1、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，詳細分析了太陽能電池和光伏組件的減反膜系統，建立了減反膜系統的綜合評價體系，同時提出了減反膜系統的優化設計方法，初步探討了優化減反膜系統的產業化實現方法。關鍵詞：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換效率起著非常重要的作用。理論和實踐證實，適當的減反膜系統，能夠使太陽能電池及其組件的效率提高35%。在當前應用于大規模晶硅電池的生產工藝中，減反效果通過兩個工藝技術實現，分別為表面制絨技術和SiN減反膜技術。其中，制

2、絨技術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%；而減反膜技術利用光學衍射原理，使電池的反射率進一步大幅降低約15%，這對太陽能電池轉換效率的提高起著至關重要的作用。盡管目前的PECVD SiN薄膜工藝已經以成熟工藝的姿態，大規模應用于生產工藝中，減反膜的優化設計尚有可觀的潛力可以挖掘。1. 晶硅電池及其組件結構簡述1.1 晶硅電池組件的基本結構基于晶體硅電池（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硅基底及有源層背膜或玻璃EVAAl背場

3、圖1 晶體硅電池組件的基本結構其中，背面玻璃或背膜及EVA僅作保護之用，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鍵的作用。1.2 電池片減反膜的常規制備工藝常規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薄膜具有優越的光學特性和電學特性，與Si襯底的折射率相匹配，同時與Si器件的制造工藝兼容，易于實現大規模的產業化制備，已經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.，SiN薄膜的折射率為1.952.2，二者具有很好的匹配性。控制合理的折射率和薄膜厚度，可以使反射率降低約15%。

4、現有成熟工藝中，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氣體在真空環境下，經射頻電磁場激發的等離子體氛圍中進行化學氣相反應，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，可以調節SiN薄膜的組分比例、致密性、膜層應力和折射率等薄膜特性，從而獲得最優的鍍膜參數。2. 減反膜系統的評價方法使用光學薄膜實現的減反效果，均有一個最佳光譜范圍。對晶體

5、硅太陽能電池而言，其光電響應的有效光譜范圍為350nm1100nm，其量子效應的峰值處于900nm，如圖2所示。圖2 單晶硅太陽能電池光譜響應曲線而對于太陽光而言，地面輻射一般采用AM1.5G標準，其輻照度峰值位于500nm，如圖3所示。因而，對于太陽能電池減反系統的評價，必須綜合考慮電池的光譜響應和太陽光的光譜分布。一種有效地方法被稱為加權積分法。其權重曲線如圖4所示。圖4 太陽能電池對太陽光的光譜響應權重曲線由圖4可見，太陽能電池對太陽光的吸收轉換能量主要集中于500nm920nm之間，其峰值位于650nm800nm，呈平頂態勢。減反系統的設計所需要關注的光譜范圍，首先在上述波段范圍內，5

6、00nm以下及920nm以上，相對影響較小。3. 電池片減反膜系統的分析和優化3.1 單層減反膜系統目前應用于地面太陽能電池大規模生產工藝中的減反膜，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。上面已經提到，對于PECVD SiN鍍膜工藝，改變工藝參數可以調整薄膜的折射率。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響應曲線。圖5 單層SiN減反膜反射率曲線圖6 單層SiN減反膜加權響應曲線從圖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的加權響應曲線中，很難區分幾種膜系的優劣，但是加權積分數可以顯示相同的趨勢，如

7、表1所示。表1 單層SiN減反膜系統光譜響應加權積分數減反膜加權積分數418由表1可以看出，n=2.2SiN膜系相比于n=2.0SiN膜系，其電池的轉換將降低1.14%。因而，目前的電池片生產商均選擇n=2.0的SiN膜系。然而，當電池片做成組件以后，情況將有所不同，這將在后續章節中予以討論。3.2 雙層減反膜系統幾乎所有技術人員均相信，優化減反膜系統，對于太陽能電池轉換效率的提高尚有潛力可挖。由此，各國技術人員都開展了對減反膜系統的研究，其研究方向均集中于多層膜系的設計和制備。盡管，按照純粹光學的方法可以設計并制作出相當完美的減反膜系統，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

8、規模生產線上予以應用。綜合生產成本、生產效率、轉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的反射率曲線及其加權響應曲線，表2列出了其加權積分數。表2 雙層減反膜系統光譜響應加權積分數減反膜ZnS/MgFZnS/SiOSiN/SiO加權積分數圖7 雙層減反膜反射率曲線圖8 雙層減反膜加權響應曲線由圖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2=2.0SiN單層膜系而言，ZnS/MgF膜系結構將使轉換效率提高4.0%，SiN/SiO膜系也可使轉換效率提高2.5%。雙層膜系的優越性顯而易見，卻未能在太陽能電池生產線中得到很好的

9、應用，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：常規晶體硅電池的引出電極，采用銀漿印刷，并借助燒結過程使金屬化材料（Ag）穿透介質層而形成歐姆接觸，基于ZnS的薄膜不能兼容此后續工藝；3）生產效率和一致性：ZnS和MgF均需要使用真空蒸發鍍膜工藝或真空升華鍍膜工藝實現，生產效率低下，同時膜厚均勻性和一致性不易控制，較難適應地面太陽能電池對高效大規模產能和低成本的需求。4）生產設備：目前，全球尚無可供太陽能電池大規模生產線使用的商業化多層減反膜工

10、藝設備。所幸的是，上海君威新能源裝備有限公司已成功開發基于SiN/SiO膜系結構的生產線鍍膜設備，采用線性微波平板式PECVD鍍膜工藝，能夠鍍制多層SiN系薄膜，生產能力最高可達到2000片（125x125）/小時，鍍膜均勻性（900mmx900mm面積內）優于3%，批間一致性優于5%。用該設備制備的SiN/SiO雙層減反膜，與傳統的晶體硅電池工藝完全兼容，同時兼備減反和鈍化功能，優越的減反性能使電池效率提高23%。該設備已在晶體硅電池生產線上完成批量試生產驗證，無故障使用時間超過100天，使用成本降低10%，并已提供商業化銷售。4. 光伏組件減反膜系統的分析和優化在光伏電池組件結構中，除了電

11、池片本身的減反系統以外，正面EVA和玻璃均對光學特性產生一定的影響。眾多生產廠家注意到一個現象，有些電池片在做成組件以后，轉換效率有所提高，而有些電池片卻反而降低。筆者曾聽到很多廠家抱怨，他們在花費大量精力和財力使電池片的轉換效率得到提高后，這種效果卻無法在組件中得以體現。對此，我們應該考慮到，當電池片做成組件以后，將形成另一個光學系統，其減反作用已經不同于電池片單體。為此，本文利用TFcal軟件，將硅片基底-電池片減反系統-EVA-玻璃-玻璃減反膜作為一個整體光學系統進行計算，得到圖9圖17的反射率曲線，得以印證我們在生產實踐中觀察到的現象，同時提出綜合減反系統的優化方案。計算過程使用如下參

12、數：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。對應的加權響應積分數列于表3中。圖12 ZnS/MgF-EVA-G反射率曲線表3綜合減反膜系統光譜響應加權積分數序號膜系加權響應積分數反射曲線1圖92圖103圖114ZnS/MgF-EVA-G圖125圖136圖147圖158圖169圖17上述圖標揭示如下幾條規律：A） 對于任何膜系，單片最優并非組件最優：n=2.0SiN膜系，在做成組件以后，轉換效率將下降3%；在單片中表現完美的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

13、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換效率：相對于n=2.0SiN膜系，雙層膜系的單片效率提高2.5%，組件效率提高1.8%。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增透膜對轉換效率的貢獻可達1.2%；多孔納米二氧化硅增透膜對轉換的貢獻高達2.3%。上述規律顯示，優化的多層膜綜合減反系統，能在很大程度上提高單片及組件的轉換效率，為電池片及組件生產廠商帶來巨大的經濟利益。在上海君威新能源裝備有限公司生產的M-SioNAR系列多層減反膜制備系統中，可以實現上表中17項多種膜系的制備。在太陽能電池生產線中進行批量試生產的結果顯示23%，組件效率提高2.2%。增透膜的組合，有望使組件效率提高達4%以上。5. 結論太陽能電池及其組件的減反膜系統的優化設計和制備工藝，是一項綜合性工程。單就光學特性而言，單片電池的減反系統優化和組件的減反系統優化是相互矛盾的。一味追求單片電池的最優減反效果，將損害組件的轉換效率。對于太陽能電池的最終應用來說，組件的轉換效率才應該是所有工