采用抗反射膜提高a-Si:H/μc-Si:H串结薄膜太阳能电池的转换效率

索比光伏网讯:作者：Yunping Di、Yarunu He、Guanchao Zhao、Rong Yang、Deling Zhou、Liwei Li、Ted Guo，ENN Solar Energy Co., Ltd.

光伏（PV）组件的前玻璃表面上的透明抗反射膜（ARC）是一项成熟的技术，它通过减少空气-玻璃界面的表面反射增加入射光的透射率，这样就增强光的吸收而提高了太阳能电池的转换效率。在文献中可以找到有可能适用于PV的一些抗反射材料、膜结构和制备技术的评论。现在，ARC的商业应用已在基于c-Si的PV组件规模生产中实现。但是，把ARC应用于串结或多结薄膜太阳能电池的研究还很少见，大多是由于在ARC与薄膜太阳能电池制造工艺间的兼容性，以及抗反射光谱满足子电池间的电流匹配要求的缘故。

本研究中，我们用简单的制备方法（太阳能电池能很好适应的低温150℃下），将同质单层ARC直接应用在a- Si:H/μc-Si:H串结薄膜太阳能电池上。采用这种宽带抗反射性能为300-1100nm的ARC，我们证明硅基薄膜串结太阳能电池的转换效率相对提高2.5%。此外，抗反射膜的铅笔硬度大于‘5H’，表明其抗划伤性能很好。功能膜的优秀抗反射性能及低温制造工艺使其有用于提高PV组件转换效率的巨大潜力。

实验
用SnO2:F涂覆的前玻璃衬底（尺寸为140mmx140mmx3.2mm）用作样品制备。薄膜a-Si:H/μc-Si:H串结太阳能电池用等离子增强化学气相淀积（PECVD）制造，采用的激励频率为13.56MHz。串结是在p-i-n/p-i-n顶衬结构制造的，其中第一个i层由a-Si:H组成，第二个i层由μc-Si:H 组成。通过遮光掩膜制造多个有源面积约为50mm2的测试电池。一类抗反射方案是在电池样品前侧面旋涂。在空气干燥10分钟后，湿薄膜样品在退火炉内以140℃、50分钟热固化。通过控制旋转速度及时间，可以在低铁玻璃衬底和太阳能电池样品上分别得到厚度不同的镀膜样品。图1示出了应用在硅基串结太阳能电池上的抗反射涂层示意图。

ARC的厚度和硬度分别用椭圆谱仪和铅笔硬度测试仪测量。用原子力显微镜（Agilent 5400AFM）观察抗反射膜的表面形貌和粗糙度。光学透射谱用Perkin Elmer Lambda 750 UV/Vis/NIR 分光光度计在正入射处测量。测定抗反射涂层前后同一太阳能电池的电流-电压（I-V）和外量子效率（EQE）特性。I-V测量在标准测试条件（STC，25℃，AM1.5G谱和1000W/m2）下进行。

结果和讨论
表面形貌
用原子力显微镜（AFM）观察低铁玻璃上抗反射涂层的表面形貌，如图2所示。图像(a)和剖面(b)说明均方根（RMS）表面粗糙度为5.5nm，表面凸出小于2nm，涂层表面是平滑而致密的，即无孔的。

光学透射比
对于同质单层ARC，用折射率为n=(nans)1/2的ARC能增加光的透射比，其中n、na和ns分别是ARC、空气和衬底的折射率，1/4波长光学厚度，即nd=λ/4，式中d是薄膜物理厚度，λ是入射光的目标波长。在本研究工作中我们在低铁玻璃衬底上旋涂几种ARC，它们有大致一样的折射率，膜层厚度则不同，用椭偏光谱仪测量厚度。所有样品的ARC铅笔硬度均超过‘5H’，足以承受正常的刮擦。

图3说明在光正入射时，350-1100nm范围内覆盖不同厚度ARC玻璃的透射光谱，与裸玻璃衬底的作出比较。用如下公式计算ARC覆盖玻璃和裸玻璃的光透射比：

式中，T(λ)是分光光度计测出的光谱透射比，Sλ是空气质量1.5（AM 1.5，ASTMG173-03）的太阳光线的相对光谱分布，Δλ是波长间隔。进而，根据公式[1]，定义宽带（BW）抗反射为其不小于1.5，规定BW=λu/λl，其中λu和λl是指定光谱范围的上边界和下边界。依据图3，得到了宽带抗反射性能，因为BW大于3。

计算出的不同波长范围直射光透射比的相对增加结果示于图4。在ARC厚度从d-20增加到d+30nm时，对于300-800nm、500-1100nm、300-1100nm所有范围，抗反射效果呈现首先增加然后减少的类似趋势，例外是，在 800-1100nm波长范围内是逐渐增加的。在dnm处，样品的抗反射效果是各厚度分组中最佳的，从最佳厚度dnm处的大偏离（即d-20nm和d+30nm）导致效果明显小。厚度范围（d-10nm，d+5nm）和（d+5nm和d+20nm）分别对提高上电池（300-800nm氛围）和下电池（500-1100nm氛围）的短路电流密度有好处，这里，d+5nm厚度的效果是依据图4的趋势内插得到的。当把上电池和下电池均考虑在内时，似乎d nm是最可取的厚度。

太阳能电池性能的改进
通过对用AM1.5G光谱权重后的EQE曲线积分，计算上电池和下电池的短路电流密度(Jsc)。准确的计算方法如下：
 

式中，e是电子电荷， λlower和λupper是波长范围的下限和上限，F(λ)是太阳光光谱强度（每单位光谱间隔1m2面积内1秒中吸收的光子数），T(λ)uncoated和T(λ)coated分别是裸玻璃和有涂层玻璃的光透射谱。T(λ)uncoated和T(λ)coated用分光光度计测量。EQE(λ)uncoated是没有ARC的太阳能电池的外量子效率，用QE测试仪测量，而EQE(λ)coated是有ARC的太阳能电池的外量子效率。

结合公式[2]和[3]，计算出Jsc，因ARC产生的Jsc相对增加量示于图5，这里分别检测上电池和下电池。将图4与图5比较，ARC厚度对Jsc提高的影响与太阳光权重的透射比的提高是符合得很好的，考虑到300-800nm和500-1100nm的透射比分别对上电池和下电池是重要的。ARC厚度＜dnm时，上电池的增加比下电池大；但是，ARC厚度＞d+10nm时，趋势就逆转。当ARC厚度范围为d至d+5nm时，获得的上、下电池的Jsc增加基本相当，这能很好地维持子电池间更可取的电流匹配。

目标厚度为d的抗反射膜涂覆在电池样品上，位于空气和前玻璃间界面上。涂覆前后太阳能电池的量子效率曲线示于图6。很明显，采用ARC时量子效率提高。相应地，上、下电池的短路电流密度分别提高0.25mA/cm2、0.23mA/cm2，表明很好地维持了电流匹配。如图7所示，发现测得的量子效率曲线与计算的符合很好，证明本研究中所用的理论计算方法是正确的。

对于有无抗反射膜的太阳能电池来说，性能改善的主要指标（包括Voc、FF%、Jsc和CE%）以相对增加的形式列于表1。从表中可以看到，厚度d的抗反射膜使短路电流密度Jsc增加2.14%（4个样品的平均值），而开路电压Voc和填充因子FF%仅分别增加0.17%和0.4%。导致太阳能电池效率总的提高2.49%。效率的提高主要是短路电流密度增加的结果，如表1所示。这一结果与晶硅太阳能电池和聚合物光伏电池中分别采用的其他种类抗反射膜的研究结果是非常一致的。但是，这些抗反射膜或者要求高温工艺（例如晶硅PV中用的ARC），或者制造成本很高。本研究中开发的低温ARC膜显示了提高效率方面的极佳效果，与低温薄膜硅PV制造兼容，在商业化低成本生产方面有巨大潜力。

结论
本研究成功地把抗反射膜应用到a-Si:H/μc-Si:H串结薄膜太阳能电池，采用与Si薄膜PV组件制造兼容的低成本低温（＜150℃）工艺。太阳光权重的透射比提高2%以上，这使短路电流密度增加2.14%，太阳能电池效率增加2.49%。上、下电池短路电流密度的提高能依靠调节ARC厚度优化，这为调整电流匹配提供了极为需要的灵活性，对提高多结太阳能电池转换效率提供了较大空间。进一步优化抗反射涂层和太阳能电池结构可期望性能有更多提高。