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摘要:本文研究了通过等离子气相沉积(PECVD)在多晶硅片上制作三层氮化硅减反射膜层,设计的折射率逐渐减小的三层氮化硅膜层能更好的钝化多晶硅片的体表面和减小光的反射,提高了多晶太阳电池的开路电压和短路电流,从而有效的提高了多晶太阳电池的光电转换效率。
氮化硅薄膜作为表面介质层在传统晶硅太阳电池制造中被广泛应用,它能够很好地钝化多晶硅片表面及体内的缺陷和减少入射光的反射。氮化硅膜层中硅的含量增高,折射率和消光系数均相应增高,随之氮化硅对光的吸收就会增强,所以高折射率、高消光系数的薄膜不适合作为减反膜,但是相应地增加硅的含量,表面钝化作用呈现增强趋势[1]。为了兼顾氮化硅膜层的钝化和减反射效果,对于多晶太阳电池普遍采用双层氮化硅膜的减反射膜层,即先淀积一层高折射率的氮化硅可以更好地钝化太阳电池的表面,然后生长低折射率的氮化硅用于降低表面反射率,从而有效的提高了太阳电池的光电转换效率。理论上采用多层氮化硅减反射膜层通过不断降低折射率,能够更好的钝化太阳电池表面和降低表面反射率[2]。本文研究的是利用PECVD制作三层氮化硅膜以及其对多晶太阳电池的影响。
1实验
本实验采用156×156多晶硅片,电阻率1～3Ω˙cm,厚度180um的P型硅片,所有硅片除PECVD工艺外,其它都经过相同的处理过程。首先硅片经过HF和HNO3的混合溶液进行制绒,然后经过820℃～870℃的POCl3扩散,接着进行湿法刻蚀去背结。再经过管式PECVD制作氮化硅减反射膜,PECVD过程中分别采用传统双层膜工艺和本文设计的三层膜工艺各做一组实验,采用Sentech的SE400测试监控氮化硅膜的折射率以及厚度。传统双层氮化硅膜工艺:第一层膜(与硅表面接触的那一层)折射率为2.3左右,厚度为30nm,第二层膜折射率为2.0左右,厚度为55nm;本文设计的三层膜结构为第一层膜折射率为2.35以上,厚度为10nm,第二层氮化硅薄膜的折射率为2.15左右,厚度为25nm,第三层氮化硅薄膜的折射率为2.0以内,厚度为50nm。
PECVD镀完膜厚,通过反射率测试仪分别对采用双层和三层氮化硅膜工艺的实验片在波长300～1200nm之间进行反射率测试,用WT2000少子寿命测试仪分别对采用双层和三层氮化硅膜工艺的实验片进行少子寿命抽测,抽测样片数量为实验总片数的10%。最后经过丝网印刷制作背电场及前后电极并进行烧结做成电池片,在光照AM1.5,温度25℃的条件分别测试两组实验片的电性能。
2结果与讨论
通过反射率测试仪分别采用双层氮化硅膜和三层氮化硅膜工艺所做实验片进行反射率测试,波长选择300～1200nm,反射率曲线如图1所示。可以看出在短波部分(300～500nm)三层氮化硅比双层氮化硅膜具有更低的反射率。可能是由于折射率从硅片表层向外逐渐递减三层氮化硅膜,能使入射的太阳光在内部多次反射和干涉,更大程度的增加了入射光的吸收,达到更好的减反射效果。
通过WT2000少子寿命测试仪对双层氮化硅膜和三层氮化硅膜两种镀膜工艺所做实验片镀膜前后的少子寿命进行监测,抽测样片数量为实验总片数的10%,并计算出镀膜前后少子寿命的增加量,根据统计发现三层氮化硅膜镀膜前后的少子寿命增加量比双层氮化硅膜的高。采用双层氮化硅膜工艺的实验片的少子寿命增加量的平均值为7.2us,采用三层氮化硅膜工艺的实验片少子寿命的增加量平均值为12.7us。分析原因应该是由于三层氮化硅膜底层的氮化硅膜层(即与硅片表面接触的那层氮化硅膜层)对硅片表面钝化和体内钝化的更好,所以镀膜前后的少子寿命增加量比较大,少子寿命的提升有利于太阳电池开路电压的提高。
将双层和三层氮化硅膜所做的太阳电池分别进行电性能测试,结果见表1。从表1中看出,三层膜的太阳电池的开路电压比双层膜的提高2mV,另外三层膜太阳电池的短路电流也比双层膜的提高了0.05A。分析原因开路电压的提高应该与三层氮化硅膜的少子寿命高于双层膜,钝化效果较好有关;而短路电流的提升主要是由于三层膜的实验片短波部分反射率较双层膜的低,从而增加了光的吸收,所以短路电流略有提高。开路电压与短路电流的提升,最终使三层氮化硅膜多晶太阳电池比传统双层膜的光电转换效率提高了0.15%。
3结论
在太阳电池的产业化中利用PECVD对多晶硅片进行沉积氮化硅减反射膜,采用三层氮化硅膜工艺能更好的整合氮化硅膜层的减反射效果与体表面的钝化效果。更高的底层折射率的氮化硅膜具有更好的体表面钝化效果,可以进一步提高太阳电池的开路电压,折射率逐渐降低的三层氮化硅膜层能更好的降低太阳电池短波部分的反射率,提高太阳电池的短路电流,批量实验表明三层氮化硅膜的多晶太阳电池转换效率较双层膜的有所提升,所以多晶太阳电池采用三层氮化硅减反射膜比双层氮化硅减反射膜更有利于提高太阳电池的光电转换效率。
参考文献
[1]王晓泉,汪雷,席珍强,等.PECVD淀积氮化硅薄膜性质研究[J].太阳能学报,2004年03期.
[2]毛赣如,原小杰.等离子体增强CVD氮化硅作硅太阳电池的减反射膜[J].太阳能学报,1988(3):286-290.
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