產業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，山東 青島 266100）

太陽電池是光伏發電系統的核心器件，太陽電池轉換效率的高低直接決定著光伏發電成本的高低，同時，也映射了太陽電池制備技術水平的高低。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構。產業化硅太陽電池通常采用PECVD（等離子增強化學氣相沉積）方法制備SiNX：H單層減反射膜結構，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成的雙層減反射膜結構。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換效率。目前，針對優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研究很多，而關于光照面減反射膜結構對太陽電池少子壽命影響的相關研究尚報道較少。

1 表面復合損耗的影響

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量決定，應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合速率決定。表面復合速率越低，表面復合損耗越小，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合速率產生一定的影響。

在仿真過程中，所采用的太陽電池結構參數完全參考產業化單晶硅太陽電池結構參數。P型<100>單晶硅襯底厚度為180 μm，電阻率為1 Ω·cm；前表面發射區結深為 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合速率對太陽電池轉換效率的影響及該轉換效率下對應的有效少子壽命值。由表1可見：前表面復合速率存在臨界值，當前表面復合速率低于1000 cm/s時，隨著前表面復合速率的增大，太陽電池轉換效率降低不明顯。當前表面復合速率大于1000 cm/s時，隨著前表面復合速率的增大，太陽電池轉換效率隨之明顯降低。通過轉換效率的等效換算，得到不同表面復合速率對應的少子壽命值。由表1中數據可見，隨著表面復合速率的增大，少子壽命隨之縮短，表明表面復合速率對太陽電池少子壽命造成了明顯的影響，同時，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）電磁輻射使反應氣體等離子體化。用于制備氮化硅減反射膜的主要設備為深圳市捷佳偉創微電子設備有限公司生產的PD-380A型管式PECVD。氮化硅薄膜制備完成后，利用日產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據），每片電池片上下左右四點。由表2可見，實驗制備得到的氮化硅減反射膜的折射率（平均值為2.079）與仿真設計中所采用的數值（nSi3N4=2.05）較為接近。所測膜厚（平均值為81.925 nm）均分布在仿真優化值范圍內，表明薄膜沉積工藝條件設置得較為合理。

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，可有效降低表面復合速率，進而改善單晶硅太陽電池的電學性能。

3 結論

本文利用TCAD半導體器件仿真軟件對不同少子壽命、不同表面復合速率情況下的太陽電池轉換效率進行了研究，根據仿真結果得到在一定襯底少子壽命的情況下，表面復合速率與等效少子壽命之間的關系，并給出產業化太陽電池片減反射膜制備前后少子壽命的實測數據，表明氮化硅減反射膜的制備對太陽電池表面復合損耗起到了很好的改善作用。研究結果可為國內太陽電池設計及制備提供有意義的參考信息。

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