一種彩色多晶硅太陽(yáng)電池的制備方法及性能測(cè)試

上海神舟新能源發(fā)展有限公司 ■ 趙鈺雪 鄭飛 趙晨 楊林 張忠衛(wèi)

0 引言

光伏建筑一體化(BIPV)的概念在1991年被首次提出，隨著近些年光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，BIPV得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用；同時(shí)，由于光伏環(huán)境一體化、光伏建筑一體化等發(fā)展要求，即達(dá)到光伏組件與建筑物或周邊景物顏色一體化的目的，越來(lái)越多的客戶對(duì)晶體硅光伏組件的顏色有了更多的要求。目前市場(chǎng)主要以藍(lán)黑色太陽(yáng)電池為主，可以說(shuō)彩色太陽(yáng)電池的出現(xiàn)，結(jié)束了太陽(yáng)電池單色調(diào)的歷史。

彩色太陽(yáng)電池的制備方法有很多種，可通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)單次或多次成膜[1]、磁控濺射方法[2]及電子束蒸發(fā)鍍膜沉積多層結(jié)構(gòu)復(fù)合減反膜[3]等方法制備。對(duì)于市場(chǎng)率占近80%的晶體硅太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，彩色晶體硅太陽(yáng)電池的制備有2種方式：1)印刷電極后再沉積彩色減反膜，從而制得彩色晶體硅太陽(yáng)電池。該方式容易使電極沉積一層氮化硅，導(dǎo)致焊帶難以焊接到正面銀電極上，所以該方式的主要難點(diǎn)是解決組件的焊接拉力問(wèn)題。2)在印刷前直接沉積彩色減反膜，然后再印刷。但如果印刷前不做任何處理工藝，以目前銀漿料的穿透能力，銀漿料難以與硅基體形成良好的歐姆接觸，從而會(huì)嚴(yán)重影響太陽(yáng)電池的電性能。

本文采用第2種制備方式，并利用PECVD調(diào)整工藝，制備了不同顏色的彩色多晶硅太陽(yáng)電池，并對(duì)幾種彩色多晶硅太陽(yáng)電池減反膜的光學(xué)性能和電池的電學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試及分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)采用p型多晶硅片(156 mm×156 mm)，彩色多晶硅太陽(yáng)電池樣品的制備流程如圖1所示。所有樣品經(jīng)多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)的常規(guī)工藝進(jìn)行制絨、擴(kuò)散、刻蝕后，用板式PECVD調(diào)節(jié)一次性鍍膜工藝，在硅片正面沉積藍(lán)色、金黃色、紫紅色和綠色的氮化硅減反膜，并通過(guò)腐蝕去除印刷區(qū)域一定厚度的氮化硅減反膜，然后清洗和甩干，再經(jīng)過(guò)印刷燒結(jié)，分別制得藍(lán)色、金黃色、紫紅色、綠色共4種顏色的彩色多晶硅太陽(yáng)電池。制備完成后，對(duì)樣品進(jìn)行性能測(cè)試，其中藍(lán)色為常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池，將其設(shè)為本文其他彩色多晶硅太陽(yáng)電池性能測(cè)試的對(duì)比組。

圖1 彩色多晶硅太陽(yáng)電池樣品的制備流程

在本實(shí)驗(yàn)中，氮化硅減反膜的厚度測(cè)試采用SENTECH SE 400adv多角度激光橢偏儀；氮化硅減反膜薄膜沉積后樣品的反射率測(cè)試采用R9000-2DMA全自動(dòng)D8積分式反射儀；多晶硅太陽(yáng)電池的電性能測(cè)量采用Halm測(cè)試機(jī)；多晶硅光伏組件的電性能測(cè)試采用PASAN功率測(cè)試儀。

1.2 測(cè)試結(jié)果及分析

1.2.1 減反膜的反射率測(cè)試

沉積4種顏色的減反膜后，測(cè)試硅片表面的反射率，其變化與差異如圖2所示；不同顏色減反膜的表面反射率與未鍍膜的表面反射率如表1所示。

薄膜吸收光波長(zhǎng)和最佳膜厚之間的關(guān)系為[4]：

圖2 沉積不同顏色減反膜后硅片表面反射率

式中，λ為吸收光波長(zhǎng)；n為膜的折射率；d為膜的厚度。

表1 不同顏色減反膜的平均反射率

隨著減反膜膜厚的增加，平均反射率也依次增高，金黃色、紫紅色和綠色多晶硅太陽(yáng)電池的反射光在可見(jiàn)光范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰和波谷逐漸增多，這與文獻(xiàn)[5]的測(cè)試結(jié)果基本一致。

1.2.2 減反膜的膜厚測(cè)試

本文是采用印刷前一次性沉積彩色減反膜的方法，由于減反膜較厚，目前行業(yè)市場(chǎng)化的正面電極銀漿無(wú)法穿透氮化硅減反膜而到達(dá)p-n結(jié)，使正面銀漿與硅基體不能形成良好的歐姆接觸。因此，本文彩色多晶硅太陽(yáng)電池在制備過(guò)程中最重要的工序是腐蝕，即在印刷前需對(duì)特定區(qū)域減反膜進(jìn)行腐蝕處理。腐蝕后氮化硅減反膜的厚度也是至關(guān)重要的參數(shù)，表2為氮化硅減反膜腐蝕前及腐蝕后腐蝕區(qū)域的膜厚對(duì)比。

表2 腐蝕區(qū)域與非腐蝕區(qū)域的膜厚對(duì)比

從表2可以看出，腐蝕后的氮化硅減反膜厚度已滿足目前銀漿的穿透能力，通過(guò)燒結(jié)，可以與硅機(jī)體形成良好的接觸，這在下文電池的電性能參數(shù)上也可以體現(xiàn)出來(lái)。

1.2.3 彩色多晶硅太陽(yáng)電池的電性能測(cè)試

表3是不同顏色多晶硅太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)表。從表3可以看出，當(dāng)折射率不變，隨著膜厚的增加，膜的鈍化效果在增加，Voc有增加的趨勢(shì)，但不明顯；而Isc卻明顯降低，這是由于膜厚增加導(dǎo)致反射率增加；同時(shí)膜越厚，膜層的吸光作用也越強(qiáng)[5]。另外，其他顏色的多晶硅太陽(yáng)電池Rs比藍(lán)色的略有增加，但從電性能數(shù)據(jù)來(lái)看，電極已與硅基體形成了良好的歐姆接觸。

表3 不同顏色多晶硅太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)表

1.2.4 彩色多晶硅光伏組件功率測(cè)試

圖3為彩色多晶硅光伏組件功率的增益情況。從圖3中數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出，彩色多晶硅光伏組件都是有正增益的，最高可增益8%左右。

圖3 彩色多晶硅光伏組件功率的增益情況

1.2.5 彩色多晶硅太陽(yáng)電池的正電極拉力測(cè)試

采用350 ℃的電烙鐵對(duì)彩色多晶硅太陽(yáng)電池的正面電極進(jìn)行焊接，并測(cè)試焊接拉力。4種顏色的多晶硅太陽(yáng)電池的拉力測(cè)試結(jié)果如表4所示，圖4為綠色多晶硅太陽(yáng)電池的拉力曲線。

表4 焊接拉力測(cè)試結(jié)果

圖4 綠色多晶硅太陽(yáng)電池的拉力曲線

從表4可以看出，該工藝所制作的彩色多晶硅太陽(yáng)電池的正電極拉力完全符合要求。

2 結(jié)論

本文利用PECVD一次性沉積彩色減反膜，并通過(guò)腐蝕降低印刷區(qū)域的減反膜厚度，經(jīng)過(guò)印刷燒結(jié)后，制得彩色多晶硅太陽(yáng)電池。

通過(guò)測(cè)試可知：

1)沉積的彩色減反膜越厚，表面的反射率越高，吸光效果也越明顯，對(duì)電池電流的影響也越明顯，但對(duì)電壓增益不太明顯；

2)腐蝕后的減反膜厚度可以使正面電極與硅基體形成較好的歐姆接觸；

3)電極的焊接拉力完全滿足要求，雖然彩色多晶硅太陽(yáng)電池的效率比傳統(tǒng)藍(lán)色多晶硅太陽(yáng)電池的效率低了很多，但在封裝之后，彩色多晶硅光伏組件的功率有明顯的增益。

[1]Selj J H, Mongstad T T, S?ndena? R. Reduction of optical losses in colored solar cells with multilayer antireflection coatings[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2011, (95):2576-2582.

[2]Huang Hanchen, Wei H L, Woo C H, et al. Engineering kinetic barriers in copper metallization[J]. Applied Physics Letters, 2002,81 (23) : 4359.

[3]陳光華, 鄧金祥. 納米薄膜技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[4]Wenham S R, Green M A, Watt M E, et al. Applied Photovoltaics [M]. London: Earthscan Publications Ltd., 2009: 59.

[5]Jia He-Shun, Luo Lei, Li Bing-Lin, et al. Performance of polycrystal silicon color solar cells[J]. Acta Physica Sinica, 2013,62(16): 168802.