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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35%。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
2、面制绒技术和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PECVD SiN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
3、硅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。1.2 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3.36.0，SiN薄膜的折射率为1.952.2，二者具有很好的匹配性。控制合理
4、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250400，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. 减反膜系统的评价方法使用光学薄
5、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350nm1100nm，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3 AM1.5G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500nm920nm之间，其峰值位于650nm800
6、nm，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。3. 电池片减反膜系统的分析和优化3.1 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PECVD SiN薄膜。所使用的SiN薄膜折射率控制在2.0左右，厚度为8085nm。上面已经提到，对于PECVD SiN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率有利。尽管在图6
7、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，情况将有所不同，这将在后续章节中予以讨论。3.2 双层减反膜系统几乎所有技术人员均相信，优化减反膜系统，对于太阳能电池转换效率的提高尚有潜力可挖。由此，各国技术人员都开展了对减反膜系统的研究，
8、其研究方向均集中于多层膜系的设计和制备。尽管，按照纯粹光学的方法可以设计并制作出相当完美的减反膜系统，但是这种方法受到了制备工艺的制约，无法在太阳能电池的大规模生产线上予以应用。综合生产成本、生产效率、转换效率等因素的折中考虑，双层或三层膜系是一种选择方案。图7、图8示出了几种双层减反膜系统的反射率曲线及其加权响应曲线，表2列出了其加权积分数。表2 双层减反膜系统光谱响应加权积分数减反膜ZnS/MgFZnS/SiOSiN/SiO加权积分数87.4486.8386.16图7 双层减反膜反射率曲线图8 双层减反膜加权响应曲线由图7、图8和表2所示，双层减反膜体系对反射率的降低显而易见。其中，相对于
9、2=2.0SiN单层膜系而言，ZnS/MgF膜系结构将使转换效率提高4.0%，SiN/SiO膜系也可使转换效率提高2.5%。双层膜系的优越性显而易见，却未能在太阳能电池生产线中得到很好的应用，其主要制约因素包括：1）界面钝化：众所周知，SiN薄膜作为减反膜，同时兼具表面钝化的作用，能够有效地降低表面缺陷引起的漏电和界面复合，而基于ZnS的薄膜，对Si基片没有钝化作用；2）工艺兼容性：常规晶体硅电池的引出电极，采用银浆印刷，并借助烧结过程使金属化材料（Ag）穿透介质层而形成欧姆接触，基于ZnS的薄膜不能兼容此后续工艺；3）生产效率和一致性：ZnS和MgF均需要使用真空蒸发镀膜工艺或真空升华镀膜工
10、艺实现，生产效率低下，同时膜厚均匀性和一致性不易控制，较难适应地面太阳能电池对高效大规模产能和低成本的需求。4）生产设备：目前，全球尚无可供太阳能电池大规模生产线使用的商业化多层减反膜工艺设备。所幸的是，上海君威新能源装备有限公司已成功开发基于SiN/SiO膜系结构的生产线镀膜设备，采用线性微波平板式PECVD镀膜工艺，能够镀制多层SiN系薄膜，生产能力最高可达到2000片（125x125）/小时，镀膜均匀性（900mmx900mm面积内）优于3%，批间一致性优于5%。用该设备制备的SiN/SiO双层减反膜，与传统的晶体硅电池工艺完全兼容，同时兼备减反和钝化功能，优越的减反性能使电池效率提高2
11、3%。该设备已在晶体硅电池生产线上完成批量试生产验证，无故障使用时间超过100天，使用成本降低10%，并已提供商业化销售。4. 光伏组件减反膜系统的分析和优化在光伏电池组件结构中，除了电池片本身的减反系统以外，正面EVA和玻璃均对光学特性产生一定的影响。众多生产厂家注意到一个现象，有些电池片在做成组件以后，转换效率有所提高，而有些电池片却反而降低。笔者曾听到很多厂家抱怨，他们在花费大量精力和财力使电池片的转换效率得到提高后，这种效果却无法在组件中得以体现。对此，我们应该考虑到，当电池片做成组件以后，将形成另一个光学系统，其减反作用已经不同于电池片单体。为此，本文利用TFcal软件，将硅片基底-
12、电池片减反系统-EVA-玻璃-玻璃减反膜作为一个整体光学系统进行计算，得到图9图17的反射率曲线，得以印证我们在生产实践中观察到的现象，同时提出综合减反系统的优化方案。计算过程使用如下参数：1）EVA：折射率1.41，厚度0.5mm；2）玻璃：折射率1.46，厚度5mm；3）玻璃减反膜：折射率1.38，厚度146nm。对应的加权响应积分数列于表3中。图9 SiN2.0-EVA-G反射率曲线图10 SiN2.1-EVA-G反射率曲线图11 SiN2.2-EVA-G反射率曲线图12 ZnS/MgF-EVA-G反射率曲线图13 SiN2.4/SiN1.6-EVA-G反射率曲线图14 SiN2.2/S
13、iN1.6-EVA-G反射率曲线图15 SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G反射率曲线图16 SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-MgF反射率曲线图17 SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-SiO1.2反射率曲线表3 综合减反膜系统光谱响应加权积分数序号膜系加权响应积分数反射曲线1SiN2.0-EVA-G81.59图92SiN2.1-EVA-G82.39图103SiN2.2-EVA-G82.87图114ZnS/MgF-EVA-G82.73图125SiN2.4/SiN1.6-EVA-G83.08图136SiN2.2/SiN1.6-EVA-G82
14、.11图147SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G83.36图158SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-MgF84.06图169SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-SiO1.285.30图17上述图标揭示如下几条规律：A） 对于任何膜系，单片最优并非组件最优：n=2.0SiN膜系，在做成组件以后，转换效率将下降3%；在单片中表现完美的ZnS/MgF膜系，在组件中却不尽人意。B） 较高折射率的单片减反膜，可得到较好的组件效率：相对于n=2.0SiN膜系，n=2.2SiN膜系的单片效率降低1.1%，而组件效率却提高1.5%。C） 多层膜系可以同时
15、提高单片及组件的转换效率：相对于n=2.0SiN膜系，SiN2.4/SiN1.6双层膜系的单片效率提高2.5%，组件效率提高1.8%。SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6三层膜系的单片效率提高3.3%，组件效率提高2.2%。D） 入射面玻璃使用增透膜，可显著提高组件效率：MgF增透膜对转换效率的贡献可达1.2%；多孔纳米二氧化硅增透膜对转换的贡献高达2.3%。上述规律显示，优化的多层膜综合减反系统，能在很大程度上提高单片及组件的转换效率，为电池片及组件生产厂商带来巨大的经济利益。在上海君威新能源装备有限公司生产的M-SioNAR系列多层减反膜制备系统中，可以实现上表中17项多种膜系的制备。在太阳能电池生产线中进行批量试生产的结果显示，SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6三层膜系使单片电池转换效率提高23%，组件效率提高1.52.2%。SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6与玻璃增透膜的组合，有望使组件效率提高达4%以上。5. 结论太阳能电池及其组件的减反膜系
