基于光学理论的PERC太阳电池背面AlOx/SiNx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

基于光学理论的PERC太阳电池背面AlOx/SiNx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

AlOx/SiNx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SiNx或SiOx/SiNx双层膜厚度优化分析，极少应用于背面AlOx/SiNx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，AlOx、SiNx、Al在整个光谱范围内(280～1200 nm)的折射率系数n (λ)考虑在内，系统分析了AlOx/SiNx双层膜的背反射效果。另外，依据背面AlOx/SiNx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：AlOx/SiNx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。

AlOx/SiNx叠层膜；PERC；反射率；光学矩阵

0 引言

随着光伏行业的发展，近年来，钝化发射区背面电池(PERC)技术得到了广泛关注[1-3]。电池正面采用双层膜钝化，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，起到背反射的作用，增加硅片对长波的吸收。背面钝化普遍采用AlOx/SiNx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SiOx/SiNx膜、SiNx膜、SiO2/TiO2膜等[4-6]，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IEC 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AlOx/SiNx背面膜层的最佳厚度，考虑AlOx、SiNx、Al在整个光谱范围内(280～1200 nm)的折射率系数n (λ)，而不是单纯的将其反射系数默认为常数，如在633 nm时，AlOx的反射系数为1.6，SiNx的反射系数为2.04，Al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。

图1 AlOx、SiNx及Al膜层在280～1200 nm范围内反射系数的分布

1 仿真方法

本文假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下对应的反射率，进而获得整个光谱范围内(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AlOx/SiNx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：

式中，ηj是第j层光学导纳；δj为第j层薄膜的位相厚度；i为复数；ηs是硅片基底的光学导纳。

假设光线为垂直入射，则δj=2πηjd/λ，在波长λ处，第j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Y=C/B，那么反射率为：

式中，η0为入射介质的光学导纳。

则加权反射率[10]为：

式中，Φ(λ)是AM 1.5G条件下的光通量密度分布，如图2所示；R(λ)是波长λ时的反射率。

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AlOx/SiNx膜层的入射光，如图3所示。使用p型＜100＞、156 mm×156 mm尺寸、厚度在180±20 µm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 Ω/□，然后进行湿法刻蚀，PECVD(Roth & Rau)前表面沉积SiNx膜层。使用紫外-可见-近红外光谱仪(U4100，Hitachi)测试样品的透过率与反射率，结果如图4所示。

图3 测试样品结构图

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，AlOx薄膜的厚度变化间隔是5 nm，SiNx膜层变化间隔是20 nm。

SiNx膜厚度在60～80 nm较薄的范围内时，随着AlOx膜厚度增大，反射率曲线先升高再降低，如图5、图6所示。当SiNx膜厚度在100～160 nm时，反射率曲线随着AlOx膜层厚度的升高而降低，如图7～图10所示。

图5 AlOx/SiNx(60 nm)的反射率曲线

图6 AlOx/SiNx(80 nm)的反射率曲线

图7 AlOx/SiNx(100 nm)的反射率曲线

另外，当SiNx膜层处于60～80 nm时，反射率只有轻微变化，但当SiNx膜层处于100～160 nm时，反射率的变化幅度逐渐变大。如图5～图10所示，当SiNx膜越厚，AlOx膜微小的变化会使反射率更加敏感；如图10所示，当SiNx膜厚度在160 nm时，反射率会有较大改变。

图8 AlOx/SiNx(120 nm)的反射率曲线

图9 AlOx/SiNx(140 nm)的反射率曲线

图10 AlOx/SiNx(160 nm)的反射率曲线

当AlOx膜厚度为10 nm，反射率曲线随SiNx膜层厚度的变化而不同，如图11所示。当SiNx膜厚度增加时，反射率呈先增加再减小的趋势；当SiNx厚度达到80 nm时，反射率达到最高点。

图11 AlOx(10 nm)/SiNx(900～1200 nm)的反射率曲线

如图12所示，当AlOx/SiNx厚度组合为15 nm/80 nm时，平均反射率达到最高，约为0.785%。

图12 AlOx/SiNx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AlOx/SiNx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AlOx/SiNx背面膜层的光学反射进行了研究，未对其钝化效果进行测试，下一步我们会根据此项成果，重点对其钝化效果进行研究。

[1] Green M A. The Passivated Emitter and Rear Cell (PERC): From conception to mass production [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2015, (143): 190－197.

[2] Yeonhee H, Chang-Sub P, Jisun K, et al. Effect of laser damage etching on i-PERC solar cells [J]. Renewable Energy, 2015, (79) : 131－134.

[3] Jisoo K, Jisun K, Jong-Youb L, et al. Laser ablation of aluminum oxide and silicon nitride rear-side passivation for i-PERC cell [J]. Renewable Energy, 2015, (79) : 135－139.

[4] Suxiang Z, Qi Q, Song Z, et al. Rear passivation of commercial multi-crystalline PERC solar cell by PECVD Al2O3[J]. Applied Surface Science, 2014, (290) : 66－70.

[5] Christopher K, Sabrina W, Ulrike B, et al. Industrial cleaning sequences for Al2O3-passivated PERC solar cells[J]. Energy Procedia, 2014, (55) : 211－218.

[6] Vermanga B, Choulata P, Goverdea H, et al. Integration of Al2O3as front and rear surface passivation for large-area screenprinted p-type Si PERC[J]. Energy Procedia, 2012, (27) : 325 –329.

[7] Kim J. Optimization of SiNxlayer for solar cell using computational method[J]. Current Applied Physics, 2011, 11: S39－S42.

[8] Junhänel M，Schädel M，Stolze L，et al．Black multicrystalline solar modules using novel multilayers antireflection stacks[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition/5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C], Valencia, Spain, 2010.

[9] Menna P, Francia G D, Ferrara V L. Porous silicon in solar cells: A review and a description of its application as an AR coating[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1995, 37: 13－24.

[10] Dawei W, Rui J, Wuchang D, et al. Optimization of Al2O3/SiNxstacked antireflection structures for N-type surface-passivated crystalline silicon solar cells[J]. Journal of Semiconductors, 2011, 32(9): 094008-1—094008-4.

2016-11-26

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。lvxin@cpisolar.com