光伏电池及组件的减反膜综合优化

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1、晶体硅光伏电池和组件的减反膜综合优化上海君威新能源装备有限公司夏世伟2011-5-2摘要：本文通过理论分析和实验验证，详细分析了太阳能电池和光伏组件的减反膜系统，建立了减反膜系统的综合评价体系，同时提出了减反膜系统的优化设计方法，初步探讨了优化减反膜系统的产业化实现方法。关键词：太阳能电池光伏组件减反膜多层减反膜镀膜工艺M-SioNAR前言在地面用太阳能电池及其组件的制备工艺中，减反膜对于太阳能电池的光电转换效率起着非常重要的作用。理论和实践证实，适当的减反膜系统，能够使太阳能电池及其组件的效率提高3~5%。在当前应用于大规模晶硅电池的生产工艺中，减反效果通过两个工艺技术实现，分别为表面

2、制绒技术和SiN减反膜技术。其中，制绒技术利用光线的多次折返原理，提高电池对光辐照的吸收，可以使电池表面的反射率降低约3%；而减反膜技术利用光学衍射原理，使电池的反射率进一步大幅降低约15%，这对太阳能电池转换效率的提高起着至关重要的作用。尽管目前的PECVDSiN薄膜工艺已经以成熟工艺的姿态，大规模应用于生产工艺中，减反膜的优化设计尚有可观的潜力可以挖掘。1.晶硅电池及其组件结构简述1.1晶硅电池组件的基本结构基于晶体硅电池（包括单晶硅电池和多晶硅电池）的光伏组件由背面玻璃或背膜、背面EVA、电池片、正面EVA、正面玻璃组成，如图1所示。玻璃减反膜正面白玻璃EVA电池绒面及减反膜晶体硅

3、基底及有源层背膜或玻璃EVAAl背场图1晶体硅电池组件的基本结构其中，背面玻璃或背膜及EVA仅作保护之用，正面EVA兼具减反作用，正面玻璃镀上减反膜以后，可以进一步降低组件的反射率。而电池片中，绒面和减反膜对反射率的降低起到关键的作用。1.1电池片减反膜的常规制备工艺常规晶体硅电池片制造工艺中，均采用SiN薄膜作为减反膜。鉴于SiN薄膜具有优越的光学特性和电学特性，与Si衬底的折射率相匹配，同时与Si器件的制造工艺兼容，易于实现大规模的产业化制备，已经成为晶体硅太阳能电池制造工艺的不二选择。Si材料的折射率为3.3~6.0，SiN薄膜的折射率为1.95~2.2，二者具有很好的匹配性。控制

4、合理的折射率和薄膜厚度，可以使反射率降低约15%。现有成熟工艺中，一般选用折射率为2.0，厚度为85nm。目前，均使用PECVD工艺方法制备SiN薄膜。该工艺方法利用SiH4和NH3气体在真空环境下，经射频电磁场激发的等离子体氛围中进行化学气相反应，生成SiN固体沉积到电池片表面，形成SiN薄膜。PECVD工艺为一种低温工艺，SiN薄膜的沉积温度一般为250℃~400℃，与电池制造的其他工艺相兼容。通过调整沉积过程的气氛压力、衬底温度、气体流量及其比例、电磁场功率等多种工艺条件，可以调节SiN薄膜的组分比例、致密性、膜层应力和折射率等薄膜特性，从而获得最优的镀膜参数。2.减反膜系统的评价

5、方法使用光学薄膜实现的减反效果，均有一个最佳光谱范围。对晶体硅太阳能电池而言，其光电响应的有效光谱范围为350nm~1100nm，其量子效应的峰值处于~900nm，如图2所示。图2单晶硅太阳能电池光谱响应曲线而对于太阳光而言，地面辐射一般采用AM1.5G标准，其辐照度峰值位于500nm，如图3所示。图3AM1.5G太阳光光谱曲线因而，对于太阳能电池减反系统的评价，必须综合考虑电池的光谱响应和太阳光的光谱分布。一种有效地方法被称为加权积分法。其权重曲线如图4所示。图4太阳能电池对太阳光的光谱响应权重曲线由图4可见，太阳能电池对太阳光的吸收转换能量主要集中于500nm~920nm之间，其峰值

6、位于650nm~800nm，呈平顶态势。减反系统的设计所需要关注的光谱范围，首先在上述波段范围内，500nm以下及920nm以上，相对影响较小。1.电池片减反膜系统的分析和优化1.1单层减反膜系统目前应用于地面太阳能电池大规模生产工艺中的减反膜，几乎全部采用PECVDSiN薄膜。所使用的SiN薄膜折射率控制在2.0左右，厚度为80~85nm。上面已经提到，对于PECVDSiN镀膜工艺，改变工艺参数可以调整薄膜的折射率。图5、图6显示了几种不同折射率SiN薄膜的反射率曲线及其加权响应曲线。图5单层SiN减反膜反射率曲线图6单层SiN减反膜加权响应曲线从图5可以观察到，较低的折射率对降低反射

7、率有利。尽管在图6的加权响应曲线中，很难区分几种膜系的优劣，但是加权积分数可以显示相同的趋势，如表1所示。表1单层SiN减反膜系统光谱响应加权积分数减反膜n2.0x82nmn2.1x80nmn2.2x76nm加权积分数84.0483.7183.08由表1可以看出，n=2.2SiN膜系相比于n=2.0SiN膜系，其电池的转换将降低~1.14%。因而，目前的电池片生产商均选择n=2.0的SiN膜系。然而，当电池片做成组件以后，情况将有所