摘要：探究了多晶硅太阳电池表面双层氮化硅减反、钝化结构的产线工艺。示范性实验结果表明，直接与多晶硅接触的底层氮化硅的厚度是双层氮化硅减反、钝化能力的一个关键因素。相对于单层氮化硅减反、钝化的多晶硅太阳电池，厚度优化的双层氮化硅减反、钝化电池片的短路电流和开路电压均有所改善，相应的光电转换效率提升超过0．2％。光电转换效率的提升归因于双层氮化硅减反、钝化结构有利于降低光损失和表面钝化。
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引言
多晶硅太阳电池的光电转换效率受制于光学损失和载流子复合。在300～1100nm太阳光谱范围晶体硅的折射率大于3．5［1］，这使得多晶硅太阳电池前表面的光学反射损失较大。一个有效的解决方法是将多晶硅太阳电池表面织构化［2－4］，并在织构上制作减反射膜［5－10］，利用光学多次反射和薄膜干涉效应降低光反射损失。常用的减反射膜主要有：氮化硅［8］、氧化硅［9］和二氧化钛［9－10］等。同时，多晶硅太阳电池前表面光生载流子复合决定着电池的发射极饱和电流，从而影响电池的开路电压［11］及光电转换效率。因此，需要将晶硅太阳电池前表面进行表面钝化处理，以提升多晶硅太阳电池的光电转换效率。
目前，多晶硅太阳电池生产线上多采用等离子增强化学气相淀积（PECVD）法在电池前表面制备氮化硅膜作为减反、钝化层。PECVD法制备的氮化硅的光学常数和厚度可调，便于对其减反、钝化性能的优化。相对于单层氮化硅减反、钝化膜，双层氮化硅减反、钝化结构更具有优势。双层氮化硅膜可以分别调控减反射和钝化两个功能，通过改变各层的材料组分，实现这两个功能的共同优化。双层氮化硅结构的减反、钝化物理机制是：（1）低折射率氮化硅（硅氮比较小）薄膜作为顶层，构成了低折射率氮化硅／高折射率氮化硅／更高折射率晶体硅三层折射率梯度渐变的光学结构，实现高效减反射功能；（2）高折射率氮化硅（硅氮比较大）膜含有大量氢离子和固定负电荷，作为底层直接和硅接触，实现晶硅表面悬键的氢钝化和表面场效应钝化。双层氮化硅减反、钝化结构相关调控参数增加，在多晶硅太阳电池产线中应用时需要深入探究其减反、钝化功能的关键控制因素。
基于多晶硅太阳电池表面双层氮化硅结构的减反、钝化机制，本文探究了其在多晶硅太阳电池生产线中有效利用的一个关键控制因素，即：直接与晶硅接触的底层氮化硅的厚度。通过优选双层氮化硅减反、钝化结构的厚度参数，证实双层氮化硅减反、钝化结构能够提升多晶硅太阳电池的光电转换效率。最后通过对比分析单层和双层氮化硅减反、钝化的多晶硅太阳电池的光电参数，讨论了双层氮化硅减反、钝化结构提升电池光电转换效率的原因。
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设计与实验
直接和底层接触的高折射氮化硅，其内部含有大量氢离子和固定电荷，能够实现晶硅表面悬键的氢钝化和表面场效应钝化。若底层氮化硅越厚它所包含的氢离子和固定负电荷也就越多，相应钝化效果也就越好，从而发射极饱和电流减少，开路电压提升。可是，高折射氮化硅能够强烈吸收短波太阳光子而造成吸收损失，其厚度越大光损失也就越严重，使得短路电流降低。因此，双层氮化硅减反、钝化结构中底层氮化硅膜的厚度可能是控制其性能的一个关键因素。为了探究双层氮化硅减反、钝化结构中底层氮化硅膜的厚度对电池性能影响，本研究以156多晶硅为衬底，以硅烷和氨气为硅源和氮源，在晶硅太阳电池产线上管式PECVD设备上制备氮化硅膜。采用激光椭偏仪来表征薄膜的折射率和厚度。通过控制氮化硅膜生长气源硅烷和氨气的流量比来控制折射率，用生长时间来控制膜厚。采用生产线上标准的工艺制备多晶硅太阳电池，工艺流程包括：制绒、扩散、湿法背抛光和刻边、去磷硅玻璃、PECVD镀膜、印刷和烧结背铝及正银电极、电性能测试。实验分5组，每组210片电池。其中PECVD镀膜工艺中分别制备1组单层氮化硅膜及4组双层氮化硅膜，每组氮化硅膜总的光学厚度一致。
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结果与讨论
氮化硅的折射率与其构成中的硅含量有关，硅含量越大则相应的折射率越高。本文采用PECVD法制备氮化硅膜，硅烷／氨气流量比分别选取为780∶6800和780∶3500，从而实现对折射率的控制。折射率测试结果显示，硅烷／氨气流量比分别为780∶6800和780∶3500下制备的氮化硅在633．3nm下的折射率分别为：n1＝2．06和n2＝2．30。根据文献报道，高折射率的氮化硅在短波光谱段具有一定的消光系数，且波长越短其消光系数越大。因此，n2＝2．30的氮化硅膜制作在多晶硅太阳电池前表面上将吸收一定波长范围的太阳光子，造成光损失，无法参与光电转换。进一步，本研究通过调整制备时间来改变薄膜的厚度。图1为氮化硅膜厚度随膜淀积时间的变化关系。图中显示氮化硅的膜厚随生长时间近似线性增长，线性拟合计算获得其生长速率为0．127nm／s。为了证实该生长速率规律的正确性，选定一个制备n1＝2．06和n2＝2．30两种氮化硅的淀积时间，测试获的实验膜厚和生速率乘以时间获得的理论厚度几乎一致。
为了探究双层氮化硅减反、钝化结构中底层氮化硅膜的厚度对电池性能的影响，本文研究了5组多晶硅太阳电池，其中包括1组单层和4组双层氮化硅减反、钝化结构。采用n1＝2．06的氮化硅作为单层减反、钝化膜和双层减反、钝化结构的顶层膜，n2＝2．30的氮化硅作为双层减反、钝化结构的底层膜，直接和晶硅接触。单层n1＝2．06的氮化硅减反、钝化膜的厚度选定为83nm。4组双层减反、钝化结构中底层n2＝2．30的氮化硅的膜厚分别选取为5、10、15和20nm；为了确保一致的光学厚度，则相应顶层n＝2．06的氮化硅膜的厚度分别为77、72、66和61nm。通过调整PECVD工艺参数实现上述氮化硅膜的制备。
图2是双层氮化硅减反、钝化的多晶硅太阳电池的短路电流。当底层氮化硅薄膜厚度从5nm增加到15nm时，均值电流相应从8．588A增加到8．690A。其原因可能是由于低折射率氮化硅／高折射率氮化硅／更高折射率晶体硅三层折射率梯度渐变的光学结构逐渐形成，有利于光捕获。可是，底层氮化硅薄膜具有较大的折射率，因此它将吸收一定波长范围的太阳光子，造成光损失，无法参与光电转换，减小短路电流。底层氮化硅膜厚度为15nm时，尽管也存在自身光吸收损失，但整个二者竞的结果有利于光电转换，因此具有较好的短路电流。可是，当底层氮化硅膜厚度增加到20nm时，短路电流有所下降的原因可能是由于氮化硅自身光吸收已严重影响短路电流。
图3是双层氮化硅减反、钝化的晶硅太阳电池的开路电压。从图中可以看出，不同底层厚度的双层氮化硅钝化、减反结构的多晶硅太阳电池的均值开路电压有所改变，随着厚度从5nm变到15nm时相应的均值开路电压从0．6261V提升到了0．6294V。
这些结果显示与晶硅接触的底层氮化硅厚度是决定开路电压的一个关键因素。其原因可能是由于氮化硅薄膜厚度增加时，其氢含量和固定电荷数逐渐增加，有利于钝化电池片表面。但当底层氮化硅厚度增加到20nm时，均值开路电压有所下降，但依然高于单层钝化器件的开路电压，其具体机制需要进一步探究。
对比单层（83nm）和双层（66nm顶层／15nm底层）氮化硅减反、钝化的多晶硅太阳电池的关键光电参数，双层氮化硅减反、钝化的电池的均值开路电压从0．6258V增加到0．6294V、均值短路电流从8．623A增加到8．690A，而填充因子二者相近。
因此，相应的光电转换效率被有效地提升。图4为单层（83nm）和双层（66nm顶层／15nm底层）氮化硅减反、钝化的晶硅太阳电池的光电转换效率。从图中可以看出双层氮化硅减反、钝化结构的电池具有改善的光电转换效率，相对于单层氮化硅减反、钝化电池的均值，其光电转效率提升大于0．2％，达到了17．7％。因此，上述研究表明在晶硅太阳电池片生产线中不添加任何生产设备，仅需调整PECVD制备氮化硅工艺参数，即可有效地提升大于0．2％的光电转换效率，有利于增加多晶硅太阳电池产品的经济附加值。
实验室中表征减反、钝化结构的性能可分别采用漫反射光谱测试来评估宽光谱加权反射率［12－13］及无接触光导衰减测试来评估发射极饱和电流［14－15］。可是，产线中的原始晶硅材料、电池片不同位置及电池片间存在差异，可导致相关物理参数的变化被掩盖。但是，上述测试多样品、全面积电池的开路电压和短路电流能够间接反映减反、钝化结构的性能，可用于定性分析。基于光伏理论，开路电压Voc可表示为［11］
根据式（2）和实验获得的Voc双层＝0．6294V、Voc单层＝0．6258V及Isc单层＝8．623A，可得双层氮化硅减反、钝化的电池的短路电流计算值应为9．912A。可实验中双层氮化硅减反、钝化的电池的短路电流仅为8．690A。因此，开路电压的提升不仅仅起源于短路电流，更重要的应该是发射极饱和电流的降低，即起源于底层氮化硅的钝化功能。基于上述分析知，双层减反、钝化结构的多晶硅太阳电池的光电转换改善的原因可归结为：（1）双层氮化结构可构成低折射率氮化硅／高折射率氮化硅／更高折射率晶体硅三层梯度渐变的光学结构，有利于光捕获和吸收，提升短路电流；（2）同时，双层氮化硅结构有利于电池表面的钝化，降低光生载流子在发射极表面复合，减少发射极的饱和电流，提升开路电压。
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结论
本研究在产线示范性实验中通过控制PECVD工艺中氮／硅气源比获得了两种不同折射率的氮化硅膜，并将它们制成多晶硅太阳电池表面的双层减反、钝化结构。实验结果证实直接与晶硅接触的底层氮化硅厚度是该双层结构的减反、钝化性能的一个关键控制因素，影响着器件的开路电压和短路电流。优选双层减反、钝化结构的膜厚，相对单层氮化硅减反、钝化的多晶硅太阳电池的开路电压、短路电流均有所改善，相应光电转换效率提升大于0．2％，超过了17．7％。改进的光电转换的原因归结为双层氮化结构有利于多晶硅太阳电池降低光损失和表面钝化。
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