一種彩色多晶硅太陽電池的制備方法及性能測試

上海神舟新能源發展有限公司 ■ 趙鈺雪 鄭飛 趙晨 楊林 張忠衛

0 引言

光伏建筑一體化(BIPV)的概念在1991年被首次提出，隨著近些年光伏產業的發展，BIPV得到越來越多的關注和應用；同時，由于光伏環境一體化、光伏建筑一體化等發展要求，即達到光伏組件與建筑物或周邊景物顏色一體化的目的，越來越多的客戶對晶體硅光伏組件的顏色有了更多的要求。目前市場主要以藍黑色太陽電池為主，可以說彩色太陽電池的出現，結束了太陽電池單色調的歷史。

彩色太陽電池的制備方法有很多種，可通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD)單次或多次成膜[1]、磁控濺射方法[2]及電子束蒸發鍍膜沉積多層結構復合減反膜[3]等方法制備。對于市場率占近80%的晶體硅太陽電池來說，彩色晶體硅太陽電池的制備有2種方式：1)印刷電極后再沉積彩色減反膜，從而制得彩色晶體硅太陽電池。該方式容易使電極沉積一層氮化硅，導致焊帶難以焊接到正面銀電極上，所以該方式的主要難點是解決組件的焊接拉力問題。2)在印刷前直接沉積彩色減反膜，然后再印刷。但如果印刷前不做任何處理工藝，以目前銀漿料的穿透能力，銀漿料難以與硅基體形成良好的歐姆接觸，從而會嚴重影響太陽電池的電性能。

本文采用第2種制備方式，并利用PECVD調整工藝，制備了不同顏色的彩色多晶硅太陽電池，并對幾種彩色多晶硅太陽電池減反膜的光學性能和電池的電學性能進行了測試及分析。

1 實驗

1.1 樣品制備

實驗采用p型多晶硅片(156 mm×156 mm)，彩色多晶硅太陽電池樣品的制備流程如圖1所示。所有樣品經多晶硅太陽電池生產的常規工藝進行制絨、擴散、刻蝕后，用板式PECVD調節一次性鍍膜工藝，在硅片正面沉積藍色、金黃色、紫紅色和綠色的氮化硅減反膜，并通過腐蝕去除印刷區域一定厚度的氮化硅減反膜，然后清洗和甩干，再經過印刷燒結，分別制得藍色、金黃色、紫紅色、綠色共4種顏色的彩色多晶硅太陽電池。制備完成后，對樣品進行性能測試，其中藍色為常規多晶硅太陽電池，將其設為本文其他彩色多晶硅太陽電池性能測試的對比組。

圖1 彩色多晶硅太陽電池樣品的制備流程

在本實驗中，氮化硅減反膜的厚度測試采用SENTECH SE 400adv多角度激光橢偏儀；氮化硅減反膜薄膜沉積后樣品的反射率測試采用R9000-2DMA全自動D8積分式反射儀；多晶硅太陽電池的電性能測量采用Halm測試機；多晶硅光伏組件的電性能測試采用PASAN功率測試儀。

1.2 測試結果及分析

1.2.1 減反膜的反射率測試

沉積4種顏色的減反膜后，測試硅片表面的反射率，其變化與差異如圖2所示；不同顏色減反膜的表面反射率與未鍍膜的表面反射率如表1所示。

薄膜吸收光波長和最佳膜厚之間的關系為[4]：

圖2 沉積不同顏色減反膜后硅片表面反射率

式中，λ為吸收光波長；n為膜的折射率；d為膜的厚度。

表1 不同顏色減反膜的平均反射率

隨著減反膜膜厚的增加，平均反射率也依次增高，金黃色、紫紅色和綠色多晶硅太陽電池的反射光在可見光范圍內出現波峰和波谷逐漸增多，這與文獻[5]的測試結果基本一致。

1.2.2 減反膜的膜厚測試

本文是采用印刷前一次性沉積彩色減反膜的方法，由于減反膜較厚，目前行業市場化的正面電極銀漿無法穿透氮化硅減反膜而到達p-n結，使正面銀漿與硅基體不能形成良好的歐姆接觸。因此，本文彩色多晶硅太陽電池在制備過程中最重要的工序是腐蝕，即在印刷前需對特定區域減反膜進行腐蝕處理。腐蝕后氮化硅減反膜的厚度也是至關重要的參數，表2為氮化硅減反膜腐蝕前及腐蝕后腐蝕區域的膜厚對比。

表2 腐蝕區域與非腐蝕區域的膜厚對比

從表2可以看出，腐蝕后的氮化硅減反膜厚度已滿足目前銀漿的穿透能力，通過燒結，可以與硅機體形成良好的接觸，這在下文電池的電性能參數上也可以體現出來。

1.2.3 彩色多晶硅太陽電池的電性能測試

表3是不同顏色多晶硅太陽電池的電性能參數表。從表3可以看出，當折射率不變，隨著膜厚的增加，膜的鈍化效果在增加，Voc有增加的趨勢，但不明顯；而Isc卻明顯降低，這是由于膜厚增加導致反射率增加；同時膜越厚，膜層的吸光作用也越強[5]。另外，其他顏色的多晶硅太陽電池Rs比藍色的略有增加，但從電性能數據來看，電極已與硅基體形成了良好的歐姆接觸。

表3 不同顏色多晶硅太陽電池的電性能參數表

1.2.4 彩色多晶硅光伏組件功率測試

圖3為彩色多晶硅光伏組件功率的增益情況。從圖3中數據點可以看出，彩色多晶硅光伏組件都是有正增益的，最高可增益8%左右。

圖3 彩色多晶硅光伏組件功率的增益情況

1.2.5 彩色多晶硅太陽電池的正電極拉力測試

采用350 ℃的電烙鐵對彩色多晶硅太陽電池的正面電極進行焊接，并測試焊接拉力。4種顏色的多晶硅太陽電池的拉力測試結果如表4所示，圖4為綠色多晶硅太陽電池的拉力曲線。

表4 焊接拉力測試結果

圖4 綠色多晶硅太陽電池的拉力曲線

從表4可以看出，該工藝所制作的彩色多晶硅太陽電池的正電極拉力完全符合要求。

2 結論

本文利用PECVD一次性沉積彩色減反膜，并通過腐蝕降低印刷區域的減反膜厚度，經過印刷燒結后，制得彩色多晶硅太陽電池。

通過測試可知：

1)沉積的彩色減反膜越厚，表面的反射率越高，吸光效果也越明顯，對電池電流的影響也越明顯，但對電壓增益不太明顯；

2)腐蝕后的減反膜厚度可以使正面電極與硅基體形成較好的歐姆接觸；

3)電極的焊接拉力完全滿足要求，雖然彩色多晶硅太陽電池的效率比傳統藍色多晶硅太陽電池的效率低了很多，但在封裝之后，彩色多晶硅光伏組件的功率有明顯的增益。

[1]Selj J H, Mongstad T T, S?ndena? R. Reduction of optical losses in colored solar cells with multilayer antireflection coatings[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2011, (95):2576-2582.

[2]Huang Hanchen, Wei H L, Woo C H, et al. Engineering kinetic barriers in copper metallization[J]. Applied Physics Letters, 2002,81 (23) : 4359.

[3]陳光華, 鄧金祥. 納米薄膜技術與應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2004.

[4]Wenham S R, Green M A, Watt M E, et al. Applied Photovoltaics [M]. London: Earthscan Publications Ltd., 2009: 59.

[5]Jia He-Shun, Luo Lei, Li Bing-Lin, et al. Performance of polycrystal silicon color solar cells[J]. Acta Physica Sinica, 2013,62(16): 168802.