CN112713216B - 一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法，第一方案为：(1)采用等离子体化学气相沉积法在衬底背表面沉积形成氮氧化硅薄膜；(2)再采用等离子体化学气相沉积法在所述氮氧化硅薄膜的表面沉积形成氮化硅薄膜；最后在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与氮化硅薄膜的层叠减反射膜。第二方案为：(1)采用等离子体化学气相沉积法在衬底背表面沉积形成氮氧化硅薄膜；(2)再采用等离子体化学气相沉积法在所述氮氧化硅薄膜的表面依次沉积形成折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜；最后在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜的层叠减反射膜。本发明的层叠减反射膜能够降低背面电学复合，提高太阳能电池效率。
Description
技术领域
本发明涉及衬底的镀膜技术领域，具体涉及一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法。
背景技术
太阳能的光电利用即光生伏特效率是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，为此，人脉研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池的材料按照元素构成可以分为元素半导体材料，如硅等，和化合物半导体材料，如砷化镓、锑化镉等。其中硅材料因其自身禁带宽度适中、光电转换效率较好，对环境不造成污染、性能稳定、便于工业化生产、资源丰富等优点而成为最理想的太阳能电池材料。硅基太阳能电池又可以分为晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。其中晶硅太阳能电池是目前转换效率较高、技术最为成熟、应用最为广泛的硅基太阳能电池材料。
晶硅太阳能电池的高转换效率是基于高质量衬底硅材料基础上得到的，这也造成了制造成本高的问题。为了降低成本，降低电池片的厚度成为了晶硅太阳能电池发展的一个重要趋势。这就为晶硅材料表面钝化技术提出了挑战。因此为了保证晶硅太阳能电池在薄片化的过程中仍保持较高的光电转化效率，其表面的钝化是必不可少的。
采用等离子体化学气相沉积(PECVD)法制备氮化硅(SiNx)薄膜是晶体硅太阳能电池常用的减反射钝化膜。因为氮化硅薄膜具有较好的光学性能。除此之外，在制备氮化硅的过程中，会在氮化硅中形成固定电荷和游离的氢原子。固定电荷会在硅片表面形成电场从而达到降低表面载流子复合的作用；而游离的氢原子会扩散到硅片表面钝化该处硅的悬挂键，进而降低电池表面的表面态密度，同样起到降低表面载流子复合的作用。但是正是由于氮化硅内部含有大量固定电荷，尤其是固定正电荷，在电池的背钝化过程中，会在表面形成反型层，导致太阳能电池钝化质量不佳。
发明内容
为了解决氮化硅薄膜对太阳能电池钝化质量不佳的技术问题，而提供一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法。本发明的层叠减反射膜能够降低背面电学复合，增加背部光学反射，进而进一步提高太阳能电池效率。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明的第一个方案是：一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用等离子体化学气相沉积法在衬底背表面沉积形成氮氧化硅薄膜；
(2)再采用等离子体化学气相沉积法在所述氮氧化硅薄膜的表面沉积形成氮化硅薄膜；
最后在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与氮化硅薄膜的层叠减反射膜。
进一步地，步骤(1)中所述氮氧化硅薄膜的折射率为2.10-2.15、膜厚为3nm-10nm。
再进一步地，所述氮氧化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1800sccm、NH3的流量为4500sccm、NH3的流量为600sccm来实现SiH4、NH3与NH3的体积比3:7.5:1；所述膜厚通过控制沉积时间为120s来获得。
进一步地，步骤(2)中所述氮化硅薄膜的折射率为2.05-2.08、膜厚为50-55nm。
再进一步地，所述氮化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1100sccm、NH3流量为4880sccm来实现SiH4与NH3的体积比2.2:9.8，所述膜厚通过控制沉积时间为410s来获得。
本发明的第二个方案是：一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用等离子体化学气相沉积法在衬底背表面沉积形成氮氧化硅薄膜；
(2)再采用等离子体化学气相沉积法在所述氮氧化硅薄膜的表面依次沉积形成折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜；
最后在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜的层叠减反射膜。
进一步地，步骤(1)中所述氮氧化硅薄膜的折射率为2.25-2.30、膜厚为20-30nm。
再进一步地，所述氮氧化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1800sccm、NH3的流量为4500sccm、N2O的流量为600sccm来实现SiH4、NH3与N2O体积比3:7.5:1；所述膜厚通过控制沉积时间为120s来获得。
进一步地，步骤(2)中所述折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜中，沉积在所述氮氧化硅薄膜表面的是第一层氮化硅薄膜，其折射率为2.15-2.20，膜厚为30-50nm；沉积在所述第一层氮化硅薄膜表面的是第二层氮化硅薄膜，其折射率为2.10-2.15，膜厚为50-70nm；沉积在所述第二层氮化硅薄膜表面的是第三层氮化硅薄膜，其折射率为2.08-2.10、膜厚为80-90nm。
再进一步地，折射率梯度下降通过调整等离子体化学气相沉积法中所用反应气氨气流量与硅烷流量进行控制实现折射率梯度下降：形成所述第一层氮化硅薄膜的NH3流量为4500sccm、SiH4流量为1100sccm，所述膜厚通过控制沉积时间为420s来获得；形成所述第二层氮化硅薄膜的所述NH3流量为6000sccm、SiH4流量为850sccm，所述膜厚通过控制沉积时间为240s来获得；形成所述第三层氮化硅薄膜的NH3流量为7000sccm、SiH4流量为660sccm，所述膜厚通过控制沉积时间为120s来获得。
有益技术效果：
本发明通过等离子体化学气相沉积法在衬底背表面沉积得到氮氧化硅薄膜与氮化硅薄膜的双层层叠减反射膜，以及氮氧化硅薄膜与氮化硅薄膜的四层层叠减反射膜；本发明的多层层叠减反射膜的禁带宽度增加，能够进一步提升长波段的二次吸收，并具有更低的吸光系数，能够降低背面电学复合，增加内部光学反射，进一步提高少子寿命和太阳能电池效率，优化钝化质量；本发明的多层层叠减反射膜还改善了硅片衬底不同膜层界面的应力分布，提高了整体膜的抗损伤能力，从而提高钝化效果；另外，本发明的层叠薄膜具有较好的均匀性。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定氮化硅膜层，仅仅是为了便于对各层氮化硅膜的次序的区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。
实施例1
一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法，本实施例的层叠减反射膜的结构是在衬底背表面依次采用等离子体化学气相沉积法沉积氮氧化硅薄膜层和氮化硅薄膜层，为双层层叠减反射膜的结构，整体膜层的综合折射率为2.10、整体膜层的综合膜厚为160nm。
本实施例的氮氧化硅薄膜和氮化硅薄膜双层层叠减反射膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过PECVD管式等离子体沉淀炉采用等离子体化学气相沉积法在硅片背表面沉积形成一层氮氧化硅薄膜，该氮氧化硅薄膜的折射率为2.10-2.15、膜厚为3nm-10nm；
所述氮氧化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1800sccm、NH3的流量为4500sccm、N2O的流量为600sccm来实现SiH4、NH3与N2O体积比3:7.5:1，获得该膜厚的沉积时间为120s；
(2)再所述氮氧化硅薄膜的表面采用等离子体化学气相沉积法沉积形成一层氮化硅薄膜，该氮化硅薄膜的折射率为2.05-2.08、膜厚为50-55nm；
所述氮化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1100sccm、NH3的流量为4880sccm来实现SiH4与NH3体积比2.2:9.8，获得该膜厚的沉积时间为410s；
最后在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与氮化硅薄膜的双层层叠减反射膜。
实施例2
一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法，本实施例的层叠减反射膜的结构是在衬底背表面依次采用等离子体化学气相沉积法沉积氮氧化硅薄膜层和三层氮化硅薄膜，为四层层叠减反射膜的结构，整体膜层的综合折射率为2.08-2.10、整体膜层的综合膜厚为180nm-210nm。
本实施例的四层层叠减反射膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过PECVD管式等离子体沉淀炉采用等离子体化学气相沉积法在硅片背表面沉积形成一层氮氧化硅薄膜，该氮氧化硅薄膜的折射率为2.25-2.30、膜厚为20nm-30nm；
所述氮氧化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1800sccm、NH3的流量为4500sccm、N2O的流量为600sccm来实现SiH4、NH3与N2O体积比3:7.5:1，获得该膜厚的沉积时间为120s；
(2)再采用等离子体化学气相沉积法在所述氮氧化硅薄膜的表面依次沉积形成折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜，沉积在所述氮氧化硅薄膜表面的是第一层氮化硅薄膜，其折射率为2.15-2.20，膜厚为30nm-50nm；沉积在所述第一层氮化硅薄膜表面的是第二层氮化硅薄膜，其折射率为2.10-2.15，膜厚为50nm-70nm；沉积在所述第二层氮化硅薄膜表面的是第三层氮化硅薄膜，其折射率为2.08-2.10、膜厚为80nm-90nm；
所述折射率梯度下降通过调整等离子体化学气相沉积法中所用反应气氨气流量与硅烷流量进行控制实现折射率梯度下降：形成所述第一层氮化硅薄膜的NH3流量为4500sccm、SiH4流量为1100sccm，获得该膜厚的沉积时间为420s；第二层氮化硅薄膜的所述NH3流量为6000sccm、SiH4流量为850sccm，获得该膜厚的沉积时间为240s；获得第三层氮化硅薄膜的NH3流量为7000sccm、SiH4流量为660sccm，获得该膜厚的沉积时间为120s；
最后在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜的四层层叠减反射膜。
对比例
本对比例为单晶硅，未镀膜。
实施例3
对以上实施例和对比例在单晶硅上制得的层叠减反射膜进行少子寿命测试，少子寿命测试中的光照射波长为1064nm，结果见表1。
表1实施例和对比例的层叠减反射膜的少子寿命
由表1可知，实施例1的氮氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的双层层叠减反射膜的少子寿命较对比例平均提高约60μs；实施例2的四层层叠减反射膜的少子寿命较对比例平均提高约50μs。
对以上实施例和对比例在晶硅电池上制得的层叠减反射膜制备出太阳能电池后进行测试电性能和效率，结果见表2。
表2对比例和实施例的层叠减反射膜制得的太阳能电池的电性能和效率
| Eta(％) | Uoc(V) | Isc(A) | FF(％) | Rs(Ω) | Rsh(Ω) | |
| 对比例 | 20.768 | 0.6501 | 9.664 | 81.22 | 0.0022 | 788.54 |
| 实施例1 | 22.709 | 0.6669 | 10.35 | 80.84 | 0.0023 | 692.57 |
| 差值 | 1.941 | 0.0168 | 0.686 | -0.38 | 0.0001 | -95.97 |
| 实施例2 | 22.251 | 0.6685 | 10.17 | 80.42 | 0.0009 | 27.51 |
| 差值 | 1.483 | 0.0184 | 0.506 | -0.80 | -0.0013 | -761.03 |
注：表中Eta表示转化效率，Uoc表示开路电压，Isc短路电流，FF填充因子，Rs串联电阻，Rsh并联电阻。
由表2可知，实施例1具有氮氧化硅薄膜与氮化硅薄膜的层叠减反射膜的单晶太阳能电池较对比例的转换效率提高了1.941％，电性能得到了优化。实施例2具有氮氧化硅薄膜与折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜的层叠减反射膜的单晶太阳能电池较对比例的转换效率提高了1.483％，电性能得到了优化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种太阳能电池的层叠减反射膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用等离子体化学气相沉积法在衬底背表面沉积形成氮氧化硅薄膜；
(2)再采用等离子体化学气相沉积法在所述氮氧化硅薄膜的表面依次沉积形成折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜；从而在所述衬底背表面依次得到氮氧化硅薄膜与折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜的层叠减反射膜；
其中，步骤(1)中所述氮氧化硅薄膜的折射率为2.25-2.30、膜厚为20-30nm，所述氮氧化硅薄膜的折射率通过控制等离子体化学气相沉积法中所用反应气SiH4的流量为1800sccm、NH3的流量为4500sccm、N2O的流量为600sccm来实现SiH4、NH3与N2O体积比3:7.5:1；所述膜厚通过控制沉积时间为120s来获得；
其中，步骤(2)中所述折射率梯度下降的三层氮化硅薄膜中，沉积在所述氮氧化硅薄膜表面的是第一层氮化硅薄膜，其折射率为2.15-2.20，膜厚为30-50nm；沉积在所述第一层氮化硅薄膜表面的是第二层氮化硅薄膜，其折射率为2.10-2.15，膜厚为50-70nm；沉积在所述第二层氮化硅薄膜表面的是第三层氮化硅薄膜，其折射率为2.08-2.10、膜厚为80-90nm；形成所述第一层氮化硅薄膜的NH3流量为4500sccm、SiH4流量为1100sccm，所述膜厚通过控制沉积时间为420s来获得；形成所述第二层氮化硅薄膜的所述NH3流量为6000sccm、SiH4流量为850sccm，所述膜厚通过控制沉积时间为240s来获得；形成所述第三层氮化硅薄膜的NH3流量为7000sccm、SiH4流量为660sccm，所述膜厚通过控制沉积时间为120s来获得；通过多层层叠减反射膜的禁带宽度增加，能够进一步提升长波段的二次吸收，并具有更低的吸光系数，能够降低背面电学复合，增加内部光学反射，进一步提高少子寿命和太阳能电池效率，优化钝化质量，同时，多层层叠减反射膜还改善了硅片衬底不同膜层界面的应力分布，提高了整体膜的抗损伤能力，从而提高钝化效果。
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