降低太阳能电池表面反射率研究分析

降低太阳能电池表面反射率研究分析

闫晓峰 ,杨秀莲 ,李红莉

中原石油勘探局  濮阳  457000

摘要：太阳能电池正面的一次反射损耗高，一直是制约光伏转换效率的关键挑战。由于半导体层的折射率高于空气，部分太阳光在空气与半导体界面处丢失。在空气和半导体之间形成逐渐变化的折射率，可以最大限度地减少表面反射，加强光捕获并促进pn结内的载流子分离，从而降低太阳能电池正面的一次反射损耗。本文介绍的AAO纳米光栅和倒金字塔纳米结构，可有效降低表面反射损耗。

关键词：折射率； AAO纳米光栅；倒金字塔

能源是发展和经济增长的主要驱动力，工业革命后全球能源在很大程度上依赖于化石燃料，而化石燃料的过度开采和使用，导致与能源生产相关的全球变暖、资源枯竭和生物多样性丧失等环境问题逐渐暴露。2015年9月25日，可持续发展峰会在纽约召开，联合国共193个成员国于峰会上表决通过了17个可持续发展目标，旨在以综合方式解决社会、经济和环境三个维度的发展问题，向可持续发展道路转型。可持续发展被定义为在不损害后代需求的情况下满足当代人的需求，可再生能源替代化石燃料势在必行。

电力作为一种功能性能源形式，是工业、农业以及现代设备运行的基础。随着人口的增长和经济的发展，电力需求增长率逐年增加，而太阳能是一种很有前途的可再生能源。光伏太阳能电池板技术(PV)在其运行过程中不会排放温室气体(GHG)，因此被认为是一种环境友好型技术，已研发出单晶硅电池、非晶硅电池、砷化镓电池和钙钛矿电池等不同类型的太阳能电池。其中硅太阳能电池具有寿命长、性能可靠、价格低廉等优点，在光伏领域应用广泛。

光伏太阳能系统主要以并网和离网两种形式用于发电，并网系统主要应用于大型太阳能发电厂和城市区域小型分布式光伏发电，离网系统主要应用于家庭和小型商业电网。为了满足全球对能源的需求，设计与制作具有高转换效率的太阳能电池是关键，提高太阳能电池的光电转换效率显得尤为重要。

作者简介：闫晓峰(1993-)，男，河南濮阳人，助理工程师，研究方向为新能源

1 晶硅太阳能电池制备工艺流程

随着晶硅太阳能电池经的工艺技术不断革新，光电转换效率不断提升，但是常规晶硅太阳能电池的生产工艺流程并无根本性改变。生产工艺流程为：制备硅料、单晶拉棒或多晶铸锭、硅片切割、刻蚀制绒、扩散、二次刻蚀、氮化硅(SiNX)减反射膜沉积、丝网印刷、烧结、制作光伏组件[8]。

硅片经过刻蚀制绒后形成“蠕虫状”的凹陷结构，可降低硅片表面反射损耗，但反射损耗依然较高，单晶反射率在10%左右，多晶在20%以上[8]。根据菲涅耳反射原理，采用具有可变折射率的介质膜可以降低一次反射损耗，这种介质膜被视为减反射涂层，可有效的降低反射损耗，对提高硅太阳能电池光电转换效率具有重要意义。

2 AAO纳米光栅

为最大限度地减少表面反射，加强光捕获并促进pn结内的载流子分离，改善多晶硅太阳电池的光耦合性能。Wu等人，通过实验将纳米氧化铝(AAO)光栅置于多晶硅太阳能电池的正面，作为减反射涂层和捕光结构。如图1所示，实验样品结构由下至上由多晶硅衬底、SiNx涂层、紫外固化聚合物涂层、AAO纳米光栅组成。

图1 AAO纳米光栅图[1]

为了检验AAO纳米光栅的抗反射效果，Wu等人，还制备了裸多晶硅电池和SiNx涂层多晶硅电池作参照实验。铝的熔点为660℃，高于120℃，因此AAO纳米光栅可以保持原有形态不变。将所有样品在 120℃的真空中退火，以排出各层之间残留的空气。

通过光谱仪记录样品的反射率光谱图，如图2所示。与裸硅样品相比，仅涂有SiNx的样品和AAO 纳米光栅的反射率在很宽的光谱范围内被明显抑制。这表明SiNx薄膜在减反射方面有很明显的效果，而在 SiNx涂层上放置 AAO 纳米光栅则可以再次抑制较短(λ< 520 nm)和较长波长(λ> 650 nm)的反射，对降低晶硅电池表面上发生的反射损耗效果显著。

图2 反射率光谱图[1]

3 倒金字塔纳米结构

倒金字塔结构会产生集光效应，光波会衍射成几束光，部分光束在微/纳米结构之间进行反射，大约 37% 的入射光在倒金字塔的正面将经历三次反射，防止光逃回空气中。如图3所示，具有倒金字塔结构的晶硅电池表面反射率在较宽的波长范围内显着降低，这是由于倒置的金字塔结构在空气和太阳能电池之间形成了渐变的折射率梯度，延长了光路长度，可以降低菲涅耳反射率，将更多的入射光引导到太阳能电池活性材料内部。

图3 反射率光谱图

Jiang等人，通过金属辅助化学蚀刻工艺制造纳米结构，然后进行后纳米结构重建（NSR）溶液处理，制备了具有规则倒金字塔结构的多晶硅太阳能电池。如图4所示，(a)倒金字塔结构；(b)为表面涂有SiNx层的倒金字塔结构。

图4 倒金字塔纳米结构图[2]

通过光谱仪记录样品的反射率光谱图，如图5所示。倒金字塔结构与裸晶硅的酸性纹理结构相比，倒金字塔结构可以捕获更多的光，并且它的反射率相对较低，为16.95％。SiNx涂层的酸性纹理结构的平均反射率为8.31%，但是倒金字塔结构与SiNx涂层相比，在抑制较短(λ< 480 nm)波长方面具有较为显著的效果。而在倒金字塔结构上覆盖SiNx涂层后，硅片的平均反射率降低到3.29%，覆盖SiNx涂层后的倒金字塔结构特别降低了短波长的反射率，与裸晶硅的酸性织构结构相比，反射率得到大幅降低。

图5 反射率光谱图[4]

4 结论

数据显示SiNx涂层在很宽的光谱范围内抑制光波的反射，可有效降低太阳能电池的表面反射损耗，但是在对抑制较短和较长波长的反射效果并不显著。而AAO纳米光栅和倒金字塔结构成功展现出了良好的光捕获效果，可弥补太阳能电池覆盖单层SiNx涂层后，在较短和较长波长范围内反射率较高的缺陷，在提高硅太阳能电池的抗反射能力方面具有显著成效。同时AAO纳米光栅和倒金字塔结构可以消除由于蚀刻造成的表面损伤，进一步提高太阳能电池的短路电流密度，与未经表面处理的相同太阳能电池相比，其光电转换效果被大幅提高。

[1] Wu L, Zhang H, Qin F, Bai X, Ji Z, Huang D. Performance enhancement of pc-Si solar cells through combination of anti-reflection and light-trapping: Functions of AAO nano-grating[J]. Optics Communications, 2017, 385:205-212.

[2] Jiang Y, Shen H, Pu T, Zheng C, Tang Q, Gao K, Wu J, Rui C, Li Y, Liu Y. High efficiency multi-crystalline silicon solar cell with inverted pyramid nanostructure[J]. Solar Energy, 2017, 142(JAN.):91-96.

[3]Amalathas A P, Alkaisi M M. Efficient light trapping nanopyramid structures for solar cells patterned using UV nanoimprint lithography[J]. Materials Science in Semiconductor Processing, 2017, 57(Complete):54-58.