基于光学理论的PERC太阳电池背面AlO_x/SiN_x叠层膜的研究

AlO_x/SiN_x叠层膜广泛应用于PERC(钝化发射极和背面局部接触)太阳电池中,以达到增强背反射和提高背表面钝化效果的作用。在先前的研究中,光学理论分析仅应用于正面单层Si Nx或Si Ox/Si Nx双层膜厚度优化分析,极少应用于背面AlO_x/SiN_x双层膜优化分析。本文采用Matlab软件,基于光学导纳矩阵理论,同时将AM 1.5G标准太阳光谱,Al Ox、Si Nx、Al在整个光谱范围内(280~1200 nm)的折射率系数n(λ)考虑在内,系统分析了AlO_x/SiN_x双层膜的背反射效果。另外,依据背面AlO_x/SiN_x不同膜厚组合下透射光反射回硅片本体的反射率曲线分布和平均反射率作为评估指标进行理论分析,结果表明:AlO_x/SiN_x优化后最佳膜厚组合为15 nm/80 nm,为PERC太阳电池背面膜厚优化提供理论支持。     

TiO_2/SiO_2双层减反膜在太阳电池上的应用

利用二氧化硅(SiO_2)对太阳电池表面的钝化作用,对传统的二氧化钛(TiO_2)单层减反膜进行了改良.基于理论模拟分析了光反射率随膜层(TiO_2/SiO_2)厚度变化规律,结合实验上SiO_2最佳厚度经验值,制备了晶体硅太阳电池(即TiO_2/SiO_2/Si),并和SiN_x/Si结构的晶体硅太阳电池相比较.分别测试了少子寿命、反射率、电性能参数等,结果表明这种改良后的TiO_2减反膜也可以取得很好的减反效果和钝化效果.镀有TiO_2,SiO_2双层膜与SiN_x减反膜绒面晶体硅片的积分反射率分别为4.9%和3.9%;使用以上两种不同减反膜制备的太阳电池的开路电压均可达到0.62V.可见这种TiO_2双层膜有望在将来的生产中得到具体应用.     

21.5%以上效率Panda-TOPCon双面电池技术研究

主要研究可应用于规模化生产的TOPCon(tunnel oxide passivated contact)电池技术,该技术既可改善电池表面钝化又可促进多数载流子传输,进而提升电池的开路电压和填充因子。Panda-TOPCon电池是在英利熊猫(Panda)电池基础上引入TOPCon技术,在研究中对氧化硅/多晶硅叠层(SiO_2/polySi)的表面钝化效果在n型硅片上进行验证,通过优化该结构中SiO_2/polySi掺杂、SiO_2成膜方式以及polySi厚度等,最终制备的Panda-TOPCon电池的开路电压达到676 mV,填充因子达到80%,实现了21.54%的光电转换效率。     

PECVD SiO_2-SiN_X叠层钝化膜的研究

首先使用正交设计法对SiN_X和SiO_2膜的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)特性进行了研究,分别得到了两种膜的最佳沉积条件。然后使用PECVD在P型多晶硅片发射极上沉积了SiO_2-SiN_X叠层钝化膜,并与SiN_X单层钝化膜进行比较。通过测试硅片在退火前后少子寿命的变化,考察了两种钝化膜对太阳电池发射极的钝化效果,结果表明SiO_2-SiN_X叠层膜具有更好的钝化效果。利用反射率测试仪测试了两种膜的反射率,其反射率曲线基本相同。最后,测量了采用该叠层膜制作的太阳电池的量子效率和电性能,其短路电流和开路电压均比采用SiN_X单层膜的电池要好,转换效率提高了0.25%。     

低温生长SiO2钝化膜在太阳电池上的应用

主要研究在晶体硅衬底上采用干氧氧化法生长SiO2薄膜,通过改变非晶SiO2薄膜的生长温度、时间以及气体流量等参数优化工艺条件,增强对硅片的钝化作用,提高光生少数载流子寿命.实验发现在840℃下生长的非晶SiO2薄膜对硅片钝化效果最佳,可将硅片少子寿命提高约90%.此外,为优化SiO2/SiNx双层膜的减反射作用,采用Matlab程序计算SiO2/SiNx双层膜的反射谱,从理论上获得最优的膜系组合.实验发现生长有SiO2钝化膜的SiO2/SiNx双层膜太阳电池相对单层SiNx膜太阳电池,短路电流和开路电压分别提高了0.2A和8mV,转换效率提高约9%.     

纳米氮化锆薄膜的光学性能研究

采用射频磁控溅射法在载玻片和硅片上制备了纳米氮化锆薄膜。结果表明,纳米氮化锆薄膜(10～29nm)呈非晶态,其光学特性在波长380～2700nm的范围内平均可见光透过率为82.86%,平均反射率低至10.78%。扫描隧道谱(SIS)分析表明薄膜禁带宽度E_g为2.99 eV,在可见光范围内光子多为透过,反射和吸收较弱。从薄膜的X光电子能谱图(XPS)可知,薄膜表面存在大量的ZrO_2,对于纳米级的氮化锆薄膜而言,表面相ZrO_2对整体光学性能的影响较大。     

本征氢化非晶硅薄膜厚度对其钝化性能和HIT太阳电池电性能的影响

以异质结(HIT)太阳电池的本征氢化非晶硅薄膜为研究对象，该HIT太阳电池采用n型硅片作为晶硅衬底，其n型电子传输层(下文简称为“n面”)为入光侧，p型空穴传输层(下文简称为“p面”)为背光侧。首先研究了n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度对膜层钝化性能和光透过率的影响，然后进一步研究了n面和p面本征氢化非晶硅薄膜不同厚度匹配设计对HIT太阳电池电性能的影响，并选出了最优厚度匹配方案。研究结果表明：1) n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度越薄，n面非晶硅膜层的光透过率越高，但钝化效果会变差；当厚度达到5 nm时，硅片的少子寿命趋于稳定。2)在n面本征氢化非晶硅薄膜厚度一定的情况下，随着p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度变厚，硅片的少子寿命先快速增加，当厚度达到9 nm时，硅片的少子寿命趋于稳定；当厚度大于9 nm时，制备的HIT太阳电池的短路电流和填充因子均下降，表明其串联电阻增大，导致光电转换效率降低。3)当n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度分别为5、9 nm时，n面的钝化效果和光透过率匹配较好，p面的钝化效果和电阻率匹配最优，即为最优厚度匹配方案；此方案制备得到的HIT太阳电池的光电转换效率达到...     

硅太阳电池用UV/IR截止滤光膜系设计

根据光学薄膜原理,编制出计算机程序。在太阳电池封装玻璃的上、下表面分别设计出红外(IR)截止的带通滤光膜系A|[1.05(LMHML)](LMHML)6[1.15(LMHML)]1.15L| G和紫外(UV)截止的带通滤光膜系G|H/2LH/2|7s。透射曲线表明:这两种带通滤光膜系对于不同波长的光有着很好的选择性透射,IR截止滤光膜系能够使波长大于1120nm的大部分光在到达电池表面前就被反射,UV截止滤光膜系能够使得波长小于350nm的光在到达电池表面前几乎全部被反射掉。同时,350nm<λ<1120nm的光的入射几乎不受影响,加权平均透射率为97.49%。     

低频PECVD设备沉积的AlO_x/SiN_x钝化膜的性能研究

对低频PECVD设备沉积的应用于PERC太阳电池上的AlO_x/SiN_x钝化膜的性能进行了研究。通过少子寿命测试发现,低频PECVD设备直接沉积的AlO_x/SiN_x钝化膜的钝化性能较弱,载流子复合严重;利用傅里叶红外光谱(FTIR)对造成该现象的原因进行了分析,结果发现,一是因为Si-AlO_x界面无足够的氧化层,二是因为AlO_x膜层内的Al-O四面体结构占比偏小。通过在低频PECVD设备沉积AlO_x膜后通入N_2O/NH_3气体进行等离子体表面处理工艺,抑制了表面的载流子复合,显著改善了AlO_x/SiN_x钝化膜的钝化性能,使小批量生产的PERC太阳电池的平均转换效率达到了22.48%。     

双层减反射膜的研究

我们采用电子束蒸发淀积得到了光学(折射率)匹配良好的Ta_2O_5和SiO_2体系,Ta_2O_5和SiO_2膜的折射率分别为2.15和1.45。测定了0.3—0.9μm光谱范围内Ta_2O_5单层膜的透过率和双层膜在0.4—0.9μm范围内的反射率分布。对蒸有厚度匹配良好的双层膜的硅电池,测得的平均反射率低于5％。 提出了一个以测定太阳电池在蒸发减反射膜前后的短路电流来估算平均有效反射的方法。估算结果和测定值非常近似,可用于蒸膜工艺和对膜质量的鉴定。     

铝传感层蒸镀速率对飞秒激光抽运探测热反射方法测量热导率影响的研究

对飞秒激光抽运探测热反射实验中的一个关键因素传感层进行了研究,发现铝传感层的蒸镀速率对飞秒激光抽运实验有着很大的影响。分别在3种不同类型的硅片和玻璃片基底上用不同的蒸镀速率蒸镀了100nm的铝膜蒸镀速率控制在2×10-10到15×10-10 m/s。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线反射(XRR)研究了蒸镀铝膜表面的形貌及铝膜的厚度。基于飞秒激光抽运探测热反射方法对基底的热导率进行了测量,发现随着蒸镀速率的增大,不同基底测量得到的热导率呈现一致的规律。结果表明,蒸镀速率越大,铝传感层的晶粒越大,传感层的体积热容越小,当蒸镀速率大到一定程度时,由于晶粒的不规则度越来越大,反过来又影响体积热容的大小,从而影响了飞秒激光抽运探测热反射。     

单晶硅制绒的实验研究

为制备具有理想金字塔织构表面的单晶硅,采用原硅片、碱体系抛光硅片、酸体系抛光硅片分别在氢氧化钠/硅酸钠/异丙醇(NaOH/Na2SiO3·9H2O/IPA)体系、NaOH/IPA体系、碳酸钠/碳酸氢钠(Na2CO3/NaHCO3)体系下对单晶硅表面织构进行实验研究。利用智能型数字显微镜对表面形貌进行观察,利用紫外-可见-近红外分光光度计测量反射光谱。结果表明:酸体系抛光硅片的表面较为平整,再通过NaOH/Na2SiO3·9H2O/IPA体系制备的金字塔绒面结构完整、排布紧密、大小一致,且具有较低的反射率。     

管式PECVD法沉积的SiyNx/SiOxNy叠层膜的研究

本文对采用管式等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积的氮化硅与氮氧化硅(Si_yN_x/SiO_xN_y)叠层膜进行了实验研究,结果表明:在硅片正面镀膜时增加SiO_xN_y膜层,既可以增强正面的钝化效果,还可以降低对光的反射率,增加光吸收率,从而提升太阳电池的短波响应能力,通过对膜层组分和反应气体流量等工艺参数进行匹配优化,使太阳电池的光电转换效率提升了0.07%;利用Si_yN_x/SiO_xN_y叠层膜抗氧化、抗钠离子的特性,使太阳电池的抗电势诱导衰减(PID)性能提升了22%。     

一维Si/SiO_2光子晶体应用于热光伏的新进展

针对一维(1D)Si/SiO_2光子晶体滤波器在GaSb热光伏电池特征波长处存在较大反射峰的问题,根据等效折射率理论,将其基本结构由(L/2HL/2)~5改进为[1.10(L/2HL/2)](L/2HI/2)~3[1.10(L//2HI/2)].结果表明:改进的滤波器在特征波长处的透过率有较大提高,且抑制了长波光子的透过.辐射器为1250℃的黑体时,采用改进滤波器的TPV系统的光谱效率为33.3%,输出电功率密度为1.06W·cm~(-2),相对于采用原滤波器的TPV系统增长幅度均超过了10%,电池效率也有所提高.     

工业槽式太阳能集热管SiO_2增透膜的研究

讨论4m槽式太阳能集热管增透膜的制备工艺,并通过加速老化实验测试膜层的耐候性能。溶胶—凝胶法适合大规模工业化生产,尤其适合在槽式集热管这样的非平面器件上双面制膜。本文采用溶胶—凝胶法在4 m长的槽式真空集热管的外罩玻璃内外表面提拉制备多孔SiO_2增透膜,镀膜后的透过率在太阳光谱区(300~2500 nm)的平均透过率达到96%以上。     

反应离子刻蚀法制绒在单晶硅太阳电池上的应用

研究了在预制绒基片上进行RIE织构化处理,得到的硅片表面具有很好的陷光效果,平均反射率仅为6%左右。通过热氧化法改善表面损伤,发现在温度900℃下,氧化膜厚度为40nm时,可得到较高的有效少子寿命,由此制得电池的内量子效率(IQE)、短路电流密度均有提高。     

钠钙平板减反射增透玻璃的制备及研究

以普通的盖板玻璃为前提,采用浸蚀法这种区别于传统镀膜的纳米增透技术,通过对玻璃表面Na2O、CaO等活性组分的选择性腐蚀交换,在玻璃表面构筑得到具有特殊纳米结构的多孔SiO2膜层。通过对SiO2膜层厚度及孔隙的调控以实现入射光在传递过程中产生相消干涉,从而实现对光的减反射增透效果。试验结果表明：减反射增透膜层使玻璃透光率由89．7％提高到95．0％。与传统物理方法相比,此减反射增透膜层与玻璃基体间作用力为化学键。两者间更强的附着力使其耐候性显著提高,应用范围也将进一步扩大。     

背抛光高效PERL硅太阳电池的研究

研究两种背面平坦化方法(碱抛光和酸抛光)对PERL太阳电池的影响。通过分析激光扫描显微镜(LSM)、扫描电子显微镜(SEM)、少子寿命及电池的电性能参数、反射率和内量子效率(IQE),对比碱抛光条件下不同厚度的SiN_x背钝化膜对电池的影响,并确定合适的SiN_x厚度为180 nm。继而研究酸抛光的减薄量对电池的影响。综合分析少子寿命、LSM图像及电池的反射率、IQE和电性能参数,得到最优减薄量为0.24 g。此条件下制备出的单晶PERL电池效率为20.31%。     

SiN_x减反射层对组件抗PID能力影响

利用管式PECVD工艺,通过调整气体流量比,得到减反射性能较佳的双层SiN_x:H膜电池片,再对电池片封装成的光伏组件进行96 h、300 h的PID实验,得出较佳的抗PID工艺。实验结果表明,当折射率2.05时,电池片的抗PID效果较差,当折射率2.16时,抗PID效果显著;即减反射层工艺为达到较高的光电转化效率并同时满足抗PID效果,控制SiN_x膜电池片的折射率为2.16±0.02;即淀积1的较佳流量比NH3/SiH4为4.83,淀积2的较佳流量比NH_3/SiH_4为13.33,在此配比下电池片外观正常,电性能稳定性较好,同时组件抗PID测试300 h后衰减5%。     

级联式宽谱域高反射一维光子多晶体（1D PMC）研究设计

研究并制备一种可用作硅基薄膜太阳电池背反射器的新型一维光子多晶体(1D PMC)。该1D PMC由两种不同周期厚度的一维子光子晶体(PC)级联形成,其在500~1200 nm波段内的平均反射率达到98.6%,适用于非晶硅单结、非晶硅/微晶硅双结、非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结等各种类型硅基薄膜太阳电池的背反射器。两种不同周期厚度的子PC均由高折射率的a-Si层和低折射率的SiO_x层周期性交叠构成。通过a-Si层厚度的调控,可方便地调整不同周期厚度光子晶体的高反射区域和带宽。研究表明:为了获得宽谱域高反射1D PMC,应将在禁带范围内存在吸收的子PC置于无吸收子PC上面。