[发明专利]用于硅基太阳能电池模块的双层抗反射涂层

说明书

技术领域

本发明涉及一种位于由晶体硅制成的太阳能电池上的抗反射涂层(ARC)以及该抗反射涂层的制造方法。本发明的目的是记述一种当太阳能电池被封装在太阳能电池模块中(即被折射率为约1.5的玻璃或类似的聚合物材料覆盖)时具有优化光学特性的抗反射涂层。该ARC包括用于钝化的氢化氮化硅(Si_XN_Y：H)层以及在可见光谱范围内具有高折射率但低吸收性的氧化铌(Nb₂O₅)层。

背景技术

用于晶体太阳能电池的现有前侧ARC表现为具有两个功能特性的Si_XN_Y：H(缩写：SiN：H)层：i)减少太阳能电池设备前侧的反射光量，以及ii)钝化该晶体或多晶Si晶片材料(场效应钝化&化学钝化，例如通过悬空键或杂质的氢钝化)。这些SiN：H膜可以通过PECVD或PVD技术沉积并且通常在633nm处具有1.9-2.1的折射率，其为太阳能电池提供了最优化的效率(电功率输出/入射有用光的功率输入)。

通常，单层ARC膜的最佳折射率(n)必须满足公知的要求

n＝sqrt(n_s*n_m)    (等式1)

其中，n_s和n_m分别是ARC下面的基底以及ARC上面的介质的折射率。因此，最佳的硅太阳能电池(对于Sin_s＝3.8；对于空气n_m＝1.0)需要n＝1.95的ARC。

另一方面，太阳能电池模块被在633nm处折射率为约1.5的玻璃或塑料覆层以及聚合物粘合剂(例如，EVA、乙烯醋酸乙烯酯)覆盖，根据等式1，这需要折射率为2.39的ARC。

电池与模块的上述需求是针对单波长(在这里为633nm)计算的，这时光反射是最小的。不过即使通过更详尽的方法来计算该太阳能电池效率，包括ARC在全光谱范围上的光学特性(这对于地面太阳能应用很重要)，上述考虑仍然是有效的。这些更详尽的计算能够通过专用软件(例如PC-1D)或通过计算加权光损耗(其降低假想的完美ARC(透射比100)的效率)来进行。在采用了第二种途径的当前工作中，每次给出模拟的效率，假设具有最佳ARC的太阳能电池的效率为17.5％。

图1a)和b)显示了模块级的这种模拟的结果：对于每个折射率，计算出最佳膜厚，对于折射率为2.4且膜厚为64nm的ARC最终的模块效率显示了显著提高。为了计算太阳能效率，将反射光谱与光谱响应函数(也显示在反射图中)求卷积，对于多晶硅晶片材料，光谱响应函数是由AM1.5光子通量乘以典型的IQE计算得到的。4％的玻璃前侧反射也包括在该反射数据中。

(注意：如果没有另外说明，从现在起所有折射率都是针对633nm的波长所述的，其也大体上是AM1.5太阳光谱的加权中心。)

等式1和图1中的模拟结果仅在300nm至1200nm光谱范围内未发生吸收时有效。对于具有高折射率的富硅SiN：H膜情况并非如此。然而，由PECVD或PVD方法沉积的SiN：H对于n＜＝2.0的折射率仅显示了很少的吸收。低波长吸收随着SiN：H层的折射率或多或少地线性增大(参见图2)。对于n＞2.1，低波长吸收将危害更高折射率的积极效果并将导致了太阳能模块的性能显著降低(参见图3)。

对于PECVD SiN：H也观察到了同样的趋势，例如Soppe等人[Prog.Photovolt：Res.Appl.2005；13：551-569]或Doshi等人[AppliedOptics36(1997)7826]：当在由硅烷和氨获得的SiN：H膜中试图同时获得高n值和低k值时，必须在消光系数或折射率上作出妥协。

例如Doshi等人或Moschner等人[Prog.Photovolt：Res.Appl.2004；12：21-31]公开的PVD SiN：H ARC的结果以及PECVD结果表明，如果在膜生长的起始阶段(接近Si-SiN界面)采用具有2.3-2.4的更高折射率的富硅膜，则SiN：H层显示改善的钝化。这导致了双层-或梯度层的发展，通过在SiN：H沉积期间改变反应气体组成，以仅在接近界面处具有高折射率材料以及在膜沉积的主要部分具有低折射率材料(具有低吸光率)。通过PVD沉积的这样的整体折射率为n＝2.05的双层SiN：H的一个典型例子将作为过程记录，用于与本发明的改进的层堆叠进行对比。作为对比的手段，在图3中还将SiN_DL与(假想的)无吸收层进行了对比。