專利名稱：用于硅基太陽能電池模塊的雙層抗反射涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位于由晶體硅制成的太陽能電池上的抗反射涂層(ARC)以及該抗反射涂層的制造方法。本發(fā)明的目的是記述一種當(dāng)太陽能電池被封裝在太陽能電池模塊中(即被折射率為約1.5的玻璃或類似的聚合物材料覆蓋)時具有優(yōu)化光學(xué)特性的抗反射涂層。該ARC包括用于鈍化的氫化氮化硅(SixNY:H)層以及在可見光譜范圍內(nèi)具有高折射率但低吸收性的氧化鈮(Nb2O5)層。
背景技術(shù)：
用于晶體太陽能電池的現(xiàn)有前側(cè)ARC表現(xiàn)為具有兩個功能特性的SixNY:H(縮寫:SiN:H)層:i)減少太陽能電池設(shè)備前側(cè)的反射光量，以及ii)鈍化該晶體或多晶Si晶片材料(場效應(yīng)鈍化&化學(xué)鈍化，例如通過懸空鍵或雜質(zhì)的氫鈍化)。這些SiN:H膜可以通過PECVD或PVD技術(shù)沉積并且通常在633nm處具有1.9-2.1的折射率，其為太陽能電池提供了最優(yōu)化的效率(電功 率輸出/入射有用光的功率輸入)。通常，單層ARC膜的最佳折射率(η)必須滿足公知的要求n = sqrt (n_s*n_m) (等式 I)其中，n_s和n_m分別是ARC下面的基底以及ARC上面的介質(zhì)的折射率。因此，最佳的硅太陽能電池(對于Sin_s = 3.8 ;對于空氣n_m = 1.0)需要η = 1.95的ARC。另一方面，太陽能電池模塊被在633nm處折射率為約1.5的玻璃或塑料覆層以及聚合物粘合劑(例如，EVA、乙烯醋酸乙烯酯)覆蓋，根據(jù)等式1，這需要折射率為2.39的ARC。電池與模塊的上述需求是針對單波長(在這里為633nm)計算的，這時光反射是最小的。不過即使通過更詳盡的方法來計算該太陽能電池效率，包括ARC在全光譜范圍上的光學(xué)特性(這對于地面太陽能應(yīng)用很重要)，上述考慮仍然是有效的。這些更詳盡的計算能夠通過專用軟件(例如PC-1D)或通過計算加權(quán)光損耗(其降低假想的完美ARC(透射比100)的效率)來進(jìn)行。在采用了第二種途徑的當(dāng)前工作中，每次給出模擬的效率，假設(shè)具有最佳ARC的太陽能電池的效率為17.5%。圖1a)和b)顯示了模塊級的這種模擬的結(jié)果:對于每個折射率，計算出最佳膜厚，對于折射率為2.4且膜厚為64nm的ARC最終的模塊效率顯示了顯著提高。為了計算太陽能效率，將反射光譜與光譜響應(yīng)函數(shù)(也顯示在反射圖中)求卷積，對于多晶硅晶片材料，光譜響應(yīng)函數(shù)是由AMl.5光子通量乘以典型的IQE計算得到的。4%的玻璃前側(cè)反射也包括在該反射數(shù)據(jù)中。(注意:如果沒有另外說明，從現(xiàn)在起所有折射率都是針對633nm的波長所述的，其也大體上是AMl.5太陽光譜的加權(quán)中心。)等式I和圖1中的模擬結(jié)果僅在300nm至1200nm光譜范圍內(nèi)未發(fā)生吸收時有效。對于具有高折射率的富硅SiN:H膜情況并非如此。然而，由PECVD或PVD方法沉積的SiN:H對于η < = 2.0的折射率僅顯示了很少的吸收。低波長吸收隨著SiN:Η層的折射率或多或少地線性增大(參見圖2)。對于η > 2.1，低波長吸收將危害更高折射率的積極效果并將導(dǎo)致了太陽能模塊的性能顯著降低(參見圖3)。對于PECVD SiN:Η也觀察到了同樣的趨勢,例如Soppe等人[Prog.Photovolt:Res.Appl.2005 ; 13:551-569]或 Doshi 等人[Applied0ptics36 (1997) 7826]:當(dāng)在由硅烷和氨獲得的SiN:H膜中試圖同時獲得高η值和低k值時，必須在消光系數(shù)或折射率上作出妥協(xié)。例如Doshi 等人或 Moschner 等人[Prog.Photovolt:Res.App1.2004 ； 12:21-31]公開的PVD SiN=H ARC的結(jié)果以及PECVD結(jié)果表明，如果在膜生長的起始階段(接近S1-SiN界面)采用具有2.3-2.4的更高折射率的富硅膜，則SiN:H層顯示改善的鈍化。這導(dǎo)致了雙層-或梯度層的發(fā)展，通過在SiN:H沉積期間改變反應(yīng)氣體組成，以僅在接近界面處具有高折射率材料以及在膜沉積的主要部分具有低折射率材料(具有低吸光率)。通過PVD沉積的這樣的整體折射率為η = 2.05的雙層SiN:Η的一個典型例子將作為過程記錄，用于與本發(fā)明的改進(jìn)的層堆疊進(jìn)行對比。作為對比的手段，在圖3中還將SiN_DL與(假想的)無吸收層進(jìn)行了對比。圖3顯示了無吸收單ARC層的計算發(fā)射&吸收(a)以及最終的太陽模塊效率(b)，與具有由橢圓偏振光譜測量的光學(xué)特性的SiN:H的對比，來自由PVD沉積的“現(xiàn)實世界的”高折射率SiN:H膜。在計算中考慮了典型太陽能玻璃材料的玻璃前側(cè)反射以及低波長吸收。已知有幾種透明材料(例如TiO2或Nb2O5)在300nm至1200nm具有η > 2.2的高折射率以及極低吸收。但是這些材料不足以滿足太陽能電池ARC的第二個需求:通過場效應(yīng)鈍化或化學(xué)鈍化(例如通過懸空鍵或雜質(zhì)的氫鈍化)實現(xiàn)太陽能電池的鈍化。US3977905記述了由Nb2O5制成的單層ARC，用于被玻璃覆層保護(hù)的太陽能電池上，并特別強(qiáng)調(diào)了在300-500nm的短波長區(qū)域的低吸收。在一個優(yōu)選實施方案中，通過標(biāo)準(zhǔn)電子束蒸發(fā)沉積鈮。由于未使用含氫的工藝氣體，該單層Nb2O5ARC不能產(chǎn)生現(xiàn)有技術(shù)的多晶或單晶硅太陽能電池所需的足夠的表面鈍化和體鈍化。另一方面，Nb2O5是眾所周知的用于多種光學(xué)應(yīng)用的低吸收透明膜。例如在US5372874中記述了 Nb2O5作為多層ARC的一部分，目的是通過反應(yīng)DC濺射制造用于光涂層的在可見光譜內(nèi)具有低吸收的寬帶ARC。該公開涉及金屬層或具體地四層ARC。用于太陽能電池應(yīng)用的雙層ARC也被以多種方式公開:例如GB1526171記述了高折射率材料(η =
2.35-2.4，優(yōu)選鈦的氧化物)與低折射率材料(η=1.6-1.7，優(yōu)選鋁的氧化物)的組合，其中，該高折射率材料更靠近Si晶片而該低折射率材料更靠近該玻璃覆層。W0/2007/051457記述了具有靠近基底的指定鈍化層的雙層。其中第二層設(shè)計為在燒制(furnace firing)期間防止氫向外擴(kuò)散到環(huán)境中。為了改善的光學(xué)特性，由1-1Onm的SiN:H或3-10nm的SiN:H制成的第一層與TiO2制成的第二層結(jié)合，其中，第一層通過PECVD沉積而第二 TiO2層通過濺射(PVD)沉積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的最基本實施方案的草 圖顯示在圖5中:在晶片基太陽能電池(“體硅”)上，設(shè)置有含氫鈍化層(SiN:H)，接著是氧化鈮層(“NbO”)。隨后，在所述NbO層上設(shè)置覆層(玻璃，EVA或類似物)。


圖1:無吸收單ARC層的計算反射(a)和太陽能模塊效率(b)作為該ARC的折射率的函數(shù)(恒定折射率-無色散)。圖2:兩種通過PVD沉積的SiN工藝(其中，SiN#l采用比SiN#2更高的NH3氣體流量設(shè)置來沉積)連同來自參考文獻(xiàn)“Doshi”的PECVD數(shù)據(jù)一起的低波長吸收系數(shù)k(350nm)對折射率r^633nm)。所有數(shù)據(jù)都來自Si晶片上的SiN:H單層膜的橢圓偏振光譜分析。圖3:無吸收單ARC層的計算發(fā)射&吸收(a)以及最終的太陽模塊效率(b)，相比于具有由橢圓偏振光譜測量的光學(xué)特性的SiN:H，來自由PVD沉積的“現(xiàn)實世界的”高折射率SiN:H膜。圖4:單層高折射率SiN:H膜、雙層SiN:H膜(標(biāo)記為“SiN_DL”)以及兩個SiN:H/Nb205雙層膜堆疊的計算吸收(a)、反射&吸收(b)以及最終的太陽能模塊效率(C)圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的層序列的一個基本實施方案。
具體實施例方式
本發(fā)明提出I)將10-30nm厚的含氫鈍化層(例如SixNY:H)與Nb2O5 (或概括地講，Nbx0Y)頂層結(jié)合，用于使ARC的折射率與折射率為約1.5的覆層材料(例如玻璃或EVA、乙烯醋酸乙烯酯)實現(xiàn)最佳匹配。10-30nm的SiN:H膜厚已經(jīng)被證明能夠提供足夠的鈍化，而不會由于低波長吸收而使光學(xué)特性過多地退化。由于改善的光學(xué)特性(參見圖4)，所得雙層ARC使得太陽能模塊效率顯著提高。2)根據(jù)I)的雙層，其中通過PECVD或通過反應(yīng)濺射(PVD)由Si靶與N2和/或NH3沉積SiN:H層，以及通過純Nb靶或?qū)щ奛b2OxU < 5)靶與O2的反應(yīng)濺射沉積Nb2O5層。相比于TiO2，氧化鈮反應(yīng)濺射工藝更少依賴于所得膜的精確化學(xué)計量(尤其是在最小低波長吸收是強(qiáng)制性的時)，并且Nb2O5的濺射率比TiO2高二到五倍(參見例如[5])。3)根據(jù)I)和/或2)的雙層，其中為了優(yōu)化吞吐量和成本的考慮，在同一單晶片多室濺射工具中沉積這兩個層。4)根據(jù)I)的雙層，其中在含氫氣氛中沉積Nb2O5層，以在燒制之后獲得改善的氫向Si晶片以及Si/ARC界面中的并入。5)根據(jù)I)的雙層，其中僅在沉積了前后觸點(例如通過絲網(wǎng)印刷)和已經(jīng)建立接觸(例如通過燒制前 和后側(cè)漿料(paste))之后才沉積該Nb205。在這個改變的制造工序中，前觸點不需要穿透Nb2O5層。在絲網(wǎng)印刷前側(cè)觸點的情況下，該改變的制造工序有利于優(yōu)化前側(cè)漿料的化學(xué)組成以及燒制工藝的參數(shù)這二者。圖4a)-c)分別顯示了單層高折射率SiN:H膜、雙層SiN:H膜(標(biāo)記為“SiN_DL”，在接近界面處具有約η = 2.3的高折射率，并且對于第二層為約η = 2.0)、以及兩個SiN:H/Nb205雙層膜堆疊(具有可改變的SiN膜厚度但整體厚度相同)的計算的吸收(a)、反射&吸收(b)以及最終的太陽能模塊效率(C)。在該計算中包括了典型的太陽能玻璃材料的玻璃前側(cè)反射以及低波長 吸收。
權(quán)利要求
1.具有雙層抗反射涂層的硅晶片基太陽能電池，包括: 在晶片基硅太陽能電池的表面上的，其中所述表面在所述電池工作時面向光: -含氫的硅鈍化層，接著是 -氧化銀NbxOY層， -折射率為約1.5的覆層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能電池，其中，所述含氫的娃鈍化層為氫化氮化娃SixNy:H層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的太陽能電池，其中，所述含氫的硅鈍化層的厚度為10-30nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的太陽能電池，其中所述氧化鈮主要包括Nb205。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的太陽能電池，其中所述覆層包括玻璃或乙烯醋酸乙烯酯。
6.具有雙層抗反射涂層的硅晶片基太陽能電池的制造方法，所述方法包括: 在晶片基硅太陽能電池的表面上沉積含氫的硅鈍化層，其中所述表面在所述電池工作時面向光； 接著沉積氧化銀NbxOY層； 以及向所述氧化鈮層上附著折射率為約1.5的覆層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法,其中,所述含氫的娃鈍化層為氫化氮化娃SixNy:H層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和/或7的方法，其中所述氧化鈮主要包括Nb205。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，所述SixNY:H層是通過PECVD或通過反應(yīng)濺射(PVD)由Si靶與N2和/或NH3沉積的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9的方法，其中所述Nb2O5層是通過純Nb靶或?qū)щ奛b2O5U< 5)靶與O2的反應(yīng)濺射來沉積的。
11.根據(jù)權(quán)利要求6-10的方法，其中所述雙層抗反射涂層的兩個層是在一個單晶片多室濺射工具中順序沉積的。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11的方法，其中所述Nb2O5層是在含氫氣氛中沉積的。
全文摘要
一種具有雙層抗反射涂層(ARC)的硅晶片基太陽能電池，該雙層ARC結(jié)合了10-30nm厚的含氫鈍化層(例如SiXNYH)和Nb2O5頂層(或概括地講NbXOY)，以使ARC的折射率與折射率為約1.5的覆層材料(例如玻璃或EVA、乙烯醋酸乙烯酯)最佳匹配。該雙層ARC是通過PECVD或通過反應(yīng)濺射法(PVD)Si靶與N2和/或NH3沉積的，該Nb2O5層是通過純Nb靶或?qū)щ奛b2O5(x＜5)靶與O2的反應(yīng)濺射沉積的。
文檔編號H01L31/0216GK103236445SQ20131005070
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者O·拉通德 申請人:Oc歐瑞康巴爾斯公司