CN102792454A - 抗反射涂层以及具有该涂层的太阳能电池和太阳能模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗反射涂层（5a）、太阳能电池和太阳能模块。根据本发明的抗反射涂层（5a）至少包括具有高折射率的第一SiNx层（10）和具有较低折射率的第二SiNx层（11）。从而在叠入式太阳能模块中也能实现太阳能电池的更好光耦合和更好的钝化以及更均质和更深的颜色印象，同时对典型的工艺差异不敏感。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分的一种抗反射涂层、根据权利要求7前序部分的一种太阳能电池、以及根据权利要求9前序部分的一种太阳能模块。
背景技术
太阳能电池通常由构建于导电半导体衬底上的p-n结构所构成，其中在半导体衬底上布置导电层，并且p-n结处在衬底与导电层之间的界面处。为了将尽可能多的光耦合到太阳能电池中，在第一导电层上布置抗反射涂层以避免反射造成的光损失。
在基于硅的太阳能电池中，这样的抗反射涂层通常由折射率n=2.05、大约75nm厚的SiNx层构成。由于干涉，反射被该抗反射涂层减小，其中最小反射为4*n*d=约620nm。通过选择该层厚度，实现了有关太阳光谱的光谱区中的最大光耦合，并且该层厚度使得太阳能电池呈现蓝色。折射率与波长有关，并且在本申请中通常针对λ=632nm来指定折射率。
由于PECVD工艺（等离子增强化学气相沉积工艺）中这种抗反射涂层的制造工艺，在抗反射涂层的沉积期间结合了氢，即，SiNx层被氢化，其由表达式SiNx:H层表示。该层中包含的这种氢使得SiNx/Si界面处的以及硅衬底体中的复合中心钝化。因此，对这种太阳能电池的效率具有积极影响。
然而，该技术方案具有许多缺点。例如，单层抗反射涂层仅对特定波长才能实际上完全抑制反射。因此，对于微晶太阳能电池的一般量子效率而言，相关光谱区中的反射损失增加到大约3mAcm-2。
此外，基于硅的太阳能电池的颜色印象大大取决于SiNx层的层厚度。由于层厚度在整个晶片（衬底）上或在两个晶片之间的变化，如通常在工业使用的PECVD反应器中出现的那样，因此该颜色印象也变化，不过典型地从淡蓝色到紫色。因此，对太阳能电池或太阳能电池模块的高质量外观有所损失，因为认为其显然是不均质的。
另外，如已知的那样，通过增大SiNx层的折射率来增强SiNx/Si界面或衬底中硅体的钝化。然而，随着折射率增大，吸收率也同时上升，这就是为何不能对这种单层抗反射涂层使用高折射SiNx，因为一旦这么做将会减小吸收后的光产出量。
尽管理论上能够不增强抗反射涂层对其单层系统中的光耦合和钝化的影响，然而，通过测量SiNx涂敷之后的太阳能电池的颜色并在颜色偏离的情况下调节SiNx的沉积时间，能够对抗颜色偏离。
具有单层SiNx涂层的这种传统太阳能电池具有在本文所示实验中使用的硅上晶片（on silicon wafer），通常短路电流ISC大约为33.2mAcm-2，开路电压约为604.5mV，并且占空因数大约为78%，占空因数作为太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流的乘积之商在某种程度上揭示了太阳能电池的量。效率典型地为15.6%。
然而，这些值并非排他性相关，因为实际上太阳能电池几乎都是在太阳模块中工作的，这些太阳能电池被层叠在太阳能模块中，其中在叠入（laminated in）期间，由聚合箔（典型地为EVA）和玻璃板构成的堆叠被胶合在太阳能电池的光耦合侧上，并且整个模块被气密性地封装。现在，上述值在这样的太阳能模块中发生改变，因为这里存在额外的界面，其改变了光耦合。另外，电气条件几乎也改变了，从而改变了太阳能模块中的太阳能电池的效率。
用于增强光耦合的一个可能包括将抗反射涂层设计为两层系统，其中氧氮化硅层（SiNxOy）被定向为朝向与空气之间的界面的方向，并且在其上施加SiNx层，该层定向为朝向p-n结的方向。利用该两层系统，与具有单个抗反射涂层的太阳能电池相比，可以将非叠入式太阳能电池的短路电流上升大约2%。不过，对于太阳能模块中的叠入式太阳能电池，该短路电流仅提高了0.5%。
在WO 2008/062934A1中描述了用于改善抗反射涂层的另一种方法，其中也采用了两层系统，该两层具有一个SiNx的第一层和一个第二层，该第二层定向为朝向与空气之间的界面的方向并且由包含硅的绝缘材料构成。通过该方式，采用氧氮化硅的顶部绝缘层，短路电流将会被提高到大约33.3mA，并且开路电压被提高到619.9mV，占空因数为78.2%。然而，没有给出叠入式太阳能电池的详细描述。
发明内容
因此，本发明的一个目的是说明一种对处于暴露和叠入条件两种情况下的太阳能电池均能显著改善其相关参数的抗反射涂层。具体地，具有这种抗反射涂层的太阳能电池的颜色印象对层厚度变化具有显著降低的敏感性，并且将会得到改善的钝化。另外，期望的是可以通过简单和成本效率高的方式来生产根据本发明的抗反射涂层。除了这种抗反射涂层之外，还可以提供太阳能电池和太阳能电池模块。
该目的通过根据权利要求1的抗反射涂层、根据权利要求7的太阳能电池和根据权利要求9的太阳能模块来实现。优选实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的抗反射涂层，具体地对于基于硅的太阳能电池，有利地对于多晶或单晶硅的太阳能电池、太阳能模块等，包括SiNx的层，并且抗反射涂层至少包括具有高折射率的第一SiNx层和具有较低折射率的第二SiNx层，其中第一和第二SiNx层具体地为SiNx:H层。
根据本发明的由至少两个SiNx层构成的抗反射涂层，其一方面实现了改进的光耦合，这是因为不仅由此提供了窄反射最小化，而且提供了宽反射抑制。另一方面，由此制造的太阳能电池的颜色印象被相当大地改变为非常深的蓝色，从而实现了层厚度的可能变化几乎不对其光学印象产生影响的效果，这是因为例如与区分淡蓝色和紫色相比，眼睛更难于区分不同深浅的深蓝。
有利地可以提供至少包括SiNxOy层的抗反射涂层，其中SiNxOy层优选地为SiNxOy:H层，其中具体地SiNxOy层具有比第二SiNx层的折射率更低的折射率，其中第二SiNx层优选地处在第一SiNx层与SiNxOy层之间。由于附加地提供了氧氮化硅层，可以进一步增强光耦合，并且表现出纯黑色调作为光学颜色印象也成为可能。通过该黑色外观，可以实现相比蓝色太阳能模块显著更有利的销售优势，因为这种黑色太阳能模块由于时尚而更好销售，也因为它们更具有与由于美学原因而不能搭配蓝色太阳能模块的那些颜色进行搭配的可能性。
在一个优选实施例中，第一和第二SiNx层之间的折射率差和/或第二SiNx层与SiNxOy层之间的折射率差至少为0.2。由于提供了这样的折射率差，因此保证了抗反射涂层的高效率。
在一个尤为优选的实施例中，抗反射涂层的特征在于，第一SiNx层的折射率为2.1至2.8，优选地为2.25至2.6，和/或第二SiNx层的折射率为1.8至2.3，优选地为1.9至2.15，和/或SiNxOy层的折射率为1.45至1.9，优选地为1.45至1.7，和/或第一SiNx层的厚度为10nm至70nm，优选地为20nm至55nm，和/或第二SiNx层的厚度为5nm至60nm，优选地为10nm至50nm，和/或SiNxOy层的厚度为≥20nm，优选地≥30nm。
在折射率和层厚度的这些狭窄值范围中，抗反射涂层具有大的光耦合效果，此外提供了大的钝化效果。
优选地，可以在第一和第二SiNx层之间提供第三SiNx层，该第三SiNx层的折射率具有梯度形式，其最大折射率小于等于第一SiNx层的折射率并且其最小折射率大于等于第二SiNx层的折射率。在该情况下，优选的是第三SiNx层的最大折射率至多为2.4，优选地至多为2.3，具体地为2.25，并且最小折射率至少为1.9，优选地至少为1.95，具体地至少为1.97，和/或第三SiNx层的厚度为5nm至70nm，优选地为10nm至50nm。从而可以进一步将光耦合最优化。
主张了针对具有至少一个p-n结的太阳能电池的独立保护，具体地为基于硅的太阳能电池，优选地为多晶或单晶硅的太阳能电池，从而太阳能电池包括根据本发明的抗反射涂层，其中优选地将第一SiNx层定向为朝向p-n结的方向，并且将第二SiNx层定向为朝向与空气之间的界面的方向。
在一个具体的优选实施例中，根据本发明的太阳能电池特征在于，第一SiNx层的折射率为2.45，第二SiNx层的折射率为2，并且SiNxOy层的折射率为1.50，其中第一SiNx层的厚度为45nm，第二SiNx层的厚度为15nm，并且SiNxOy层的厚度为85nm。这样的太阳能电池特征在于，根据所使用的质地而具有从深蓝色到黑色的颜色印象、非常好的钝化和大的光耦合效果。
作为替代，根据本发明的太阳能电池特征在于第一SiNx层的折射率为2.25，第二SiNx层的折射率为1.97，并且第三SiNx层的折射率在2.25与1.97之间，其中第一SiNx层的厚度为15nm，第二SiNx层的厚度为30nm，并且第三SiNx层的厚度为38nm。在该情况下，没有额外提供SiNxOy层，尽管提供该层也是可能的。这样的太阳能电池特征在于深蓝色印象、非常好的钝化和大的光耦合效果。
另外，主张了针对由至少一个叠入式太阳能电池制成的太阳能模块的独立保护，具体地是基于硅的太阳能电池，优选地是多晶硅的太阳能电池，其中太阳能电池包括至少一个p-n结，其中太阳能电池为根据本发明的太阳能电池。
在一个具体的优选实施例中，太阳能模块特征在于第一SiNx层的折射率为2.45，第二SiNx层的折射率为2，并且SiNxOy层的折射率为1.6，其中第一SiNx层的厚度为43nm，第二SiNx层的厚度为36nm，并且SiNxOy层的厚度为60nm。这样的太阳能模块特征在于黑色印象、高的光产出量和非常好的钝化。这些值与本发明的太阳能电池相比被稍微校正了，以便适应由于叠入而造成的条件改变。
附图说明
通过下面结合附图对优选实施例的描述，本发明的特征以及进一步的优点将会变得明显。其中：
图1示出根据本发明的太阳能电池，
图2示出在第一实施例中的根据本发明的抗反射涂层，
图3示出在第二实施例中的根据本发明的抗反射涂层，
图4示出具有根据图2的抗反射涂层的根据本发明的太阳能电池与根据图3的抗反射涂层的根据本发明的太阳能电池的效率之间的比较，
图5示出具有根据图2和图3的抗反射涂层的根据本发明的太阳能电池的短路电流，
图6示出具有根据图2和图3的抗反射涂层的根据本发明的太阳能电池的开路电压，
图7示出具有根据图2和图3的抗反射涂层的太阳能电池的占空因数，和
图8示出具有根据图2的抗反射涂层的根据本发明的叠入式太阳能电池的外观。
具体实施方式
在图1中，纯示意性地以截面示出根据本发明的太阳能电池1，其包括可导电的半导体硅衬底2、可导电的硅层3、由铝制成的背面电极4、抗反射涂层5、和由银制成的正面电极6。在衬底2与硅层3之间的界面处形成p-n结。
现在根据本发明，例如根据如图2和图3所示的优选实施例来设计根据本发明的太阳能电池1中使用的抗反射涂层5。图2和图3由此纯示意性地以截面示出抗反射涂层5a、5b，其中根据如图2中所示的第一优选实施例来将抗反射涂层5a构造为三层系统，其由具有高折射率的第一SiNx:H层10、具有低折射率的第二SiNx:H层11和具有更低折射率的SiNxOy:H层12构成。即，第一SiNx:H层10具有2.45的折射率和43nm的层厚度。第二SiNx:H层11具有36nm的层厚度和折射率2，并且SiNxOy:H层12具有1.6的折射率和60nm的厚度。
根据图3的抗反射涂层5b也是三层系统，但是没有额外的SiNxOy层，其由以下层构成：折射率为2.25且厚度为15nm的第一SiNx:H层20、布置于第一SiNx:H层20上的厚度为38nm且具有从2.25开始到1.97结束的连续折射率的第三SiNx:H层21、以及布置于第三SiNx:H层21上的具有1.97的折射率和30nm的层厚度的第二SiNx:H层22。
在图4至图7中，比较了不根据本发明的层叠太阳能电池1的各个参数，其中在一种情况下根据抗反射涂层5a（在图表中表示为“堆叠”）和5b（在图表中表示为“梯度”）来指定抗反射涂层5。图4至图7中的图表每一个示出所谓的箱线图，每一个包含80个数据点。数据点的每一个都是在从晶片得到的微晶（mc）太阳能电池上获得的，每个晶片被彼此相邻地布置在用于生产的结晶块中。
示出了所制造的太阳能电池1的价值效率Eta、短路电流ISC、开路电压VOC、和占空因数FF部分地显著优于具有仅由一个SiNx:H层构成的抗反射涂层的普通太阳能电池的上述参数。详细地说，采用根据图3的抗反射涂层5b，可以得到1mV的开路电压的改善和0.2mAcm-2的短路电流的改善。采用根据图2的不包含梯度层21的抗反射涂层5a，可以进一步改善钝化，从而开路电压进一步上升1.5mV。另外，可以耦合进更多的光，从而短路电流进一步提高了0.4mAcm-2。
尽管在到此为止所知的改善的抗反射涂层中更大光耦合仅存在于叠入之前，然而根据本发明的抗反射涂层5a、5b甚至使得光耦合在层叠之后显著地更大，这能够通过仿真来预测以及通过适当的实验来确认。
详细地说，根据图4的效率对于抗反射涂层5b平均约为15.75%，并且对于抗反射涂层5a平均约为15.8%。根据图5的短路电流对于抗反射涂层5b平均约为33.4mAcm-2，并且对于抗反射涂层5a平均约为33.8mAcm-2。开路电压对于抗反射涂层5b平均约为605.5mV，并且对于抗反射涂层5a平均约为607mV。占空因数对于抗反射涂层5b平均约为78.2%，并且对于抗反射涂层5a平均约为77.2%。
根据图7的抗反射涂层5a的较差的占空因数没有根本上的原因，而是因为这一事实：已经考虑到针对根据图3的抗反射涂层5b的工艺参数来将用于生成太阳能电池1上的正面电极6的接触工艺进行了最优化。因此，理论上这种工艺对于根据图2的抗反射涂层5a不是最优的，并且不适当的接触导致电阻损失，这是因为通过穿过抗反射涂层5的电极烧结（electrode burning）来进行接触工艺并且层厚度和材料在该方面本质上是产生影响的因数。然而，理论上，抗反射涂层5a的占空因数应当更加改善，尤其是与抗反射涂层5b相比可能保持更高。
最后，在图8中示出了根据本发明的叠入式太阳能电池1的照片图像，其具有根据图2的三层系统5a作为抗反射涂层5。从该图像可以清楚看出生成了非常均匀的颜色印象，其完全是黑色的，如该图像的原始彩色图像所示。在左上角中部分地显得稍浅的颜色印象是由于拍照期间的反光造成的，因此不是层偏离的原因。尽管根据图8的叠入式太阳能电池1也稍微具有偏离的层厚度，但是其以根据本发明的抗反射涂层5a来实现，从而颜色印象仍然非常恒定。
通过本描述，已经非常清楚通过采用本发明可以以协作的方式改善抗反射涂层并且尤其是太阳能电池（具体地，基于微晶硅的太阳能电池）的性质，从而实现了叠入式模块中良好的光耦合、良好的钝化以及更均质和更深的颜色印象，同时对于典型的工艺差异不敏感。
因此，本发明的发明人发现，尽管高折射的SiNx:H层10、20具有大约2.4的折射率，但可以改善抗反射涂层5a、5b，这是因为充分的反射减小能够将更多的光一起耦合到根据本发明的太阳能电池1中。由于采用了根据本发明的抗反射涂层5a、5b，因此对于配备了根据本发明的太阳能电池1的太阳能模块，由于更好的光耦合因而第一次能够获得相对于标准单层抗反射涂层的效率优势。
Claims (10)
1.一种抗反射涂层（5a；5b），具体地针对基于硅的以及优选地针对多晶或单晶硅的太阳能电池（1）、太阳能模块等，该抗反射涂层包括SiNx层（10,11；20,21,22），特征在于抗反射涂层（5a；5b）至少包括具有高折射率的第一SiNx层（10；20）和具有低折射率的第二SiNx层（11；22），并且所述第一SiNx层（10；20）和第二SiNx层（11；22）具体地为SiNx:H层（10,11；20,22）。
2.根据权利要求1的抗反射涂层（5a；5b），特征还在于包括至少一个SiNxOy层（12），其中所述SiNxOy层（12）优选地为SiNxOy:H层（12），其中具体地所述SiNxOy层（12）具有比所述第二SiNx层（11）的折射率更低的折射率，其中所述第二SiNx层（11）优选地布置在所述第一SiNx层（10）与所述SiNxOy层（12）之间。
3.根据前述任一项权利要求的抗反射涂层（5a；5b），特征在于所述第一SiNx层（10；20）与所述第二SiNx层（11；22）之间的折射率差和/或所述第二SiNx层（11）与所述SiNxOy层（12）之间的折射率差至少为0.2。
4.根据前述任一项权利要求的抗反射涂层（5a；5b），特征在于所述第一SiNx层（10）的折射率为2.1至2.8，优选地为2.25至2.6，和/或所述第二SiNx层（11）的折射率为1.8至2.3，优选地为1.9至2.15，和/或所述SiNxOy层（12）的折射率为1.45至1.9，优选地为1.45至1.7，和/或所述第一SiNx层（10）的厚度为10nm至70nm，优选地为20nm至55nm，和/或所述第二SiNx层（11）的厚度为5nm至60nm，优选地为10nm至50nm，和/或所述SiNxOy层（12）的厚度为≥20nm，优选地为≥30nm。
5.根据前述任一项权利要求的抗反射涂层（5b），特征在于在所述第一SiNx层（20）与第二SiNx层（22）之间提供第三SiNx层（21），该第三SiNx层（21）的折射率具有梯度形式，其最大折射率小于或等于所述第一SiNx层（20）的折射率，并且其最小折射率大于或等于所述第二SiNx层（22）的折射率。
6.根据权利要求5的抗反射涂层（5b），特征在于所述第三SiNx层（21）的最大折射率至多为2.4，优选地至多为2.3，具体地为2.25，并且其最小折射率至少为1.9，优选地至少为1.95，具体地至少为1.97，和/或所述第三SiNx层（21）的厚度为5nm至70nm，优选地为10nm至50nm。
7.一种太阳能电池（1），具体地为具有至少一个p-n结的基于硅的太阳能电池，优选地为具有至少一个p-n结的多晶或单晶硅的太阳能电池，其特征在于所述太阳能电池包括根据前述任一项权利要求的抗反射涂层（5a；5b），其中优选地第一SiNx层（10；20）被定向为朝向p-n结的方向，并且第二SiNx层（11；22）被定向为朝向与空间之间的界面的方向。
8.根据权利要求7的太阳能电池，特征在于第一SiNx层（10）的折射率为2.45，第二SiNx层（11）的折射率为2，并且SiNxOy层（12）的折射率为1.50，其中第一SiNx层（10）的厚度为45nm，第二SiNx层（11）的厚度为15nm，并且SiNxOy层（12）的厚度为85nm，或者第一SiNx层（20）的折射率为2.25，第二SiNx层（22）的折射率为1.97，并且第三SiNx层（21）的折射率为处于2.25与1.97之间，其中第一SiNx层（20）的厚度为15nm，第二SiNx层（22）的厚度为30nm，并且第三SiNx层（21）的厚度为38nm。
9.由被叠入的至少一个太阳能电池（1）制成的太阳能模块，具体地为基于硅的太阳能模块，优选地为多晶或单晶硅的太阳能模块，其中所述太阳能电池包括至少一个p-n结，所述太阳能模块特征在于所述太阳能电池是根据权利要求7的太阳能电池（1）。
10.根据权利要求9的太阳能模块，特征在于第一SiNx层（10）的折射率为2.45，第二SiNx层（11）的折射率为2，并且SiNxOy层（12）的折射率为1.6，其中第一SiNx层（10）的厚度为43nm，第二SiNx层（11）的厚度为36nm，并且SiNxOy层（12）的厚度为60nm。
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