光伏電池及組件的減反膜綜合優(yōu)化

1、晶體硅光伏電池和組件的減反膜綜合優(yōu)化上海君威新能源裝備有限公司夏世偉2011-5-2摘要：本文通過理論分析和實驗驗證，詳細(xì)分析了太陽能電池和光伏組件的減反膜系統(tǒng)，建立了減反膜系統(tǒng)的綜合評價體系，同時提出了減反膜系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法，初步探討了優(yōu)化減反膜系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：太陽能電池 光伏組件 減反膜 多層減反膜 鍍膜工藝 M-SioNAR前言在地面用太陽能電池及其組件的制備工藝中，減反膜對于太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率起著非常重要的作用。理論和實踐證實，適當(dāng)?shù)臏p反膜系統(tǒng)，能夠使太陽能電池及其組件的效率提高35%。在當(dāng)前應(yīng)用于大規(guī)模晶硅電池的生產(chǎn)工藝中，減反效果通過兩個工藝技術(shù)實現(xiàn)，分別為表

2、面制絨技術(shù)和SiN減反膜技術(shù)。其中，制絨技術(shù)利用光線的多次折返原理，提高電池對光輻照的吸收，可以使電池表面的反射率降低約3%；而減反膜技術(shù)利用光學(xué)衍射原理，使電池的反射率進(jìn)一步大幅降低約15%，這對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高起著至關(guān)重要的作用。盡管目前的PECVD SiN薄膜工藝已經(jīng)以成熟工藝的姿態(tài)，大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)工藝中，減反膜的優(yōu)化設(shè)計尚有可觀的潛力可以挖掘。1. 晶硅電池及其組件結(jié)構(gòu)簡述1.1 晶硅電池組件的基本結(jié)構(gòu)基于晶體硅電池（包括單晶硅電池和多晶硅電池）的光伏組件由背面玻璃或背膜、背面EVA、電池片、正面EVA、正面玻璃組成，如圖1所示。玻璃減反膜正面白玻璃EVA電池絨面及減反膜晶體

3、硅基底及有源層背膜或玻璃EVAAl背場圖1 晶體硅電池組件的基本結(jié)構(gòu)其中，背面玻璃或背膜及EVA僅作保護(hù)之用，正面EVA兼具減反作用，正面玻璃鍍上減反膜以后，可以進(jìn)一步降低組件的反射率。而電池片中，絨面和減反膜對反射率的降低起到關(guān)鍵的作用。1.2 電池片減反膜的常規(guī)制備工藝常規(guī)晶體硅電池片制造工藝中，均采用SiN薄膜作為減反膜。鑒于SiN薄膜具有優(yōu)越的光學(xué)特性和電學(xué)特性，與Si襯底的折射率相匹配，同時與Si器件的制造工藝兼容，易于實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化制備，已經(jīng)成為晶體硅太陽能電池制造工藝的不二選擇。Si材料的折射率為3.36.0，SiN薄膜的折射率為1.952.2，二者具有很好的匹配性?？刂坪侠?/p>

4、的折射率和薄膜厚度，可以使反射率降低約15%?，F(xiàn)有成熟工藝中，一般選用折射率為2.0，厚度為85nm。目前，均使用PECVD工藝方法制備SiN薄膜。該工藝方法利用SiH4和NH3氣體在真空環(huán)境下，經(jīng)射頻電磁場激發(fā)的等離子體氛圍中進(jìn)行化學(xué)氣相反應(yīng)，生成SiN固體沉積到電池片表面，形成SiN薄膜。PECVD工藝為一種低溫工藝，SiN薄膜的沉積溫度一般為250400，與電池制造的其他工藝相兼容。通過調(diào)整沉積過程的氣氛壓力、襯底溫度、氣體流量及其比例、電磁場功率等多種工藝條件，可以調(diào)節(jié)SiN薄膜的組分比例、致密性、膜層應(yīng)力和折射率等薄膜特性，從而獲得最優(yōu)的鍍膜參數(shù)。2. 減反膜系統(tǒng)的評價方法使用光學(xué)薄

5、膜實現(xiàn)的減反效果，均有一個最佳光譜范圍。對晶體硅太陽能電池而言，其光電響應(yīng)的有效光譜范圍為350nm1100nm，其量子效應(yīng)的峰值處于900nm，如圖2所示。圖2 單晶硅太陽能電池光譜響應(yīng)曲線而對于太陽光而言，地面輻射一般采用AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)，其輻照度峰值位于500nm，如圖3所示。圖3 AM1.5G太陽光光譜曲線因而，對于太陽能電池減反系統(tǒng)的評價，必須綜合考慮電池的光譜響應(yīng)和太陽光的光譜分布。一種有效地方法被稱為加權(quán)積分法。其權(quán)重曲線如圖4所示。圖4 太陽能電池對太陽光的光譜響應(yīng)權(quán)重曲線由圖4可見，太陽能電池對太陽光的吸收轉(zhuǎn)換能量主要集中于500nm920nm之間，其峰值位于650nm800

6、nm，呈平頂態(tài)勢。減反系統(tǒng)的設(shè)計所需要關(guān)注的光譜范圍，首先在上述波段范圍內(nèi)，500nm以下及920nm以上，相對影響較小。3. 電池片減反膜系統(tǒng)的分析和優(yōu)化3.1 單層減反膜系統(tǒng)目前應(yīng)用于地面太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)工藝中的減反膜，幾乎全部采用PECVD SiN薄膜。所使用的SiN薄膜折射率控制在2.0左右，厚度為8085nm。上面已經(jīng)提到，對于PECVD SiN鍍膜工藝，改變工藝參數(shù)可以調(diào)整薄膜的折射率。圖5、圖6顯示了幾種不同折射率SiN薄膜的反射率曲線及其加權(quán)響應(yīng)曲線。圖5 單層SiN減反膜反射率曲線圖6 單層SiN減反膜加權(quán)響應(yīng)曲線從圖5可以觀察到，較低的折射率對降低反射率有利。盡管在圖6

7、的加權(quán)響應(yīng)曲線中，很難區(qū)分幾種膜系的優(yōu)劣，但是加權(quán)積分?jǐn)?shù)可以顯示相同的趨勢，如表1所示。表1 單層SiN減反膜系統(tǒng)光譜響應(yīng)加權(quán)積分?jǐn)?shù)減反膜n2.0x82nmn2.1x80nmn2.2x76nm加權(quán)積分?jǐn)?shù)84.0483.7183.08由表1可以看出，n=2.2SiN膜系相比于n=2.0SiN膜系，其電池的轉(zhuǎn)換將降低1.14%。因而，目前的電池片生產(chǎn)商均選擇n=2.0的SiN膜系。然而，當(dāng)電池片做成組件以后，情況將有所不同，這將在后續(xù)章節(jié)中予以討論。3.2 雙層減反膜系統(tǒng)幾乎所有技術(shù)人員均相信，優(yōu)化減反膜系統(tǒng)，對于太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高尚有潛力可挖。由此，各國技術(shù)人員都開展了對減反膜系統(tǒng)的研究，

8、其研究方向均集中于多層膜系的設(shè)計和制備。盡管，按照純粹光學(xué)的方法可以設(shè)計并制作出相當(dāng)完美的減反膜系統(tǒng)，但是這種方法受到了制備工藝的制約，無法在太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)線上予以應(yīng)用。綜合生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、轉(zhuǎn)換效率等因素的折中考慮，雙層或三層膜系是一種選擇方案。圖7、圖8示出了幾種雙層減反膜系統(tǒng)的反射率曲線及其加權(quán)響應(yīng)曲線，表2列出了其加權(quán)積分?jǐn)?shù)。表2 雙層減反膜系統(tǒng)光譜響應(yīng)加權(quán)積分?jǐn)?shù)減反膜ZnS/MgFZnS/SiOSiN/SiO加權(quán)積分?jǐn)?shù)87.4486.8386.16圖7 雙層減反膜反射率曲線圖8 雙層減反膜加權(quán)響應(yīng)曲線由圖7、圖8和表2所示，雙層減反膜體系對反射率的降低顯而易見。其中，相對于

9、2=2.0SiN單層膜系而言，ZnS/MgF膜系結(jié)構(gòu)將使轉(zhuǎn)換效率提高4.0%，SiN/SiO膜系也可使轉(zhuǎn)換效率提高2.5%。雙層膜系的優(yōu)越性顯而易見，卻未能在太陽能電池生產(chǎn)線中得到很好的應(yīng)用，其主要制約因素包括：1）界面鈍化：眾所周知，SiN薄膜作為減反膜，同時兼具表面鈍化的作用，能夠有效地降低表面缺陷引起的漏電和界面復(fù)合，而基于ZnS的薄膜，對Si基片沒有鈍化作用；2）工藝兼容性：常規(guī)晶體硅電池的引出電極，采用銀漿印刷，并借助燒結(jié)過程使金屬化材料（Ag）穿透介質(zhì)層而形成歐姆接觸，基于ZnS的薄膜不能兼容此后續(xù)工藝；3）生產(chǎn)效率和一致性：ZnS和MgF均需要使用真空蒸發(fā)鍍膜工藝或真空升華鍍膜工

10、藝實現(xiàn)，生產(chǎn)效率低下，同時膜厚均勻性和一致性不易控制，較難適應(yīng)地面太陽能電池對高效大規(guī)模產(chǎn)能和低成本的需求。4）生產(chǎn)設(shè)備：目前，全球尚無可供太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)線使用的商業(yè)化多層減反膜工藝設(shè)備。所幸的是，上海君威新能源裝備有限公司已成功開發(fā)基于SiN/SiO膜系結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)線鍍膜設(shè)備，采用線性微波平板式PECVD鍍膜工藝，能夠鍍制多層SiN系薄膜，生產(chǎn)能力最高可達(dá)到2000片（125x125）/小時，鍍膜均勻性（900mmx900mm面積內(nèi)）優(yōu)于3%，批間一致性優(yōu)于5%。用該設(shè)備制備的SiN/SiO雙層減反膜，與傳統(tǒng)的晶體硅電池工藝完全兼容，同時兼?zhèn)錅p反和鈍化功能，優(yōu)越的減反性能使電池效率提高2

11、3%。該設(shè)備已在晶體硅電池生產(chǎn)線上完成批量試生產(chǎn)驗證，無故障使用時間超過100天，使用成本降低10%，并已提供商業(yè)化銷售。4. 光伏組件減反膜系統(tǒng)的分析和優(yōu)化在光伏電池組件結(jié)構(gòu)中，除了電池片本身的減反系統(tǒng)以外，正面EVA和玻璃均對光學(xué)特性產(chǎn)生一定的影響。眾多生產(chǎn)廠家注意到一個現(xiàn)象，有些電池片在做成組件以后，轉(zhuǎn)換效率有所提高，而有些電池片卻反而降低。筆者曾聽到很多廠家抱怨，他們在花費(fèi)大量精力和財力使電池片的轉(zhuǎn)換效率得到提高后，這種效果卻無法在組件中得以體現(xiàn)。對此，我們應(yīng)該考慮到，當(dāng)電池片做成組件以后，將形成另一個光學(xué)系統(tǒng)，其減反作用已經(jīng)不同于電池片單體。為此，本文利用TFcal軟件，將硅片基底-

12、電池片減反系統(tǒng)-EVA-玻璃-玻璃減反膜作為一個整體光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行計算，得到圖9圖17的反射率曲線，得以印證我們在生產(chǎn)實踐中觀察到的現(xiàn)象，同時提出綜合減反系統(tǒng)的優(yōu)化方案。計算過程使用如下參數(shù)：1）EVA：折射率1.41，厚度0.5mm；2）玻璃：折射率1.46，厚度5mm；3）玻璃減反膜：折射率1.38，厚度146nm。對應(yīng)的加權(quán)響應(yīng)積分?jǐn)?shù)列于表3中。圖9 SiN2.0-EVA-G反射率曲線圖10 SiN2.1-EVA-G反射率曲線圖11 SiN2.2-EVA-G反射率曲線圖12 ZnS/MgF-EVA-G反射率曲線圖13 SiN2.4/SiN1.6-EVA-G反射率曲線圖14 SiN2.2/S

13、iN1.6-EVA-G反射率曲線圖15 SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G反射率曲線圖16 SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-MgF反射率曲線圖反射率曲線表3 綜合減反膜系統(tǒng)光譜響應(yīng)加權(quán)積分?jǐn)?shù)序號膜系加權(quán)響應(yīng)積分?jǐn)?shù)反射曲線1SiN2.0-EVA-G81.59圖92SiN2.1-EVA-G82.39圖103SiN2.2-EVA-G82.87圖114ZnS/MgF-EVA-G82.73圖125SiN2.4/SiN1.6-EVA-G83.08圖136SiN2.2/SiN1.6-EVA-G82.11圖147SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G83.

14、36圖158SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-MgF84.06圖169SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6-EVA-G-SiO1.285.30圖17上述圖標(biāo)揭示如下幾條規(guī)律：A） 對于任何膜系，單片最優(yōu)并非組件最優(yōu)：n=2.0SiN膜系，在做成組件以后，轉(zhuǎn)換效率將下降3%；在單片中表現(xiàn)完美的ZnS/MgF膜系，在組件中卻不盡人意。B） 較高折射率的單片減反膜，可得到較好的組件效率：相對于n=2.0SiN膜系，n=2.2SiN膜系的單片效率降低1.1%，而組件效率卻提高1.5%。C） 多層膜系可以同時提高單片及組件的轉(zhuǎn)換效率：相對于n=2.0SiN膜系，SiN2.4/Si

15、N1.6雙層膜系的單片效率提高2.5%，組件效率提高1.8%。SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6三層膜系的單片效率提高3.3%，組件效率提高2.2%。D） 入射面玻璃使用增透膜，可顯著提高組件效率：MgF增透膜對轉(zhuǎn)換效率的貢獻(xiàn)可達(dá)1.2%；多孔納米二氧化硅增透膜對轉(zhuǎn)換的貢獻(xiàn)高達(dá)2.3%。上述規(guī)律顯示，優(yōu)化的多層膜綜合減反系統(tǒng)，能在很大程度上提高單片及組件的轉(zhuǎn)換效率，為電池片及組件生產(chǎn)廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益。在上海君威新能源裝備有限公司生產(chǎn)的M-SioNAR系列多層減反膜制備系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)上表中17項多種膜系的制備。在太陽能電池生產(chǎn)線中進(jìn)行批量試生產(chǎn)的結(jié)果顯示，SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6三層膜系使單片電池轉(zhuǎn)換效率提高23%，組件效率提高1.52.2%。SiN2.0/SiN2.4/SiN1.6與玻璃增透膜的組合，有望使組件效率提高達(dá)4%以上。5. 結(jié)論太陽能電池及其組件的減反膜系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和制備工藝，是一項綜合性工程。單就光學(xué)特性而言，單片電池的減反系統(tǒng)優(yōu)化和組件的減反系統(tǒng)優(yōu)化是相互矛盾的。一味追求單片電池的最優(yōu)減反效果，將損害組件的轉(zhuǎn)換效率。