雙層氮化硅減反膜對多晶硅太陽能光伏電池的影響

采用等離子體增強氣相沉積法制備了雙層氮化硅作為多晶硅太陽電池的減反膜，理論模擬了雙層氮化硅的光學參數(shù)，實際測試情況和理論模擬吻合良好。電池IV參數(shù)表明雙層氮化硅不但具有更佳的減反射效果而且表面鈍化效果也有所增強。批量試制結(jié)果顯示電池轉(zhuǎn)換效率提高了0.3%。

1引言

等離子增強氣相沉積(PECVD)制備氫化非晶氮化硅(SiNx：H)已經(jīng)成為工業(yè)太陽電池的標準工藝中一道工序。主要存在三方面的優(yōu)勢：作為減反射薄膜;鈍化太陽電池表面從而降低表面復合速度;薄膜中豐富的氫可以鈍化體內(nèi)的缺陷態(tài)。

影響三個優(yōu)勢體現(xiàn)的關鍵因素之一就是氮化硅中的硅含量。增加硅的含量，折射率n和消光系數(shù)k均相應增高。消光系數(shù)k增高，氮化硅的光吸收就會增強，所以高折射率n、高消光系數(shù)k的薄膜不適合作為減反膜?？諝庵?，單層減反膜的最佳折射率為1.96[1]。而相應地增加硅的含量，表面鈍化作用呈現(xiàn)增強趨勢，文獻中報道[2]當?shù)枵凵渎试黾拥?.3時，表面復合速度降到20cm/s以下。而最佳的體鈍化則出現(xiàn)在折射率n位于2.1至2.2之間。

為了整合氮化硅薄膜三方面的優(yōu)勢，達到優(yōu)勢最大化的目的，我們提出了一種新方法，即雙層氮化硅減反射膜。設想是先淀積一層高折射率n2的氮化硅可以更好地鈍化電池的表面，然后生長低折射率n1的氮化硅用于降低表面反射率。這樣的結(jié)構(gòu)由Schmidt[3]提出，但是他并沒有討論雙層膜耦合后的光學性質(zhì)以及電池片的工業(yè)試制。本文側(cè)重于雙層氮化硅減反膜多晶太陽電池的工業(yè)研制，并借助Sentech公司的SE400adv、Varian的Cary5000研究了雙層氮化硅對多晶電池電性能的影響。

2實驗

156×156cm、電阻率0.5-3?P型多晶硅片經(jīng)歷制絨、擴散和去磷硅玻璃后，Centrotherm管式PECVD(40KHz)制備SiNx：H薄膜，采用Sentech的SE400測試監(jiān)控氮化硅在633nm處的折射率以及厚度，結(jié)果見表1。絲網(wǎng)印刷正背電極以及鋁背場，燒結(jié)制成成品電池片。

表1氮化硅薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)(折射率在633nm處)

3結(jié)果與討論

圖1給出了表1中對應的未印刷電極時氮化硅減反膜在空氣中的反射率，可以看出在短波部分(350-550nm)雙層氮化硅比單層具有更低的反射率，其中雙層氮化硅2比1的反射率又有進一步的降低。這種降低存在兩種可能性：

一、底層氮化硅折射率增加后，薄膜中硅含量增加，光吸收增強，從而導致短波部分反射率的降低;

二、兩層折射率差距增大有利于減反射的更好匹配，反射率得到進一步降低。這與新南威爾士大學的網(wǎng)絡PVCDROM[4]教材中的理論模擬結(jié)果非常一致。

圖1單層和雙層氮化硅減反膜未印刷封裝時的反射率曲線

圖2為表1中三種結(jié)構(gòu)參數(shù)氮化硅薄膜做成成品電池后在空氣中的表面反射率，結(jié)果和未印電極時的表面反射率(圖1)吻合，即短波部分(350-550nm)雙層膜比單層膜具有更低的反射率，且增加底層氮化硅的折射率，反射率進一步降低。比較圖1和圖2還可以看出印刷正電極后整體反射率增加了4.8%左右。

圖2單層和雙層氮化硅減反膜未封裝時的反射率曲線

圖3給出了圖2中電池對應的外量子效率，同樣短波部分雙層膜電池的外量子效率高于單層膜，底層高折射率電池又會稍高出較低折射率電池(即圖中double2高于double1)。這和圖2是吻合的，降低電池正表面反射率，從而提高外量子效率。

圖3單層和雙層氮化硅多晶硅電池的外量子效率

相應地，測試了電池的電性能參數(shù)，結(jié)果見表2。電性能參數(shù)測試結(jié)果表明，確實短波部分反射率的降低，外量子效率的提高體現(xiàn)在雙層氮化硅電池比單層的短路電流稍有提高。另外我們注意到開路電壓同樣也有2-3mV的提高，這直接導致雙層氮化硅多晶電池的轉(zhuǎn)換效率提高了0.15%以上。

為了進一步驗證雙層氮化硅多晶硅電池的優(yōu)勢，結(jié)合生產(chǎn)

表2單層和雙層氮化硅多晶硅電池的電性能參數(shù)

進行批量試制，數(shù)量達兩千余片。單雙層氮化硅電池平均電性能參數(shù)對比見表3。從表中可以看到雙層氮化硅多晶電池比單層轉(zhuǎn)換效率提高了0.3%，這主要得益于開路電壓和短路電流的提高。

表3批量試制單雙層氮化硅多晶電池平均電性能參數(shù)

雙層氮化硅試驗結(jié)果表明一方面底層的高折射率氮化硅可以增加表面的鈍化效果(從開路電壓增加間接得出)，減少表面缺陷態(tài)，降低了正表面載流子復合的幾率，從而降低表面飽和電流，增強電池的短波響應并且增加開路電壓;另一方面，外層低折射率與底層高折射率氮化硅的光學匹配可以降低正表面的反射率，由于短波響應的增強，雙層膜增透的短波部分的太陽光在電池正表面得以響應從而轉(zhuǎn)化為短路電流的提高。當然底層折射率增大必然帶來光吸收的增強，但我們認為底層氮化硅的厚度只有30nm，光吸收相對光增益占了次要位置，而且表面鈍化的增強，所以總的來說雙層氮化硅對多晶硅太陽電池有著積極的影響。

4結(jié)論

利用Centrotherm管式PECVD在多晶硅上生長出雙層氮化硅，底層高折射率的氮化硅具有很好的表面鈍化效果，可以增加電池的開路電壓;高低折射率的匹配可以降低電池短波部分的反射率，提高電池的短路電流。批量試制實驗表明雙層氮化硅電池相比較單層氮化硅具有明顯的優(yōu)勢，轉(zhuǎn)化效率可以提高0.3%，另外雙層氮化硅可以在同一工藝中進行，不增加任何工藝成本，方便于產(chǎn)業(yè)化。綜上所述，雙層氮化硅多晶硅電池前景頗好。