不同減反膜結(jié)構(gòu)的多晶硅太陽(yáng)電池光譜分選方法研究

■ 吳昕 李華超 蘭洵 王嵐 譚箏 龍巍 蔡蔚 林洪峰*

(1.天威新能源控股有限公司；2.蘇州巨能圖像檢測(cè)技術(shù)有限公司)

0 引言

晶體硅太陽(yáng)電池中，減反射膜是不可缺少的結(jié)構(gòu)。入射光在裸硅片表面的反射率達(dá)到30%以上，會(huì)大幅降低太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。采用減反射膜后，入射光在未經(jīng)織構(gòu)的硅片表面的平均反射率可下降到約10%[1]。對(duì)于多晶硅太陽(yáng)電池，由于多晶硅片本身具有較多的缺陷，不可避免地需進(jìn)行表面鈍化和體鈍化。適于用作晶體硅太陽(yáng)電池光學(xué)減反射膜的材料有SiO2、TiOx[2]、SiN[3,4]等薄膜材料。SiO2薄膜的鈍化效果較好，但折射率(1.46) 太低，單獨(dú)作為光學(xué)減反射膜效果并不好，一般與SiN膜一起作為疊層減反射膜；TiOx的折射率雖然接近晶體硅太陽(yáng)電池最佳光學(xué)減反射膜的理論值，但TiOx沒(méi)有表面鈍化功能；SiN薄膜的折射率可在1.9～2.8之間調(diào)整，透明波段中心與太陽(yáng)光的可見(jiàn)光譜波段符合且兼具表面鈍化和體鈍化等特點(diǎn)，是一種用作晶體硅太陽(yáng)電池減反射及鈍化膜的理想材料[3]。目前PECVD生長(zhǎng)SiN薄膜已成為晶體硅太陽(yáng)電池制造必不可少的工藝技術(shù)。

對(duì)于雙層或多層減反射膜結(jié)構(gòu)的減反射效果和鈍化效果，有不少研究者從理論和實(shí)驗(yàn)方面做了研究。理論計(jì)算表明，采用SiO2/SiN[1,4]、MgF2/ZnS[1,5]或SiO2/TiO2[1,6]等雙層減反射膜結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低太陽(yáng)電池的反射率。這幾種減反射膜結(jié)構(gòu)都滿(mǎn)足上層薄膜的折射率小于下層薄膜、下層薄膜的折射率小于硅片的關(guān)系。SiO2/SiN雙層減反射膜中，以SiO2作為上層薄膜，SiN作為下層薄膜，適當(dāng)選取SiO2/SiN雙層減反射膜的折射率和厚度，可將波長(zhǎng)在300～1150 nm入射光的加權(quán)平均反射率減小到約4%，短路電流密度比優(yōu)化的SiN單層減反射膜太陽(yáng)電池提高6.4%[4]。實(shí)驗(yàn)上制備的SiO2/SiN、MgF2/ZnS雙層減反射膜太陽(yáng)電池的反射率都比單層SiN減反射膜小，而且由于SiO2/SiN雙層減反射膜中SiN的鈍化作用，SiO2/SiN雙層減反射膜太陽(yáng)電池比MgF2/ZnS雙層減反射膜太陽(yáng)電池具有更好的性能[7]。正是由于多晶硅太陽(yáng)電池減反射膜結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致太陽(yáng)電池在300～1100 nm波段體現(xiàn)出不同的反射譜線(xiàn)和可見(jiàn)光波段(380～780 nm)一定的顏色區(qū)別，進(jìn)而影響到電池短路電流、轉(zhuǎn)換效率的不同。

為做到組件產(chǎn)品的外觀統(tǒng)一和電性能匹配，目前業(yè)界都在多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)的最后一道工序按照轉(zhuǎn)換效率和顏色標(biāo)準(zhǔn)的檔位對(duì)電池片進(jìn)行分類(lèi)。對(duì)電池片顏色的分選現(xiàn)在主要有人工檢測(cè)和工業(yè)相機(jī)檢測(cè)兩種解決方案。人工檢測(cè)的方式，主要依賴(lài)作業(yè)人員的視覺(jué)判斷，因此也存在作業(yè)人員個(gè)體的視覺(jué)差異問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量很難得到保證[8]。而基于工業(yè)彩色相機(jī)機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方法雖然排除了檢測(cè)者的個(gè)體差異，但對(duì)于不同減反膜結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，有時(shí)候僅憑相機(jī)的顏色分選功能也很難區(qū)分開(kāi)[9]。如圖1所示，有時(shí)看似顏色基本一致的電池片(減反射膜分別為單層SiN膜與SiN/SiON雙層膜)在組件生產(chǎn)時(shí)與EVA、組件玻璃層壓之后構(gòu)成新的光學(xué)匹配條件，就有可能把原來(lái)較小的光學(xué)差異放大，容易造成組件封裝后的產(chǎn)品色差問(wèn)題。另外這些顏色差異也與不同介質(zhì)層表面的粗糙度有關(guān)，兩種粗糙度差異很大而同時(shí)在空氣介質(zhì)中顏色差異微小的電池片，如果同時(shí)進(jìn)行層壓都更換為經(jīng)過(guò)鍍膜玻璃、EVA為光的傳播介質(zhì)，此時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)很大的顏色差異。

圖1 單層SiN膜、雙層SiON/SiN膜與組件封裝后示意圖

因此針對(duì)此問(wèn)題，需對(duì)不同膜厚及折射率的電池片進(jìn)行反射譜測(cè)量，通過(guò)反射譜的特征曲線(xiàn)區(qū)分電池片不同的膜系結(jié)構(gòu)。這種光譜分選方法可準(zhǔn)確快速地區(qū)分原本混淆在一起的不同膜系結(jié)構(gòu)的電池片，并促進(jìn)產(chǎn)線(xiàn)對(duì)制絨和PECVD鍍膜兩個(gè)工序的工藝跟蹤和調(diào)整，給品管監(jiān)控工作帶來(lái)很大的幫助。

1 測(cè)量方法與步驟

圖2為反射式光譜儀測(cè)量示意圖，使用PV Measurements公司的QEX7光譜儀進(jìn)行反射譜測(cè)量。當(dāng)一束復(fù)合光線(xiàn)進(jìn)入光譜儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光，再通過(guò)衍射光柵色散分開(kāi)為單波長(zhǎng)光。利用不同波長(zhǎng)離開(kāi)光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫。通過(guò)電腦控制可精確地改變出射波長(zhǎng)。

圖2 反射式光譜儀測(cè)量示意圖

采取以下步驟進(jìn)行測(cè)量分析：1)制備3組不同膜厚、折射率的減反射膜太陽(yáng)電池，每組分別選取4片樣品；2)光譜儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板測(cè)試得到參考校準(zhǔn)譜線(xiàn)；3)每片樣品選取中心點(diǎn)進(jìn)行反射譜測(cè)量；4)在測(cè)量波段內(nèi)從各組反射譜線(xiàn)中提取特征值進(jìn)行分析比較。

2 光譜測(cè)量結(jié)果與分析

如表1所示，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，我們用PECVD設(shè)備制備了3組不同膜系結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池，其中C組為單層SiN膜，S、T組為SiN/SiON雙層膜，并且每組均采用折射率漸變的鍍膜方法，使減反射膜靠近硅基底的一面折射率較大并向外遞減，這樣一方面使光學(xué)匹配性更好，另一方面也有利于電池的鈍化效果。表1中的數(shù)據(jù)是用Sentech公司的SE800橢偏儀測(cè)得的每層平均折射率和平均膜厚。除了鍍膜工序的工藝參數(shù)不同外，各組電池其他制程工序完全相同，以此排除其他工序參數(shù)不同給測(cè)量帶來(lái)的影響。

表1 各組膜厚、折射率參數(shù)

在標(biāo)準(zhǔn)白板校準(zhǔn)后，用光譜儀對(duì)每組樣品各取4片分別選取中心點(diǎn)進(jìn)行反射譜線(xiàn)測(cè)量?；谥苽涞?組減反射膜結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們重點(diǎn)關(guān)注300～650 nm這一波段。

綜合圖3～圖5的各組反射譜可看出，每組中4片樣品的反射率曲線(xiàn)并不是完全重合在一起的，每4片樣品在不同波長(zhǎng)下有5%以?xún)?nèi)的反射率偏差，這主要是因?yàn)槎嗑Ч韫杵砻娲嬖诙喾N晶向，不如(100)晶向的單晶硅那樣能利用各向異性化學(xué)腐蝕得到理想的金字塔絨面結(jié)構(gòu)，采用硝酸和氫氟酸配制的酸性腐蝕液處理過(guò)的多晶硅表面是一些隨機(jī)分布的多孔狀蟲(chóng)洞絨面。正是這些絨面結(jié)構(gòu)的隨機(jī)差異性導(dǎo)致了每組樣品中反射率的微小偏差。

圖3 C組反射譜

圖4 S組反射譜

圖5 T組反射譜

如表2所示，各組樣品之間平均反射率相差并不大(3%以?xún)?nèi))，反映到電池片外觀顏色方面差別也較小。但即使每組反射率有少許偏差，也可從測(cè)量的反射曲線(xiàn)中提取出特征峰位和特征谷位。從圖3～圖4可看出，C組與S組特征峰位、特征谷位各不相同，但每組的4片樣品都保持相近的特征位。而圖5中T組的反射譜雖然也存在相同的特征峰谷分布，但由于縱軸方向的反射率差別太小而沒(méi)有列出。

表2 各組樣品反射率及特征波長(zhǎng)

圖6為3組樣品反射曲線(xiàn)，其中各組樣品的反射譜線(xiàn)為平均值。結(jié)合表2可以很方便地分辨出3組樣品反射曲線(xiàn)的差異性(各組特征峰、谷波長(zhǎng)的差值均在40 nm以上)。而這種差異正是來(lái)自于3組樣品不同的減反射膜結(jié)構(gòu)。

圖6 3組樣品反射曲線(xiàn)

3 與顏色分選方法測(cè)量的結(jié)果對(duì)比

首先對(duì)上述3組電池片進(jìn)行紅綠藍(lán)(RGB)3色的外觀測(cè)試，根據(jù)在蘇州巨能自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)系統(tǒng)下的測(cè)試結(jié)果，將上述3組圖片的RGB分量特征提取出來(lái)，如表3所示。為了對(duì)比光譜測(cè)試分析方法與AOI檢測(cè)的結(jié)果，根據(jù)RGB的空間波長(zhǎng)分布范圍(紅光622～760 nm；綠光492～577 nm；藍(lán)光435～450 nm)，對(duì)各組反射光譜的波長(zhǎng)分量進(jìn)行積分，積分后的RGB顏色分量數(shù)據(jù)如表3右側(cè)所示。

表3 各組樣品的AOI顏色分量與反射光譜積分的RGB特征原始數(shù)據(jù)

為了確定兩組數(shù)據(jù)的空間分辨能力，對(duì)RGB的分量特征進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表4可知，AOI檢測(cè)與反射光譜檢測(cè)均能較好的區(qū)分這3組樣品，但對(duì)于同一組樣品，AOI測(cè)試的RGB分量區(qū)分度整體都要弱于光譜分析法。定義同一組別的最大與最小特征值為區(qū)分度，表5描述了兩種方式計(jì)算的特征區(qū)分度。兩種測(cè)試方式比較來(lái)看，后者能更好地反映顏色特征，提高顏色識(shí)別的區(qū)分度。整體區(qū)分度上后者約為前者的3.8倍。

表4 歸一化后的各組樣品AOI顏色分量與反射光譜積分RGB特征數(shù)據(jù)

表5 AOI顏色分量與反射譜積分特征區(qū)分度對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的減反射膜太陽(yáng)電池測(cè)量得到不同反射譜曲線(xiàn)，通過(guò)分析其在特定波段的特征譜線(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行分選。相比于AOI顏色分選方法，光譜分選方法對(duì)不同太陽(yáng)電池的減反射膜結(jié)構(gòu)的辨識(shí)度較高，既可由人工識(shí)別分選，也可把光譜儀集成到分選設(shè)備上做到自動(dòng)分選。本文提出的光譜分選方法可作為顏色分選方法的重要補(bǔ)充和替代方案。

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