双层氮化硅减反膜对多晶硅太阳能光伏电池的影响

采用等离子体增强气相沉积法制备了双层氮化硅作为多晶硅太阳电池的减反膜，理论模拟了双层氮化硅的光学参数，实际测试情况和理论模拟吻合良好。电池IV参数表明双层氮化硅不但具有更佳的减反射效果而且表面钝化效果也有所增强。批量试制结果显示电池转换效率提高了0.3%。

1引言

等离子增强气相沉积(PECVD)制备氢化非晶氮化硅(SiNx：H)已经成为工业太阳电池的标准工艺中一道工序。主要存在三方面的优势：作为减反射薄膜;钝化太阳电池表面从而降低表面复合速度;薄膜中丰富的氢可以钝化体内的缺陷态。

影响三个优势体现的关键因素之一就是氮化硅中的硅含量。增加硅的含量，折射率n和消光系数k均相应增高。消光系数k增高，氮化硅的光吸收就会增强，所以高折射率n、高消光系数k的薄膜不适合作为减反膜。空气中，单层减反膜的最佳折射率为1.96[1]。而相应地增加硅的含量，表面钝化作用呈现增强趋势，文献中报道[2]当氮化硅折射率增加到2.3时，表面复合速度降到20cm/s以下。而最佳的体钝化则出现在折射率n位于2.1至2.2之间。

为了整合氮化硅薄膜三方面的优势，达到优势最大化的目的，我们提出了一种新方法，即双层氮化硅减反射膜。设想是先淀积一层高折射率n2的氮化硅可以更好地钝化电池的表面，然后生长低折射率n1的氮化硅用于降低表面反射率。这样的结构由Schmidt[3]提出，但是他并没有讨论双层膜耦合后的光学性质以及电池片的工业试制。本文侧重于双层氮化硅减反膜多晶太阳电池的工业研制，并借助Sentech公司的SE400adv、Varian的Cary5000研究了双层氮化硅对多晶电池电性能的影响。

2实验

156×156cm、电阻率0.5-3 P型多晶硅片经历制绒、扩散和去磷硅玻璃后，Centrotherm管式PECVD(40KHz)制备SiNx：H薄膜，采用Sentech的SE400测试监控氮化硅在633nm处的折射率以及厚度，结果见表1。丝网印刷正背电极以及铝背场，烧结制成成品电池片。

表1氮化硅薄膜的结构参数(折射率在633nm处)

3结果与讨论

图1给出了表1中对应的未印刷电极时氮化硅减反膜在空气中的反射率，可以看出在短波部分(350-550nm)双层氮化硅比单层具有更低的反射率，其中双层氮化硅2比1的反射率又有进一步的降低。这种降低存在两种可能性：

一、底层氮化硅折射率增加后，薄膜中硅含量增加，光吸收增强，从而导致短波部分反射率的降低;

二、两层折射率差距增大有利于减反射的更好匹配，反射率得到进一步降低。这与新南威尔士大学的网络PVCDROM[4]教材中的理论模拟结果非常一致。

图1单层和双层氮化硅减反膜未印刷封装时的反射率曲线

图2为表1中三种结构参数氮化硅薄膜做成成品电池后在空气中的表面反射率，结果和未印电极时的表面反射率(图1)吻合，即短波部分(350-550nm)双层膜比单层膜具有更低的反射率，且增加底层氮化硅的折射率，反射率进一步降低。比较图1和图2还可以看出印刷正电极后整体反射率增加了4.8%左右。

图2单层和双层氮化硅减反膜未封装时的反射率曲线

图3给出了图2中电池对应的外量子效率，同样短波部分双层膜电池的外量子效率高于单层膜，底层高折射率电池又会稍高出较低折射率电池(即图中double2高于double1)。这和图2是吻合的，降低电池正表面反射率，从而提高外量子效率。

图3单层和双层氮化硅多晶硅电池的外量子效率

相应地，测试了电池的电性能参数，结果见表2。电性能参数测试结果表明，确实短波部分反射率的降低，外量子效率的提高体现在双层氮化硅电池比单层的短路电流稍有提高。另外我们注意到开路电压同样也有2-3mV的提高，这直接导致双层氮化硅多晶电池的转换效率提高了0.15%以上。

为了进一步验证双层氮化硅多晶硅电池的优势，结合生产

表2单层和双层氮化硅多晶硅电池的电性能参数

进行批量试制，数量达两千余片。单双层氮化硅电池平均电性能参数对比见表3。从表中可以看到双层氮化硅多晶电池比单层转换效率提高了0.3%，这主要得益于开路电压和短路电流的提高。

表3批量试制单双层氮化硅多晶电池平均电性能参数

双层氮化硅试验结果表明一方面底层的高折射率氮化硅可以增加表面的钝化效果(从开路电压增加间接得出)，减少表面缺陷态，降低了正表面载流子复合的几率，从而降低表面饱和电流，增强电池的短波响应并且增加开路电压;另一方面，外层低折射率与底层高折射率氮化硅的光学匹配可以降低正表面的反射率，由于短波响应的增强，双层膜增透的短波部分的太阳光在电池正表面得以响应从而转化为短路电流的提高。当然底层折射率增大必然带来光吸收的增强，但我们认为底层氮化硅的厚度只有30nm，光吸收相对光增益占了次要位置，而且表面钝化的增强，所以总的来说双层氮化硅对多晶硅太阳电池有着积极的影响。

4结论

利用Centrotherm管式PECVD在多晶硅上生长出双层氮化硅，底层高折射率的氮化硅具有很好的表面钝化效果，可以增加电池的开路电压;高低折射率的匹配可以降低电池短波部分的反射率，提高电池的短路电流。批量试制实验表明双层氮化硅电池相比较单层氮化硅具有明显的优势，转化效率可以提高0.3%，另外双层氮化硅可以在同一工艺中进行，不增加任何工艺成本，方便于产业化。综上所述，双层氮化硅多晶硅电池前景颇好。