產(chǎn)業(yè)化硅太陽電池減反射膜制備對少子壽命的影響

郭琦

（中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

太陽電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件，太陽電池轉(zhuǎn)換效率的高低直接決定著光伏發(fā)電成本的高低，同時(shí)，也映射了太陽電池制備技術(shù)水平的高低。為了有效降低太陽電池光的反射損耗，在太陽電池上表面通常制備減反射膜結(jié)構(gòu)。產(chǎn)業(yè)化硅太陽電池通常采用PECVD（等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）方法制備SiNX：H單層減反射膜結(jié)構(gòu)，對于制備成本相對較高的高效太陽電池，可制備二氧化硅和氮化硅構(gòu)成的雙層減反射膜結(jié)構(gòu)。減反射膜在太陽電池光照面制備得到，不僅影響著入射光的反射損耗，而且也影響著太陽電池表面光生載流子的復(fù)合損耗，即減反射膜對太陽電池光照面具有一定的鈍化效果，可提高太陽電池有效的少子壽命，從而提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。目前，針對優(yōu)化硅太陽電池減反射膜來降低前表面入射光反射損耗的相關(guān)研究很多，而關(guān)于光照面減反射膜結(jié)構(gòu)對太陽電池少子壽命影響的相關(guān)研究尚報(bào)道較少。

1 表面復(fù)合損耗的影響

太陽電池少子壽命由體壽命和表面壽命兩者決定。體壽命和表面壽命的提高有利于太陽電池少子壽命的提高。其中，體壽命主要由原始硅材料的加工質(zhì)量決定，應(yīng)在原始單晶硅材料的制備過程中加以控制，比如拉單晶、摻雜、切片等工序。太陽電池減反射膜的制備對體壽命的影響較小，在本文的仿真過程中認(rèn)為減反射膜對體壽命不存在影響。表面壽命主要由載流子的表面復(fù)合速率決定。表面復(fù)合速率越低，表面復(fù)合損耗越小，太陽電池少子壽命越高。由于減反射膜在太陽電池上表面制備，因此，減反射膜的鈍化效果對太陽電池表面載流子復(fù)合速率產(chǎn)生一定的影響。

在仿真過程中，所采用的太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)完全參考產(chǎn)業(yè)化單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)。P型<100>單晶硅襯底厚度為180 μm，電阻率為1 Ω·cm；前表面發(fā)射區(qū)結(jié)深為 0.4 μm，方塊電阻為 60 Ω·cm；柵線電極寬度為100 μm；電池面積為12.5×12.5 cm2；背表面場完全覆蓋電池片；背表面場表面濃度為8×1018cm-3。采用氮化硅單層減反射膜，折射率為2.05，厚度為79 nm。表1為仿真得到的表面復(fù)合速率對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響及該轉(zhuǎn)換效率下對應(yīng)的有效少子壽命值。由表1可見：前表面復(fù)合速率存在臨界值，當(dāng)前表面復(fù)合速率低于1000 cm/s時(shí)，隨著前表面復(fù)合速率的增大，太陽電池轉(zhuǎn)換效率降低不明顯。當(dāng)前表面復(fù)合速率大于1000 cm/s時(shí)，隨著前表面復(fù)合速率的增大，太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨之明顯降低。通過轉(zhuǎn)換效率的等效換算，得到不同表面復(fù)合速率對應(yīng)的少子壽命值。由表1中數(shù)據(jù)可見，隨著表面復(fù)合速率的增大，少子壽命隨之縮短，表明表面復(fù)合速率對太陽電池少子壽命造成了明顯的影響，同時(shí)，也表明減反射膜制備及其鈍化效果的重要性。

2 減反射膜制備前后少子壽命的變化

PECVD是在400℃，1.5×10-1mbar的低溫低壓情況下，利用高頻（2.45 GHz）電磁輻射使反應(yīng)氣體等離子體化。用于制備氮化硅減反射膜的主要設(shè)備為深圳市捷佳偉創(chuàng)微電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PD-380A型管式PECVD。氮化硅薄膜制備完成后，利用日產(chǎn)SE400多角度激光橢偏儀測量薄膜的厚度和折射率，利用Sinton consulting公司生產(chǎn)的WCT100型壽命測試儀測量少子壽命。

表2為測試得到的氮化硅薄膜厚度和折射率。共測試6片電池片（每四組為一片電池片上的數(shù)據(jù)），每片電池片上下左右四點(diǎn)。由表2可見，實(shí)驗(yàn)制備得到的氮化硅減反射膜的折射率（平均值為2.079）與仿真設(shè)計(jì)中所采用的數(shù)值（nSi3N4=2.05）較為接近。所測膜厚（平均值為81.925 nm）均分布在仿真優(yōu)化值范圍內(nèi)，表明薄膜沉積工藝條件設(shè)置得較為合理。

表3為測試得到的氮化硅薄膜淀積前后太陽電池的有效少子壽命。氮化硅薄膜淀積前后少子壽命測試為同一電池片的相同位置。

由表3可見，淀積氮化硅薄膜后，太陽電池有效少數(shù)載流子壽命得以演出。延長的少子壽命平均值為12.2 μs，最大提高幅度達(dá)26.84 μs。表明淀積的氮化硅薄膜具有較好的表面鈍化效果，可有效降低表面復(fù)合速率，進(jìn)而改善單晶硅太陽電池的電學(xué)性能。

3 結(jié)論

本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對不同少子壽命、不同表面復(fù)合速率情況下的太陽電池轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究，根據(jù)仿真結(jié)果得到在一定襯底少子壽命的情況下，表面復(fù)合速率與等效少子壽命之間的關(guān)系，并給出產(chǎn)業(yè)化太陽電池片減反射膜制備前后少子壽命的實(shí)測數(shù)據(jù)，表明氮化硅減反射膜的制備對太陽電池表面復(fù)合損耗起到了很好的改善作用。研究結(jié)果可為國內(nèi)太陽電池設(shè)計(jì)及制備提供有意義的參考信息。

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