CN112366251A - 一种太阳能电池减反射膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池减反射膜的制备方法，其将硅片经过清洗、制绒、扩散和去PSG后，采用PECVD法在硅片的正面和/或背面镀SiNx膜，在SiNx减反射膜制作金属电极，利用喷涂工艺将含有SiO2的减反射膜液均匀喷涂在硅片正面SiNx膜上，再经后续的高温烧结即可形成SiNx/SiO2双层减反射膜结构。本发明方法制备的太阳能电池减反射膜不仅具有良好的减反射效果，同时具有良好的钝化效果、能有效阻止杂质和电极中的金属原子在后序工艺中渗入硅片，大大提升了电池效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏技术领域，特别涉及一种太阳能电池减反射膜的制备方法。
背景技术
由于太阳光在硅表面的反射损失较大（约为35%），虽然硅表面制绒后可以减少反射，但范围有限。为能得到更小的表面反射率，仍然需要在硅表面沉积减反射膜来减少光的反射，提高光生电流密度，从而提高电池的转换效率。减反射原理是根据减反射膜上下表面的反射光光程差为波长的整数倍时会干涉相消，从而实现降低反射的目的。硅的折射率为3.5，光伏玻璃的折射率为1.52，理想的减反射膜的折射率为两种乘积的平方根2.3。同时硅表面含有大量悬挂键、杂质和断键，导致硅片表面复合严重，少子寿命大大降低。SiNx（氮化硅）膜具有良好的绝缘性、致密性和稳定性，折射率在1.9至2.2之间，透明波段中心与太阳光的可将光光谱吻合，且具有表面钝化和体钝化作用，因此SiNx能同时提供钝化和减反射效果，是目前晶硅太阳能电池中使用最多的减反射层。目前，太阳能电池片制造通常使用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）设备在硅片表面沉积SiNx，所用的活性气体为硅烷SiH4和氨NH3。可以根据改变硅烷对氨气的比率，来得到不同的折射指数。在沉积过程中，伴有大量的氢原子和氢离子的产生，使得晶片的氢钝化性十分良好。
除了SiNx膜外，SiO2（二氧化硅）膜同样结构致密，具有良好的钝化能力，也可作为太阳能电池的保护膜和钝化膜，但SiO2的折射率较低，不能单独用作减反射膜。目前沉积SiO2膜的方法主要是热氧化法，生成的二氧化硅膜可以在硅片表面产生非常低的界面态密度，从而达到表面钝化效果。但热氧化法需要在900~1200℃的高温进行，SiO2氧化层膜容易形成，但速度不容易控制；长时间高温热氧化会造成对硅材料的体寿命损伤，尤其对多晶硅材料特别明显；另外，许多有害杂质也会在高温条件下扩散到硅片体内，从而影响整个电池的性能。
单层SiNx膜虽然能起到减反射的作用，但从减反射理论可以获知它只是针对某一波段下的光具有良好的减反射效果，要想达到宽光谱减反射效果，就必须采用多层膜结构。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术的问题，提供一种太阳能电池减反射膜的制备方法，其利用溶胶凝胶法制备含有二氧化硅的减反射膜液，然后喷涂在氮化硅膜层上形成双层减反射膜结构，在后续电极高温烧结过程中形成更加牢固可靠的膜层，从而使制备的双层减反射膜具有宽光谱减反射效果。该制备方法具有工艺简单、节约成本、生产效率高等特点，非常适合大面积生产。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种太阳能电池减反射膜的制备方法，其包含以下步骤：
1）镀第一层SiNx（氮化硅）膜：将切割好的硅片经清洗、制绒、扩散和去PSG后，采用PECVD法在硅片的正面和/或背面镀SiNx膜，反应气体氨气NH3和硅烷SiH4的流量比为3~7:1，沉积温度400~500℃，压力为600~1700Pa，射频功率1500~5000W；
2）在SiNx膜上利用丝网印刷工艺制作金属电极；然后在进入高温烧结区前的传输带上增设喷涂装置，准备镀第二层SiO2膜；
3）镀第二层SiO2（二氧化硅）膜：利用喷涂工艺将二氧化硅减反射膜液均匀喷涂于SiNx膜上，然后进入烧结形成SiNx/SiO2双层减反射膜结构，即得。
本发明中，所述二氧化硅减反射膜液为利用硅氧烷在酸性条件水解形成的硅溶胶制备而成，该方法形成的SiO2膜层结构致密、粘接性好。具体的，步骤3）中，所述二氧化硅减反射膜液的制备过程为：将硅氧烷、有机溶剂、去离子水和酸性催化剂混合后搅拌反应1~2小时（以水解），然后在室温下密封陈化12~24小时，制得二氧化硅减反射膜液；其中，硅氧烷、有机溶剂、酸性催化剂、去离子水的摩尔比为1：20~80：0.004~0.1：2.0~8.0。
进一步优选的，所述硅氧烷为正硅酸甲酯（TMOS）和/或正硅酸乙酯（TEOS）；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和2-丁醇中的一种或两种以上的混合物；所述酸性催化剂为盐酸、硝酸、硫酸和乙酸中的一种或两种以上的混合物。
进一步优选的，所述SiNx膜的厚度为50nm-90nm，折射率为1.9-2.2；所述SiO2膜的厚度为80nm-120nm，折射率为1.44-1.47。膜层厚度和折射率利用椭偏仪进行测量，它是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅耳公式得到光学参数和偏振态之间的关系来确定光学薄膜折射率和厚度，本发明使用的椭偏仪为J. A. Woollam公司的Alpha-SE型椭偏仪。
进一步优选的，烧结为于850℃~1000℃高温烧结区烧结25s~40s。
本发明提供了采用上述制备方法制备得到的太阳能电池减反射膜。
根据减反射理论，理想的膜层厚度为：薄膜的光学厚度为波长的十分之一的奇数倍，在制备本发明太阳能电池减反射膜时，喷涂工艺可以通过调整喷嘴距离硅片高度、喷嘴压力和硅片的传输速度等来获得理想的膜层厚度。具体的，喷嘴压力可以为0.3~0.6MPa，喷嘴距离硅片高度为200~500mm。
本发明制备的太阳能电池减反射膜不仅具有良好的减反射效果，同时具有良好的钝化效果、能有效阻止杂质和电极中的金属原子在后序工艺中渗入硅片，大大提升了电池效率。和现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明利用溶胶凝胶法制备含有二氧化硅的减反射膜液，然后喷涂在氮化硅膜层上形成SiNx/SiO2双层减反射膜结构，在后续电极高温烧结过程中形成更加牢固可靠的膜层。采用该双层减反射膜结构制备得到的太阳能电池由于减少了太阳光的反射损失，从而具有更高的转换效率；
2）本发明制备方法具有工艺简单、节约成本、生产效率高的特点，非常适合大面积生。
附图说明
图1为本发明所述太阳能电池减反射膜的结构示意图；
图2为本发明实施例1制备的SiNx/SiO2双层减反射膜和对比例1制备的单层氮化硅膜的反射率曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
下述制备过程中未详细提及的工序，均采用本领域常规方法即可，如清洗、制绒、扩散、去PSG等。
实施例1
一种太阳能电池减反射膜（其结构如图1所示）的制备方法，其包含以下步骤：
1）制备二氧化硅减反射膜液：将2mol正硅酸乙酯、80mol乙醇溶剂、0.06mol盐酸和10mol去离子混合搅拌1小时（混合时宜先将正硅酸乙酯和乙醇单独混合，盐酸和去离子水混合搅拌均匀后缓慢加入正硅酸乙酯和乙醇的混合溶液中），然后在室温下密封陈化24小时，制得二氧化硅减反射膜液；
2）镀第一层SiNx（氮化硅）膜：将切割好的硅片经本领域常规的清洗、制绒、扩散和去PSG后，采用PECVD法在硅片的正面和背面镀SiNx膜，镀膜过程中控制反应气体氨气NH3和硅烷SiH4的流量比为6:1，沉积温度500℃，压力为1500Pa，射频功率4000W；此时电池的少子寿命处于最高的范围，控制沉积时间使SiNx的膜层厚度约为80nm；
3）在SiNx膜上利用本领域常规丝网印刷工艺制作银金属电极；
4）镀第二层SiO2（二氧化硅）膜：利用本领域常规喷涂装置采用喷涂工艺将步骤1）所得二氧化硅减反射膜液均匀喷涂于硅片正面的SiNx膜上，喷嘴距硅片高度220mm，喷嘴压力0.4MPa，硅片的传输速度为2.0m/min，此时SiO2膜层的厚度约为110nm。然后进入1000℃的高温烧结区烧结30s形成SiNx/SiO2双层减反射膜结构，即得。高温烧结可以让SiO2变得更加牢固可靠。
对比例1
一种太阳能电池减反射膜的制备方法，其不同之处在于，只选用步骤1）镀第一层SiNx膜，而未镀第二层SiO2膜。
下表给出了实施例1所述SiNx/SiO2双层减反射膜和对比例1所述SiNx单层减反射膜对应的太阳能电池的模拟结果对比。由表中的数据可以看出：采用本发明SiNx/SiO2双层减反射膜电池的效率提升了0.52%，效果明显。
| 实例 | Isc（短路电流） | Voc（开路电压） | Pmax（最大功率） | η%（转换效率） |
| 对比例1 | 8.665 | 0.6342 | 4.548 | 19.23 |
| 实施例1 | 8.818 | 0.6342 | 4.672 | 19.75 |
图2给出了实施例1所述SiNx/SiO2双层减反射膜和对比例1所述SiNx单层减反射膜的反射率曲线。由图2可以看出：对比例1所述SiNx单层减反射膜的曲线谷底只有一个，而实施例1所述SiNx/SiO2双层减反射膜曲线有两个谷底，在300到1200nm的波长范围内反射率更低，从而具有更低的反射损失和更高的转换效率。
实施例2
一种太阳能电池减反射膜的制备方法（结构如图1所示），其包含以下步骤：
1）制备二氧化硅减反射膜液：将2mol正硅酸乙酯、80mol乙醇和异丙醇的混合溶剂（乙醇和异丙醇的质量比为7:3）、0.06mol硝酸和10mol去离子混合搅拌1小时，然后在室温下密封陈化24小时，制得二氧化硅减反射膜液；
2）镀第一层SiNx（氮化硅）膜：将切割好的硅片经本领域常规的清洗、制绒、扩散和去PSG（Phospho Silicate Glass）后，采用PECVD法在硅片的正面镀SiNx膜，镀膜过程中控制反应气体氨气NH3和硅烷SiH4的流量比为7:1，沉积温度400℃，压力为900Pa，射频功率2000W；此时电池的少子寿命处于最高的范围，控制沉积时间使SiNx的膜层厚度约为80nm；
3）在SiNx膜上利用本领域常规丝网印刷工艺制作银金属电极；
4）镀第二层SiO2（二氧化硅）膜：在进入高温烧结区前利用本领域常规喷涂装置采用喷涂工艺将步骤1）所得二氧化硅减反射膜液均匀喷涂于硅片正面的SiNx膜上，喷嘴距硅片高度220mm，喷嘴压力0.4MPa，硅片的传输速度为2.0m/min，此时SiO2膜层的厚度约为110nm。然后进入1000℃的高温烧结区烧结30s形成SiNx/SiO2双层减反射膜结构，即得。
本发明利用溶胶凝胶法制备含有二氧化硅的减反射膜液，然后喷涂在氮化硅膜层上形成SiNx/SiO2双层减反射膜结构。采用该双层减反射膜结构制备得到的太阳能电池由于减少了太阳光的反射损失，从而具有更高的转换效率。
Claims (6)
1.一种太阳能电池减反射膜的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
1）镀第一层SiNx膜：将切割好的硅片经清洗、制绒、扩散和去PSG后，采用PECVD法在硅片的正面和/或背面镀SiNx膜，反应气体NH3和SiH4的流量比为3~7:1；
2）在SiNx膜上利用丝网印刷工艺制作金属电极；
3）镀第二层SiO2膜：利用喷涂工艺将二氧化硅减反射膜液均匀喷涂于SiNx膜上，然后烧结即得。
2.根据权利要求1所述太阳能电池减反射膜的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述二氧化硅减反射膜液的制备过程为：将硅氧烷、有机溶剂、去离子水混合和酸性催化剂混合后搅拌反应1~2小时，然后在室温下密封陈化12~24小时，制得二氧化硅减反射膜液；其中，硅氧烷、有机溶剂、酸性催化剂、去离子水的摩尔比为1：20~80：0.004~0.1：2.0~8.0。
3.根据权利要求2所述太阳能电池减反射膜的制备方法，其特征在于，所述硅氧烷为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和2-丁醇中的一种或两种以上的混合物；所述酸性催化剂为盐酸、硝酸、硫酸和乙酸中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述太阳能电池减反射膜的制备方法，其特征在于，所述SiNx膜的厚度为50nm-90nm；所述SiO2膜的厚度为80nm-120nm。
5.根据权利要求1所述太阳能电池减反射膜的制备方法，其特征在于，烧结为于850℃~1000℃高温烧结区烧结25s~40s。
6.采用权利要求1至5任一所述制备方法制备得到的太阳能电池减反射膜。
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