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光伏电池及组件的减反膜综合优化
晶体硅光伏电池和组件的减反膜综合优化
上海君威新能源装备有限公司
夏世伟
2011-5-2
摘要:本文通过理论分析和实验验证,详细分析了太阳能电池和光伏组件的减反膜系统,建立了减反膜系统的综合评价体系,同时提出了减反膜系统的优化设计方法,初步探讨了优化减反膜系统的产业化实现方法。
关键词:太阳能电池 光伏组件 减反膜 多层减反膜 镀膜工艺 M-SioNAR
前言
在地面用太阳能电池及其组件的制备工艺中,减反膜对于太阳能电池的光电转换效率起着非常重要的作用。理论和实践证实,适当的减反膜系统,能够使太阳能电池及其组件的效率提高3~5%。在当前应用于大规模晶硅电池的生产工艺中,减反效果通过两个工艺技术实现,分别为表面制绒技术和SiN减反膜技术。其中,制绒技术利用光线的多次折返原理,提高电池对光辐照的吸收,可以使电池表面的反射率降低约3%;而减反膜技术利用光学衍射原理,使电池的反射率进一步大幅降低约15%,这对太阳能电池转换效率的提高起着至关重要的作用。尽管目前的PECVD SiN薄膜工艺已经以成熟工艺的姿态,大规模应用于生产工艺中,减反膜的优化设计尚有可观的潜力可以挖掘。
晶硅电池及其组件结构简述
晶硅电池组件的基本结构
基于晶体硅电池(包括单晶硅电池和多晶硅电池)的光伏组件由背面玻璃或背膜、背面EVA、电池片、正面EVA、正面玻璃组成,如图1所示。
图1 晶体硅电池组件的基本结构
其中,背面玻璃或背膜及EVA仅作保护之用,正面EVA兼具减反作用,正面玻璃镀上减反膜以后,可以进一步降低组件的反射率。
而电池片中,绒面和减反膜对反射率的降低起到关键的作用。
电池片减反膜的常规制备工艺
常规晶体硅电池片制造工艺中,均采用SiN薄膜作为减反膜。鉴于SiN薄膜具有优越的光学特性和电学特性,与Si衬底的折射率相匹配,同时与Si器件的制造工艺兼容,易于实现大规模的产业化制备,已经成为晶体硅太阳能电池制造工艺的不二选择。
Si材料的折射率为3.3~6.0,SiN薄膜的折射率为1.95~2.2,二者具有很好的匹配性。控制合理的折射率和薄膜厚度,可以使反射率降低约15%。现有成熟工艺中,一般选用折射率为2.0,厚度为85nm。
目前,均使用PECVD工艺方法制备SiN薄膜。该工艺方法利用SiH4和NH3气体在真空环境下,经射频电磁场激发的等离子体氛围中进行化学气相反应,生成SiN固体沉积到电池片表面,形成SiN薄膜。PECVD工艺为一种低温工艺,SiN薄膜的沉积温度一般为250℃~400℃,与电池制造的其他工艺相兼容。通过调整沉积过程的气氛压力、衬底温度、气体流量及其比例、电磁场功率等多种工艺条件,可以调节SiN薄膜的组分比例、致密性、膜层应力和折射率等薄膜特性,从而获得最优的镀膜参数。
减反膜系统的评价方法
使用光学薄膜实现的减反效果,均有一个最佳光谱范围。对晶体硅太阳能电池而言,其光电响应的有效光谱范围为350nm~1100nm,其量子效应的峰值处于~900nm,如图2所示。
图2 单晶硅太阳能电池光谱响应曲线
而对于太阳光而言,地面辐射一般采用AM1.5G标准,其辐照度峰值位于500nm,如图3所示。
图3 AM1.5G太阳光光谱曲线
因而,对于太阳能电池减反系统的评价,必须综合考虑电池的光谱响应和太阳光的光谱分布。一种有效地方法被称为加权积分法。其权重曲线如图4所示。
图4 太阳能电池对太阳光的光谱响应权重曲线
由图4可见,太阳能电池对太阳光的吸收转换能量主要集中于500nm~920nm之间,其峰值位于650nm~800nm,呈平顶态势。减反系统的设计所需要关注的光谱范围,首先在上述波段范围内,500nm以下及920nm以上,相对影响较小。
电池片减反膜系统的分析和优化
单层减反膜系统
目前应用于地面太阳能电池大规模生产工艺中的减反膜,几乎全部采用PECVD SiN薄膜。所使用的SiN薄膜折射率控制在2.0左右,厚度为80~85nm。上面已经提到,对于PECVD SiN镀膜工艺,改变工艺参数可以调整薄膜的折射率。图5、图6显示了几种不同折射率SiN薄膜的反射率曲线及其加权响应曲线。
图5 单层SiN减反膜反射率曲线
图6 单层SiN减反膜加权响应曲线
从图5可以观察到,较低的折射率对降低反射率有利。尽管在图6的加权响应曲线中,很难区分几种膜系的优劣,但是加权积分数可以显示相同的趋势,如表1所示。
表1 单层SiN减反膜系统光谱响应加权积分数
减反膜 n2.0x82nm n2.1x80nm n2.2x76nm 加权积分数 84.04 83.71 83.08 减反膜 ZnS/SiO SiN/SiO 加权积分数 86.83 86.16
图7 双层减反膜反射率曲线
图8
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