 W/m2等條件；再加上近年來對光伏行業應用端的關注越來越多，如何能夠有效提高組件在真實光照條件下的發電量更是關注的重點方向。因此，本文對背面膜層在AM 1.5G光譜下的特性進行了針對性研究，優化電池在實際運行光譜下的真實性能。

本文基于光學導納矩陣理論研究了AlOx/SiNx背面膜層的最佳厚度，考慮AlOx、SiNx、Al在整個光譜范圍內(280～1200 nm)的折射率系數n (λ)，而不是單純的將其反射系數默認為常數，如在633 nm時，AlOx的反射系數為1.6，SiNx的反射系數為2.04，Al的反射系數為1.3，反射系數是波長的函數[7,8]，如圖1所示。

圖1 AlOx、SiNx及Al膜層在280～1200 nm范圍內反射系數的分布

1 仿真方法

本文假設膜層對入射光線無吸收，利用Matlab軟件計算膜層在每個波長下對應的反射率，進而獲得整個光譜范圍內(280～1200 nm)的反射率分布曲線。通過綜合考慮整體反射率分布、平均反射率和AM 1.5G光譜，以期獲得最優化的AlOx/SiNx疊層膜的厚度組合。

基于光學導納矩陣理論[9]，對多層膜特征矩陣仿真如下：

式中，ηj是第j層光學導納；δj為第j層薄膜的位相厚度；i為復數；ηs是硅片基底的光學導納。

假設光線為垂直入射，則δj=2πηjd/λ，在波長λ處，第j層的光學導納正好是膜層的反射系數。

將輸入的光學導納進行組合，定義為Y=C/B，那么反射率為：

式中，η0為入射介質的光學導納。

則加權反射率[10]為：

式中，Φ(λ)是AM 1.5G條件下的光通量密度分布，如圖2所示；R(λ)是波長λ時的反射率。

圖2 AM 1.5G條件下的光通量密度分布圖

在仿真過程中，穿過PERC半成品電池的透射光被當作背面AlOx/SiNx膜層的入射光，如圖3所示。使用p型＜100＞、156 mm×156 mm尺寸、厚度在180±20 μm的直拉單晶硅片，樣品經過在堿性溶液中進行制絨、背面拋光后，進行磷擴散，擴散方阻為90 Ω/□，然后進行濕法刻蝕，PECVD(Roth & Rau)前表面沉積SiNx膜層。使用紫外-可見-近紅外光譜儀(U4100，Hitachi)測試樣品的透過率與反射率，結果如圖4所示。

圖3 測試樣品結構圖

圖4 半成品PERC電池樣品反射率與透過率圖

2 仿真結果

不同膜層、不同厚度組合的樣品反射率分布曲線如圖5～圖10所示，AlOx薄膜的厚度變化間隔是5 nm，SiNx膜層變化間隔是20 nm。

SiNx膜厚度在60～80 nm較薄的范圍內時，隨著AlOx膜厚度增大，反射率曲線先升高再降低，如圖5、圖6所示。當SiNx膜厚度在100～160 nm時，反射率曲線隨著AlOx膜層厚度的升高而降低，如圖7～圖10所示。

圖5 AlOx/SiNx(60 nm)的反射率曲線

圖6 AlOx/SiNx(80 nm)的反射率曲線

圖7 AlOx/SiNx(100 nm)的反射率曲線

另外，當SiNx膜層處于60～80 nm時，反射率只有輕微變化，但當SiNx膜層處于100～160 nm時，反射率的變化幅度逐漸變大。如圖5～圖10所示，當SiNx膜越厚，AlOx膜微小的變化會使反射率更加敏感；如圖10所示，當SiNx膜厚度在160 nm時，反射率會有較大改變。

圖8 AlOx/SiNx(120 nm)的反射率曲線

圖9 AlOx/SiNx(140 nm)的反射率曲線

圖10 AlOx/SiNx(160 nm)的反射率曲線

當AlOx膜厚度為10 nm，反射率曲線隨SiNx膜層厚度的變化而不同，如圖11所示。當SiNx膜厚度增加時，反射率呈先增加再減小的趨勢；當SiNx厚度達到80 nm時，反射率達到最高點。

圖11 AlOx(10 nm)/SiNx(900～1200 nm)的反射率曲線

如圖12所示，當AlOx/SiNx厚度組合為15 nm/80 nm時，平均反射率達到最高，約為0.785%。

圖12 AlOx/SiNx膜層平均反射率

3 結論

兼顧考慮反射曲線的分布、加權反射率及AM 1.5G光通量密度，研究結果表明：當AlOx/SiNx的厚度為15 nm/80 nm時，反射到硅片上的光線最多，平均反射率最大，約為0.785%。

但是在此文研究中，我們僅對AlOx/SiNx背面膜層的光學反射進行了研究，未對其鈍化效果進行測試，下一步我們會根據此項成果，重點對其鈍化效果進行研究。

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2016-11-26

呂欣 (1988—)，女，工程師，主要從事高效晶體硅太陽電池研發及光伏電站系統集成設計、效率提升等方面的研究。lvxin@cpisolar.com