CN115132854B - 一种perc晶体硅太阳能电池片的减反射膜、制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PERC晶体硅太阳能电池片的减反射膜及其制备方法和用途。所述减反射膜包括依次设置在所述晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层、低折射率超薄氮化硅覆盖层和正面氮化硅钝化膜层，所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率为2.02‑2.06，厚度为0.5‑6nm，所述正面氮化硅钝化膜层的折射率不小于所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率。通过在PERC晶体硅太阳能电池片的减反射膜中，在晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层和正面多层氮化硅钝化膜层之间设置低折射率超薄氮化硅覆盖层，可以使得含有该减反射膜的PERC晶体硅太阳能电池片的转换效率得以提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种PERC晶体硅太阳能电池片的减反射膜及其制备方法和用途。
背景技术
近年来，PERC太阳能电池片(Passivated Emitter and Rear cell，钝化发射器和后部接触的太阳能电池)因为具有更高的光电转换效率得到了光伏厂商的大力推广。PERC电池片主要通过在电池片正反面制备薄膜钝化层来降低复合，而提高转换效率。在生产成本可控的前提下，电池片越高的转换效率代表着越高的利益回报。
已知，中国专利申请CN201610984015.5公开了一种太阳能电池减反射膜，该膜具有四层结构：第一层为氧化硅层；第二、第三、第四层为硅的氮化物层；第二、第三、第四层的折射率递减；第一、第二、第三、第四层的厚度递增。该膜通过改善入射光的大角度折射来提高电池片的减反射效果，但减反射膜的减反射效果仍有待提高。
中国专利申请CN201910668905.9公开了一种高光电转换效率的多晶硅太阳能电池片，该电池片的正面三层减反射膜均为氮化硅膜，第一层氮化硅膜折射率为2.5-3，厚度为20-25nm；第二层氮化硅膜折射率为1.7-2.1，厚度为50-55nm；第三层氮化硅膜折射率为2.1-2.6，厚度为25-40nm。该太阳能电池片采用的硅片为多晶硅，且太阳能电池片的钝化效果仍有优化改进的空间。
中国专利申请CN201110027415.4公开了一种单晶硅太阳能电池前表面用叠层复合钝化膜，该叠层复合钝化膜从内至外依次为氧化硅薄膜，厚度为40-50nm，氢化非晶硅薄膜，厚度为15-20nm，和氮化硅薄膜，厚度为60-70nm。该膜通过氢化非晶硅薄膜填补电池片表面的悬挂键实现钝化效果，但该专利没有公开各钝化膜层的折射率对钝化效果的影响，钝化膜的钝化效果仍有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的缺点和不足，提供一种改进的PERC晶体硅太阳能电池片的减反射膜，该减反射膜可以提高太阳能电池片的钝化效果，明显提高PERC晶体硅太阳能电池片的转换效率。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：
一种减反射膜，其用于PERC晶体硅太阳能电池片，所述PERC晶体硅太阳能电池片含有晶体硅基体，所述减反射膜包括依次设置在所述晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层、低折射率超薄氮化硅覆盖层和正面氮化硅钝化膜层，所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率为2.02-2.06，厚度为0.5-6nm，所述正面氮化硅钝化膜层的折射率不小于所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率。
本发明中的折射率是指波长为600nm下的折射率。
进一步地，所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率为2.03-2.04，厚度为2-4nm。
优选地，所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率为2.04，厚度为3nm。
进一步地，所述氧化硅薄膜层的折射率为1.46-1.50，厚度为1-7nm。
优选地，所述氧化硅薄膜层的折射率为1.48，厚度为4nm。
进一步地，所述晶体硅基体为单晶硅片。
进一步地，所述正面氮化硅钝化膜层包括从内至外依次设置的折射率依次减小的正面第一层氮化硅钝化膜层、正面第二层氮化硅钝化膜层和正面第三层氮化硅钝化膜层。
进一步地，所述正面第一层氮化硅钝化膜层的折射率为2.26-2.30，所述正面第二层氮化硅钝化膜层的折射率为2.07-2.10，所述正面第三层氮化硅钝化膜层的折射率为2.03-2.06。
优选地，所述正面第一层氮化硅钝化膜层的折射率为2.28，所述正面第二层氮化硅钝化膜层的折射率为2.07，所述正面第三层氮化硅钝化膜层的折射率为2.04。
进一步地，所述正面第一层氮化硅钝化膜层的厚度为18-24nm，所述正面第二层氮化硅钝化膜层的厚度为42-48nm，所述正面第三层氮化硅钝化膜层的厚度为13-19nm。
优选地，所述正面第一层氮化硅钝化膜层的厚度为21nm，所述正面第二层氮化硅钝化膜层的厚度为45nm，所述正面第三层氮化硅钝化膜层的厚度为16nm。
进一步地，所述减反射膜还包括依次设置在所述晶体硅基体背面上的氧化铝薄膜层和背面氮化硅钝化膜层。
进一步地，所述氧化铝薄膜层的厚度为11-15nm，折射率为1.55-1.59。
优选地，所述氧化铝薄膜层的厚度为12nm，折射率为1.57。
进一步地，所述背面氮化硅钝化膜层包括从内至外依次设置的背面第一层氮化硅钝化膜层和背面第二层氮化硅钝化膜层，所述背面第一层氮化硅钝化膜层的厚度为15-21nm，折射率为2.29-2.33，所述背面第二层氮化硅钝化膜层的厚度为67-73nm，折射率为1.97-2.02。
优选地，所述背面氮化硅钝化膜层包括从内至外依次设置的背面第一层氮化硅钝化膜层和背面第二层氮化硅钝化膜层，所述背面第一层氮化硅钝化膜层的厚度为18nm，折射率为2.31，所述背面第二层氮化硅钝化膜层的厚度为70nm，折射率为1.99。
本发明人通过研究发现，通过在PERC晶体硅太阳能电池片的减反射膜中，在晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层和正面多层氮化硅钝化膜层之间设置低折射率超薄氮化硅覆盖层，该层中的低折射率的氮化硅的消光系数低，有助于在晶体硅基体(硅片)表面(近硅片处)形成折射率渐变的介质膜结构，进而可以实现减反射膜更好的减反射效果，含有该减反射膜的PERC晶体硅太阳能电池片的转换效率得以提升。
本发明还进一步提供一种可用于制备上述减反射膜的方法，包括以下步骤：
1)对所述晶体硅基体进行预处理；
2)通过干氧工艺在所述晶体硅基体的正面生长氧化硅薄膜层；
3)采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述晶体硅基体的背面依次沉积氧化铝薄膜层和背面氮化硅钝化膜层；
4)采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述晶体硅基体的正面依次沉积低折射率超薄氮化硅覆盖层和正面氮化硅钝化膜层。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
1)对所述晶体硅基体进行制绒、扩散制结和去磷硅玻璃处理；
2)在热氧化设备中通过干氧工艺在所述晶体硅基体的正面生长氧化硅薄膜层；
3)以三甲基铝和二氧化氮为原料，采用等离子体增强化学气相沉积在所述晶体硅基体的背面沉积氧化铝薄膜层；以氨气和硅烷为原料，采用等离子体增强化学气相沉积在所述晶体硅基体的背面依次沉积背面第一层氮化硅钝化膜层和背面第二层氮化硅钝化膜层；
4)以氨气和硅烷为原料，采用等离子体增强化学气相沉积依次在所述晶体硅基体的正面沉积所述低折射率超薄氮化硅覆盖层、正面第一层氮化硅钝化膜层、正面第二层氮化硅钝化膜层和正面第三层氮化硅钝化膜层。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
(1)检测、清洗：对晶体硅基体进行检测和清洗；
(2)制绒：在批处理制绒设备中通过标准的湿化学碱制绒工艺在晶体硅基体表面上形成金字塔结构。
(3)扩散制结：将晶体硅基体在三氯氧磷(POCl3)为掺杂源的管式扩散炉中进行扩散制结。
(4)去磷硅玻璃处理：将晶体硅基体在湿化学在线型设备中蚀刻边缘和背面的发射极完成去除磷硅玻璃处理。
(5)刻蚀、氧化制备正面SiO2层：将晶体硅基体在热氧化设备中通过干氧工艺生长SiO2薄膜层。
(6)制备背面Al2O3/氮化硅复合钝化层：
(a1)首先在背面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备Al2O3层，制备条件为：三甲基铝流量为1.5-1.7mg/min，二氧化氮(NO2)流量为5.5-6slm(每分钟标准升)，沉积气压为550-650mTorr，沉积功率为3.8-4.2kW，沉积时间为60-70秒。
(b1)接着通过PECVD方法制备背面第一层氮化硅钝化膜，制备条件为：氨气(NH3)流量为10.5-11.5slm，硅烷(SiH4)流量为1800-2200sccm(每分钟标准毫升)，沉积气压为为1750-1850mTorr，沉积功率为9.5-10.5kW，沉积时间为50-60秒。
(c1)在步骤(b1)所得背面第一层氮化硅钝化膜的表面沉积背面第二层氮化硅钝化膜，制备条件为：氨气(NH3)流量为11.5-12.5slm，硅烷(SiH4)流量为1250-1350sccm(每分钟标准毫升)，沉积气压为1750-1850mTorr，沉积功率为9.5-10.5kW，沉积时间为280-320秒。
(7)制备正面带有低折射率超薄覆盖层的氮化硅复合钝化层：
(a2)在完成步骤(c1)的晶体硅基体的正面制备低折射率超薄氮化硅覆盖层，制备条件为：NH3流量为4.40-4.80slm，SiH4流量为500-540sccm，沉积气压为1550-1650mTorr，沉积功率为7.5-8.5kW，沉积时间为30-45秒。
(b2)在完成步骤(a2)低折射率超薄氮化硅覆盖层上沉积正面第一层氮化硅钝化膜，制备条件为：NH3流量为4.5-5slm，SiH4流量为900-1000sccm，沉积气压为1550-1650mTorr，沉积功率为7.5-8.5kW，沉积时间为100-120秒。
(c2)在完成步骤(b2)正面第一层氮化硅钝化膜上沉积正面第二层氮化硅钝化膜，制备条件为：NH3流量为4.25-4.70slm，SiH4流量为600-640sccm，沉积气压为1550-1650mTorr，沉积功率为7.5-8.5kW，沉积时间为280-320秒。
(d2)在完成步骤(c2)正面第二层氮化硅钝化膜上沉积正面第三层氮化硅钝化膜，制备条件为：NH3流量为4.4-4.80slm，SiH4流量为500-550sccm，沉积气压为1550-1650mTorr，沉积功率为7.5-8.5kW，沉积时间为160-180秒。
(e2)在完成步骤(d2)后进行退火处理，退火在氮气气氛下进行，退火温度700-750℃，退火时间60-70秒。
本发明还进一步提供一种PERC晶体硅太阳能电池片，其包括前述减反射膜。该PERC晶体硅太阳能电池片具有明显改进的转换效率。
本发明还进一步提供前述PERC晶体硅太阳能电池片的制备方法，所述方法包括以下步骤：在所述减反射膜的背面进行激光开孔，使用丝网印刷法分别在所述减反射膜的正面和背面印刷银和铝栅线，烧结所述减反射膜形成金属电极。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过在减反射膜中，在晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层和正面多层氮化硅钝化膜层之间设置低折射率超薄氮化硅覆盖层，可以使得减反射膜的减反射效果明显提升，将其用于PERC晶体硅太阳能电池片时，得到的太阳能电池片的转换效率可以提到明显提升。
附图说明
图1为实施例1中减反射膜的结构示意图，其中1为单晶硅片，2为氧化硅薄膜层，3为低折射率超薄氮化硅覆盖层，4为正面第一层氮化硅钝化膜层，5为正面第二层氮化硅钝化膜层，6为正面第三层氮化硅钝化膜层，7为氧化铝薄膜层，8为背面第一层氮化硅钝化膜层，9为背面第二层氮化硅钝化膜层。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便本领域技术人员更好理解和实施本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种减反射膜，其制备方法如下：
(1)检测、清洗：对单晶硅片进行检测和清洗；
(2)制绒：在批处理制绒设备中通过标准的湿化学碱制绒工艺在单晶硅片表面上形成金字塔结构。
(3)扩散制结：将单晶硅片在三氯氧磷(POCl3)为掺杂源的管式扩散炉中进行扩散制结。
(4)去磷硅玻璃处理：将单晶硅片在湿化学在线型设备中蚀刻边缘和背面的发射极完成去除磷硅玻璃处理。
(5)刻蚀、氧化制备正面SiO2层：将单晶硅片在热氧化设备中通过干氧工艺生长SiO2薄膜层。
(6)制备背面Al2O3/氮化硅复合钝化层：
(a1)首先在背面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备Al2O3层，制备条件为：三甲基铝流量为1.7mg/min，二氧化氮(NO2)流量为5.5slm(每分钟标准升)，沉积气压为600mTorr，沉积功率为4kW，沉积时间为60秒。
(b1)接着通过PECVD方法制备背面第一层氮化硅钝化膜，制备条件为：氨气(NH3)流量为11slm，硅烷(SiH4)流量为2000sccm(每分钟标准毫升)，沉积气压为为1800mTorr，沉积功率为10kW，沉积时间为50秒。
(c1)在步骤(b1)所得背面第一层氮化硅钝化膜的表面沉积背面第二层氮化硅钝化膜，制备条件为：氨气(NH3)流量为12slm，硅烷(SiH4)流量为1300sccm(每分钟标准毫升)，沉积气压为1800mTorr，沉积功率为10kW，沉积时间为300秒。
(7)制备正面带有低折射率超薄覆盖层的氮化硅复合钝化层：
(a2)在完成步骤(c1)的单晶硅片的正面制备低折射率超薄氮化硅覆盖层，制备条件为：NH3流量为4.60slm，SiH4流量为520sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为30秒。
(b2)在完成步骤(a2)低折射率超薄氮化硅覆盖层上沉积正面第一层氮化硅钝化膜，制备条件为：NH3流量为4.75slm，SiH4流量为950sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为100秒。
(c2)在完成步骤(b2)正面第一层氮化硅钝化膜上沉积正面第二层氮化硅钝化膜，制备条件为：NH3流量为4.50slm，SiH4流量为620sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为280秒。
(d2)在完成步骤(c2)正面第二层氮化硅钝化膜上沉积正面第三层氮化硅钝化膜，制备条件为：NH3流量为4.60slm，SiH4流量为520sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为160秒。
(e2)在完成步骤(d2)后进行退火处理，退火在氮气气氛下进行，退火温度700℃，退火时间60秒。
得到的减反射膜的结构如图1所示，减反射膜包括单晶硅片1，单晶硅片1正面上依次为氧化硅薄膜层2，低折射率超薄氮化硅覆盖层3，正面第一层氮化硅钝化膜层4，正面第二层氮化硅钝化膜层5和正面第三层氮化硅钝化膜层6，单晶硅片1背面上依次为氧化铝薄膜层7，背面第一层氮化硅钝化膜层8和背面第二层氮化硅钝化膜层9。
实施例2
本实施例提供一种减反射膜，其制备方法基本同实施例1，区别仅在于：步骤(a2)中的制备条件为：NH3流量为4.50slm，SiH4流量为530sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为30秒。
实施例3
本实施例提供一种减反射膜，其制备方法基本同实施例1，区别仅在于：步骤(a2)中的制备条件为：NH3流量为4.60slm，SiH4流量为510sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为45秒。
实施例4
本实施例提供一种减反射膜，其制备方法基本同实施例1，区别仅在于：步骤(a2)中的制备条件为：NH3流量为4.50slm，SiH4流量为540sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为30秒。
实施例5
本实施例提供一种减反射膜，其制备方法基本同实施例1，区别仅在于：步骤(a2)中的制备条件为：NH3流量为4.50slm，SiH4流量为540sccm，沉积气压为1600mTorr，沉积功率为8kW，沉积时间为5秒。
对比例1
本对比例提供一种减反射膜，其制备方法基本同实施例1，区别仅在于：不进行步骤(a2)，即不制备低折射率超薄氮化硅覆盖层。
对比例2
本对比例提供一种减反射膜，其制备方法基本同实施例1，区别仅在于：步骤(a2)中沉积时间为95秒。
测试实施例1-5、对比例1-2的减反射膜的各层在600nm的波长下的折射率和厚度，结果为氧化硅薄膜层2的折射率为1.48，厚度为4nm；低折射率超薄氮化硅覆盖层3的折射率和厚度参见下表1；正面第一层氮化硅钝化膜层4的折射率为2.28，厚度为21nm；正面第二层氮化硅钝化膜层5的折射率为2.07，厚度为45nm；正面第三层氮化硅钝化膜层6的折射率为2.04，厚度为16nm；氧化铝薄膜层7的厚度为12nm，折射率为1.57；背面第一层氮化硅钝化膜层8的折射率为2.31，厚度为18nm；背面第二层氮化硅钝化膜层9的折射率为1.99，厚度为70nm。
将实施例1-5、对比例1-2的减反射膜按照以下步骤制备PERC晶体硅太阳能电池片：
1)背面激光开孔：用激光开槽设备去除背面局部的氧化铝薄膜层、背面第一层氮化硅钝化膜层和背面第二层氮化硅钝化膜层，形成用于太阳电池背面局部金属接触的开口；
2)金属化：使用丝网印刷设备分别在太阳电池正面和背面印刷主栅结构的银和铝栅线，并在快速烧结炉设备中完成电极金属化，得到PERC晶体硅太阳能电池片。
按照德国tuv认证要求，采用电压-电流曲线测试方法，分别对得到的各PERC晶体硅太阳能电池片的电性能进行测试，结果如下表1。
表1各实施例、对比例减反射膜的参数及PERC晶体硅太阳能电池片电性能
由表1对比可知，本发明通过在晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层和正面多层氮化硅钝化膜层之间设置低折射率超薄氮化硅覆盖层，并控制该层的折射率和厚度，可以使得制备得到的PERC晶体硅太阳能电池片在保证开路电压和短路电路的前提下，转化效率明显提高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
Claims (8)
1.一种减反射膜，其用于PERC晶体硅太阳能电池片，所述PERC晶体硅太阳能电池片含有晶体硅基体，其特征在于：所述减反射膜包括依次设置在所述晶体硅基体正面上的氧化硅薄膜层、低折射率超薄氮化硅覆盖层和正面氮化硅钝化膜层，所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率为2.02-2.06，厚度为0.5-6nm，所述正面氮化硅钝化膜层的折射率不小于所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率；
所述正面氮化硅钝化膜层包括从内至外依次设置的折射率依次减小的正面第一层氮化硅钝化膜层、正面第二层氮化硅钝化膜层和正面第三层氮化硅钝化膜层；所述正面第一层氮化硅钝化膜层的折射率为2.26-2.30，所述正面第二层氮化硅钝化膜层的折射率为2.07-2.10，所述正面第三层氮化硅钝化膜层的折射率为2.03-2.06；
所述正面第一层氮化硅钝化膜层的厚度为18-24nm，所述正面第二层氮化硅钝化膜层的厚度为42-48nm，所述正面第三层氮化硅钝化膜层的厚度为13-19nm；
所述减反射膜还包括依次设置在所述晶体硅基体背面上的氧化铝薄膜层和背面氮化硅钝化膜层；
所述氧化铝薄膜层的厚度为11-15nm，折射率为1.55-1.59；
所述背面氮化硅钝化膜层包括从内至外依次设置的背面第一层氮化硅钝化膜层和背面第二层氮化硅钝化膜层，所述背面第一层氮化硅钝化膜层的厚度为15-21nm，折射率为2.29-2.33，所述背面第二层氮化硅钝化膜层的厚度为67-73nm，折射率为1.97-2.02。
2.根据权利要求1所述的减反射膜，其特征在于：所述低折射率超薄氮化硅覆盖层的折射率为2.03-2.04，厚度为2-4nm。
3.根据权利要求1所述的减反射膜，其特征在于：所述氧化硅薄膜层的折射率为1.46-1.50，厚度为1-7nm。
4.根据权利要求1所述的减反射膜，其特征在于：所述晶体硅基体为单晶硅片。
5.一种制备权利要求1-4任一项所述减反射膜的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)对所述晶体硅基体进行预处理；
2)通过干氧工艺在所述晶体硅基体的正面生长氧化硅薄膜层；
3)采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述晶体硅基体的背面依次沉积氧化铝薄膜层和背面氮化硅钝化膜层；
4)采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述晶体硅基体的正面依次沉积低折射率超薄氮化硅覆盖层和正面氮化硅钝化膜层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)对所述晶体硅基体进行制绒、扩散制结和去磷硅玻璃处理；
2)在热氧化设备中通过干氧工艺在所述晶体硅基体的正面生长氧化硅薄膜层；
3)以三甲基铝和二氧化氮为原料，采用等离子体增强化学气相沉积在所述晶体硅基体的背面沉积氧化铝薄膜层；以氨气和硅烷为原料，采用等离子体增强化学气相沉积在所述晶体硅基体的背面依次沉积背面第一层氮化硅钝化膜层和背面第二层氮化硅钝化膜层；
4)以氨气和硅烷为原料，采用等离子体增强化学气相沉积依次在所述晶体硅基体的正面沉积所述低折射率超薄氮化硅覆盖层、正面第一层氮化硅钝化膜层、正面第二层氮化硅钝化膜层和正面第三层氮化硅钝化膜层。
7.一种PERC晶体硅太阳能电池片，其特征在于：所述PERC晶体硅太阳能电池片包括权利要求1-4任一项所述的减反射膜。
8.一种制备权利要求7所述的PERC晶体硅太阳能电池片的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：在所述减反射膜的背面进行激光开孔，使用丝网印刷法分别在所述减反射膜的正面和背面印刷银和铝栅线，烧结所述减反射膜形成金属电极片。
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