双面太阳能电池、太阳能模块及双面太阳能电池的制造方法
阅读说明：本技术 双面太阳能电池、太阳能模块及双面太阳能电池的制造方法 (Bifacial solar cell, solar module, and method for manufacturing bifacial solar cell ) 是由 A·施瓦贝迪森 J·切斯拉克 V·默滕斯 M·容塔内尔 于 2019-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双面太阳能电池,其具有背面的层堆叠,其特征在于,所述背面的层堆叠具有AlOx层(1)、一个或多个SiNx层(2、3、5)和SiOxNy层(4)。此外,本发明涉及一种太阳能模块,其具有多个这样的双面太阳能电池。此外,本发明涉及一种用于双面太阳能电池的制造方法,其中,在将石墨舟作为晶片载体的管式PECVD设备中沉积由AlOx层(1)、SiNx层(2、3、5)和SiOxNy层(4)组成的背面的层堆叠,并将这些层相继涂覆在同一个管中。(The invention relates to a bifacial solar cell having a rear-side layer stack, characterized in that the rear-side layer stack has an AlOx layer (1), one or more SiNx layers (2, 3, 5) and an SiOxNy layer (4). The invention further relates to a solar module having a plurality of such bifacial solar cells. The invention further relates to a method for producing a bifacial solar cell, wherein a rear layer stack of an AlOx layer (1), a SiNx layer (2, 3, 5) and a SiOxNy layer (4) is deposited in a tubular PECVD apparatus using a graphite boat as a wafer carrier, and the layers are applied one after the other in the same tube.)
技术领域
本发明涉及一种双面太阳能电池、一种太阳能模块和一种双面太阳能电池的制造方法。本发明尤其涉及一种具有背面的层堆叠的双面太阳能电池和一种具有这种双面太阳能电池的太阳能模块以及一种双面太阳能电池的制造方法。
背景技术
太阳能电池通常具有正面和背面，它们可以分别具有层堆叠。它是一种将入射到其正面的太阳光直接转换成电能的电气结构元件。
为了避免由于反射引起的光损失，太阳能电池可以具有抗反射涂层。这种太阳能电池例如在DE102009056594A1中得到描述，该专利文献提出用于太阳能电池的正面的抗反射涂层，所述太阳能电池带有具有高折射率的第一SiNx层和具有较低折射率的第二SiNx层。
此外，从DE102006062092B4中已知一种具有太阳能电池的光伏模块，所述太阳能电池分别具有一个电池层系统，所述电池层系统布置在层压材料和太阳能电池的接收光的表面之间，所述电池层系统具有变化的折射率并且由至少三个具有不同折射率的不同的层组成。
上述根据现有技术的太阳能电池是指一种单面太阳能电池。单面太阳能电池仅可以利用入射到其正面的光。因此，其效率受到限制。
除了单面太阳能电池外，已知有双面太阳能电池(也通常在英语表述为：双面的太阳能电池)。这种双面太阳能电池是能够利用从两侧入射的太阳光的太阳能电池。双面太阳能电池不仅可以利用到正面上的直接的光入射，而且可以利用到背面上的直接的或间接的光入射，后者例如呈被反射的太阳光的形式。由此实现了太阳能电池的比在单面太阳能电池中更高的效率。例如，因此可以利用由亮的房屋墙壁反射的、来自双面太阳能电池的背面的光。
例如，杜尔韦伯等人在第31次会议EUPVSEC 2015，Haberburg Paper出版社的2B0.4.3，第345-350页中描述具有双层的层堆叠的双面太阳能电池，所述双层的层堆叠在背面涂覆到衬底上。层堆叠由布置在衬底上的AlOx层和布置在AlOx层的背离衬底的一侧上的SiNx层组成。然而，仍然需要提高太阳能电池的效率。
发明内容
本发明的任务在于提供一种具有优化效率的太阳能电池和太阳能模块以及用于太阳能电池的制造方法。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的双面太阳能电池、具有权利要求8的特征的太阳能模块和具有权利要求11的特征的用于双面太阳能电池的制造方法来解决。有利的改进方案和修改方案在从属权利要求中给出。
本发明涉及一种具有背面的层堆叠的双面太阳能电池，其中根据本发明规定，背面的层堆叠具有AlOx层、一个或多个SiNx层以及一个或多个SiOxNy层。相应的SiNx和SiOxNy层在其折射率方面可以不同。
通过这种背面的层堆叠，双面太阳能电池的效率被提高。与具有由AlOx层和SiNx层组成的背面的层堆叠的双面太阳能电池相比，在正面(+0.2％)和背面光入射(+0.8至1.0％)都有更高的效率以及减少的PID退化。PID(电位诱发退化＝电势诱发退化)是一种攻击太阳能模块设备的太阳能电池的现象。PID导致太阳能模块的功率随着时间的推移而恶化。
取决于SiNx层和SiOxNy层的制造过程，例如在PECVD方法(等离子体增强化学气相沉积方法)中，在沉积所述层时储存(einlagern)氢，也就是说SiNx层或SiOxNy层被氢化，这通过名称SiNx：H层或SiOxNy层：H层来表示。包含在这种层中的氢使在SiNx/Si界面和SiOxNy界面处以及在硅衬底的容积中的再结合中心钝化。由此，太阳能电池的效率受到正面影响。根据本发明的背面的层堆叠的制造在PECVD设备中在一个过程中在没有通风或设备更换的情况下是可能的。由此可以节省成本。优选地，背面堆叠的所有层在具有石墨舟作为晶片载体的管式PECVD设备中借助于直接等离子体来沉积。但是也可以借助于“原子层沉积”(ALD)或者微波远程等离子体来沉积AlOx，并且在管式PECVD设备中沉积SiNx层和SiOxNy层。
双面太阳能电池优选是具有硅衬底的单晶或多晶太阳能电池。优选地，双面太阳能电池是PERC电池(PERC-被动式发射极和后部单元)。
在一种优选的实施例中，AlOx层布置在太阳能电池的衬底上，SiNx层布置在AlOx层的背离衬底的一侧上，并且SiOxNy层布置在SiNx层的背离衬底的一侧上。在该实施例中，双面太阳能电池在背面具有以下结构：衬底/AlOx层/SiNx层/SiOxNy层。优选地，层堆叠的层直接或间接地彼此重叠地布置，即没有其他中间层。
优选地，SiNx层是具有第一SiNx层和第二SiNx层的SiNx双层。因此，层堆叠优选具有四个层。更优选地，层堆叠以如下顺序由四个层组成：AlOx层/SiNx双层/SiOxNy层。在此，总是要注意的是，在太阳能电池的背面上可以存在附加的背面金属化部。
在另一种优选的实施例中，第三SiNx层布置在SiOxNy层的背离衬底的一侧上。在该实施例中，层堆叠优选具有五个层。更优选地，层堆叠由以下顺序由五个层组成：AlOx层/SiNx双层/SiOxNy层/SiNx层。在此也要注意，在太阳能电池的背面上可以存在附加的背面金属化部。
有利地，第一SiNx层的折射率小于第二SiNx层的折射率，其中第一SiNx层布置在第二SiNx层的背离衬底的一侧上，并且第二SiNx层布置在AlOx层的背离衬底的一侧上。在该实施例中，太阳能电池优选处于背面具有以下结构：衬底/AlOx层/第二SiNx层/第一SiNx层/SiOxNy层，或者衬底/AlOx层/第二SiNx层/第一SiNx层/SiOxNy层/第三SiNx层。第三SiNx层的折射率优选小于第二SiNx层的折射率。
更优选地，第三SiNx层的折射率等于或基本等于第一SiNx层的折射率。
有利地，SiOxNy层的折射率小于SiNx层的，即第一、第二和第三SiNx层的折射率。特别地，SiOxNy层的折射率可以大于AlOx层的折射率。
在一种优选的实施例中，AlOx层的折射率处于1.5至1.7的范围内，SiNx层的折射率处于2.0至2.4的范围内，并且，SiOxNy层的折射率处于根据DIN在632nm的波长下测量的1.5至1.9的范围内。当SiNx层是SiNx双层时，优选地，第一SiNx层的折射率处于2.0至2.2的范围内，并且第二SiNx层的折射率处于2.2至2.4的范围内。当层堆叠包括第三SiNx层时，优选地，第三SiNx层的折射率处于2.0至2.2的范围内。在这些值的范围中，双面太阳能电池具有高的光耦入并且实现高的钝化作用。
优选地，层堆叠的总层厚度为至少95nm，优选地至少105nm，更优选地至少115nm，甚至更优选地至少120nm。因此，当从正面入射光和从后侧入射光时都实现了更高的空载电压和更高的效率。
优选地，SiOxNy层的层厚度大于SiNx层的层厚度。当SiNx层是SiNx双层时，优选地，SiOxNy层的层厚度等于或大于SiOx双层的层厚度。AlOx层的层厚度优选小于SiNx层的层厚度。在一种优选的实施例中，AlOx层的层厚度处于5至20nm的范围内，布置在AlOx层的背离衬底的一侧上的SiNx层的层厚度处于20至50nm的范围内，布置在SiOxNy层的背离衬底的一侧上的第三SiNx层的层厚度处于5至30nm的范围内，以及SiOxNy层的层厚度处于40至80nm的范围内。第一SiNx层的厚度优选地在20至40nm的范围内，并且第二SiNx层的厚度优选地处于10至30nm的范围内。第三SiNx层的厚度更优选地处于10至20nm的范围内。在这些值的范围中，双面太阳能电池具有高的光耦入并且实现高的钝化作用。
在一种优选的实施例中，背面的层堆叠由以下四层组成：布置在衬底上的AlOx层，布置在AlOx层的背离衬底的一侧上的第二SiNx层，布置在SiNx层的背离衬底的一侧上的第一SiNx层，以及布置在第一SiNx层的背离衬底的一侧上的SiOxNy层。在该实施例中，AlOx层的折射率优选处于1.5至1.7的范围内，更优选为1.6，第二SiNx层的折射率优选处于2.2至2.4的范围内，第一SiNx层的折射率处于2.0至2.1的范围内，以及SiOxNy层的折射率处于1.5至1.7的范围内，如上所测量的那样。
在另一种优选的实施例中，背面的层堆叠由以下五个层组成：布置在所述衬底上的AlOx层、布置在所述AlOx层的背离所述衬底的一侧上的第二SiNx层、布置在所述SiNx层的背离所述衬底的一侧上的第一SiNx层、布置在所述第一SiNx层的背离所述衬底的一侧上的SiOxNy层和布置在所述SiOxNy层的背离所述衬底的一侧上的第三SiNx层。在该实施例中，该AlOx层的折射率优选处于1.5至1.7的范围内，更优选为1.6，所述第二SiNx层的折射率优选处于2.2至2.4的范围内，所述第一和第三SiNx层的折射率处于2.0至2.1的范围内，并且所述SiOxNy层的折射率处于1.5至1.7的范围内，如上所测量的那样。如上面已经提到的那样，术语“层堆叠由所提及的层组成”是指，此外可以在背面的层堆叠上设置背面金属化部。
优选地，该层堆叠的总层厚度处于100至130nm的范围中，更优选地为125nm。由此，导致在双面太阳能电池的制造中的改善的耐膏开裂性。此外，定量地提供更多的氢用于表面和容积的化学钝化。同时，利用该层堆叠实现了对于来自背面的光入射的良好的光学(抗反射)特性(双面性>70％或效率>16％)。在将双面太阳能电池封装在太阳能模块中之后，背面的视觉印象与具有大约75-80nm厚的背面的层堆叠的双面太阳能电池相比是极其均匀的，所述背面的层堆叠由AlOx层(大约15-20nm的层厚度，1.6的折射率)和SiNx层(大约60nm的层厚度，2.05的折射率)组成。
相对于具有由AlOx层和SiNx层组成的双层的层堆叠的太阳能电池，具有四层的层堆叠的根据本发明的双面太阳能电池在从正面入射时具有较高的Voc(空载电压，+3mV)以及较高的η正面(正面效率，+0.2％)；在从背面入射时，与具有根据现有技术的两层的层堆叠的双面太阳能电池相比，甚至在具有四层的层堆叠的根据本发明的双面太阳能电池中测量了高达5mV的Voc(空载电压)增益和+0.8％的η背面(背面效率)。根据本发明的层堆叠的另一个优点是，双面太阳能电池相对于来自背面的PID的改善的耐受性。
本发明还涉及一种太阳能模块，其具有多个根据上述实施例中的一种或多种的双面太阳能电池。太阳能模块的效率得到提高。太阳能模块可以双面地或单面地构造。在后一种情况下，因此将双面太阳能电池布置在实际上用于单面电流获取的太阳能模块中。
双面太阳能模块具有如下特性，即，不仅将入射到正面上的光而且将入射到背面上的光用于发电。在双面太阳能模块中，透明的薄膜或玻璃被用作背面封装元件。因此，可以利用未被利用地穿过模块的光和来自在背面上的周围环境的反射光。单面太阳能模块具有的特性是，仅将入射到正面上的光用于发电。在单面太阳能模块中，使用具有小于2％的透射率的很大程度上不透光的背面封装元件。
在一种优选的实施例中，太阳能模块被构造为单面太阳能模块。此外优选地，太阳能模块具有白色的背面封装元件。由此可以实现高出约90mA的电流Isc(短路电流)(约1％相对)，并由此实现通常为2-3W峰值的较高的模块功率。
白色的背面封装元件在本发明的意义中是指如下背面封装元件，该背面封装元件在300至1200nm的波长范围中很大程度上是不透明的。因此，在使用白色的背面封装元件时，预期仅有小的光入射到双面太阳能电池上(<2％)。然而，本发明人在评估具有不同封装元件材料(玻璃-玻璃、玻璃透明的背面封装元件、玻璃-白色的背面封装元件)的单面和双面太阳能电池上的所谓的封装测量(电池-到-模块封装损失、Cell-To-Moduleencapsulation loss)之后发现，在从前方照明的情况下，即在光入射到正面上的情况下，与单面太阳能电池相比测量每个太阳能电池的大约1％更高的Isc电流(短路电流)，这在具有72个太阳能电池的太阳能模块的情况下在标准测试条件下产生大约2W更高的太阳能模块功率。
与单面太阳能电池相比，在双面太阳能电池中还节省了铝膏，因为仅大约10-20％的面被金属化。由此可以节省成本。
此外，已经发现，在双面太阳能电池中，与单面太阳能电池相比，获得更高的Jsc(短路电流密度)，这可能由于近IR范围(700-1200nm)中的辐射的反向反射在白色的背面封装元件处相遇所引起。该辐射然后再次耦入到双面太阳能电池中并且可以产生电荷载体。
本发明还涉及根据一个或多个所述实施例的双面太阳能电池的制造方法，其中在使用石墨舟作为晶片载体的管式PECVD设备中沉积由AlOx层、SiNx层和SiOxNy层组成的背面的层堆叠，并在同一个管中相继地涂覆这些层。
附图说明
本发明的其它特征和优点将结合附图示出并在下面通过示例的方式进行描述。附图示意性地并且不按比例地示出：
图1示出了根据现有技术的层堆叠；
图2a示出了一个根据本发明的层堆叠；
图2b示出另一个根据本发明的层堆叠；
图3a至3e示出在图2a中示出的根据本发明的层堆叠的变型方案；
图3f示出了在图2b中示出的根据本发明的层堆叠的变型方案；以及
图4和图5分别针对Jsc、Voc、FF和Eta示出了带有两个双面太阳能电池的比较的曲线图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的层堆叠。这种已知的层堆叠是双层地和在背面涂覆到衬底(未示出)上。层堆叠由布置在衬底(未示出)上的AlOx层1和布置在AlOx层1的背离衬底的一侧上的第一SiNx层2组成。AlOx层1具有如上所测量的1.6的折射率，以及16nm的层厚度。第一SiNx层2具有如上所测量的2的折射率2.05以及60nm的层厚度。因此，层堆叠的总层厚度为76nm。
图2a示出了根据本发明的层堆叠。根据本发明的层堆叠以四层的形式并且在背面被涂覆到衬底(未示出)上。层堆叠具有布置在衬底(未示出)上的AlOx层1，布置在AlOx层1的背离衬底的一侧上的SiNx双层2、3，以及布置在SiNx双层的背离衬底的一侧上的SiOxNy层4。SiNx双层2、3具有第一SiNx层2和第二SiNx层3，其中第一SiNx层2布置在第二SiNx层3的背离衬底的一侧上，并且第二SiNx层3布置在AlOx层1的背离衬底的一侧上。
AlOx层1具有如上所测量的1.6的折射率以及5至20nm的层厚度。第一SiNx层2具有如上所测量的处于2.0到2.2的范围内的折射率，并且具有在20至40nm的范围内的层厚度。第二SiNx层3具有如上所测量的处于2.1至2.4的范围内的折射率，并且具有在10至30nm的范围内的层厚度。SiOxNy层4具有如上所测量的在1.5到1.9的范围内的折射率，和在50到80nm的范围内的层厚度。因此，层堆叠的总层厚度为89至170nm，优选为110至140nm。
图2b示出另一个根据本发明的层堆叠。在图2b中示出的层堆叠对应于在图2a中示出的层堆叠，区别在于，在SiOxNy层4的背离衬底的一侧上还布置有第三SiNx层5。第三SiNx层5具有如上所测量的处于2.0至2.2的范围内的折射率，并且具有在10至20nm的范围内的层厚度。
图3a至3e示出在图2a中示出的根据本发明的层堆叠的变型方案。
图3a示出了根据图2a的背面的层堆叠，其中AlOx层1具有16nm的层厚度和1.6的折射率，第二SiNx层3具有40nm的层厚度和2.40的折射率，第一SiNx层2具有20nm的层厚度和2.05的折射率，SiOxNy层4具有60nm的层厚度和1.7的折射率。层堆叠的总层厚度为136nm。
图3b示出了根据图2a的背面的层堆叠，其中AlOx层1具有16nm的层厚度和1.6的折射率，第二SiNx层3具有20nm的层厚度和2.40的折射率，第一SiNx层2具有20nm的层厚度和2.05的折射率，SiOxNy层4具有70nm的层厚度和1.7的折射率。层堆叠的总层厚度为126nm。
图3c示出了根据图2a的背面的层堆叠，其中AlOx层1具有16nm的层厚度和1.6的折射率，第二SiNx层3具有20nm的层厚度和2.10的折射率，第一SiNx层2具有30nm的层厚度和2.05的折射率，SiOxNy层4具有50nm的层厚度和1.7的折射率。层堆叠的总层厚度为116nm。
图3d示出了根据图2a的背面的层堆叠，其中AlOx层1具有16nm的层厚度和1.6的折射率，第二SiNx层3具有20nm的层厚度和2.20的折射率，第一SiNx层2具有30nm的层厚度和2.05的折射率，SiOxNy层4具有50nm的层厚度和1.7的折射率。层堆叠的总层厚度为116nm。
图3e示出了根据图2a的背面的层堆叠，其中AlOx层1具有10nm的层厚度和1.6的折射率，第二SiNx层3具有20nm的层厚度和2.20的折射率，第一SiNx层2具有30nm的层厚度和2.05的折射率，SiOxNy层4具有80nm的层厚度和1.7的折射率。层堆叠的总层厚度为140nm。
图3f示出在图2b中示出的根据本发明的层堆叠的变型方案，其中AlOx层1具有16nm的层厚度和1.6的折射率，第一SiNx层2具有20nm的层厚度和2.05的折射率，第二SiNx层3具有20nm的层厚度和2.4的折射率，SiOxNy层4具有70nm的层厚度和1.5的折射率，并且第三SiNx层5具有10nm的层厚度和2.05的折射率。
图4和5分别示出了如下曲线图，在所述曲线图中进行了两个根据本发明的双面太阳能电池的短路电流密度(Jsc)、空载电压(Voc)、填充系数(FF)和效率(Eta)的比较。这些曲线图是所谓的具有中值(也被描绘为其附近的数字)以及上四分位和下四分位的框图。其是具有典型地上百个双面太阳能电池的组实验结果。
图4示出了具有用于在双面太阳能电池的正面照射的情况下的短路电流密度(Jsc)、空载电压(Voc)、填充系数(FF)和效率(Eta)的两个双面太阳能电池的比较的框图。B1表示图3B中所示的根据本发明的双面太阳能电池，并且C1表示图1中所示的根据现有技术的双面太阳能电池。如图4所示，与根据现有技术的双面太阳能电池相比，根据本发明的双面太阳能电池具有更高的短电流密度、高出约3mV的空载电压、更高的填充系数和高出约0.2％的效率。
图5示出了框图，所述框图针对在双面太阳能电池的背面照射时的短路电流密度(Jsc)、空载电压(Voc)、填充系数(FF)和效率(Eta)具有两个双面太阳能电池的比较。B1表示图3B中所示的根据本发明的双面太阳能电池，并且C1表示图1中所示的根据现有技术的双面太阳能电池。如图5所示，与根据现有技术的双面太阳能电池相比，根据本发明的双面太阳能电池具有高出约1.2mA/cm2的短路电流密度、高出5mV的空载电压、更高的填充系数和高出0.75％的效率。
附图标记列表
1 AlOx层
2 第一SiNx层
3 第二SiNx层
4 SiOxNy层
5 第三SiNx层。
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