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

光伏（PV）組件的前玻璃表面上的透明抗反射膜（ARC）是一項成熟的技術，它通過減少空氣-玻璃界面的表面反射增加入射光的透射率，這樣就增強光的吸收而提高了太陽能電池的轉換效率。在文獻中可以找到有可能適用于PV的一些抗反射材料、膜結構和制備技術的評論。現在，ARC的商業應用已在基于c-Si的PV組件規模生產中實現。但是，把ARC應用于串結或多結薄膜太陽能電池的研究還很少見，大多是由于在ARC與薄膜太陽能電池制造工藝間的兼容性，以及抗反射光譜滿足子電池間的電流匹配要求的緣故。

本研究中，我們用簡單的制備方法（太陽能電池能很好適應的低溫150℃下），將同質單層ARC直接應用在a- Si:H/μc-Si:H串結薄膜太陽能電池上。采用這種寬帶抗反射性能為300-1100nm的ARC，我們證明硅基薄膜串結太陽能電池的轉換效率相對提高2.5%。此外，抗反射膜的鉛筆硬度大于‘5H’，表明其抗劃傷性能很好。功能膜的優秀抗反射性能及低溫制造工藝使其有用于提高PV組件轉換效率的巨大潛力。

實驗
用SnO2:F涂覆的前玻璃襯底（尺寸為140mmx140mmx3.2mm）用作樣品制備。薄膜a-Si:H/μc-Si:H串結太陽能電池用等離子增強化學氣相淀積（PECVD）制造，采用的激勵頻率為13.56MHz。串結是在p-i-n/p-i-n頂襯結構制造的，其中第一個i層由a-Si:H組成，第二個i層由μc-Si:H 組成。通過遮光掩膜制造多個有源面積約為50mm2的測試電池。一類抗反射方案是在電池樣品前側面旋涂。在空氣干燥10分鐘后，濕薄膜樣品在退火爐內以140℃、50分鐘熱固化。通過控制旋轉速度及時間，可以在低鐵玻璃襯底和太陽能電池樣品上分別得到厚度不同的鍍膜樣品。圖1示出了應用在硅基串結太陽能電池上的抗反射涂層示意圖。

ARC的厚度和硬度分別用橢圓譜儀和鉛筆硬度測試儀測量。用原子力顯微鏡（Agilent 5400AFM）觀察抗反射膜的表面形貌和粗糙度。光學透射譜用Perkin Elmer Lambda 750 UV/Vis/NIR 分光光度計在正入射處測量。測定抗反射涂層前后同一太陽能電池的電流-電壓（I-V）和外量子效率（EQE）特性。I-V測量在標準測試條件（STC，25℃，AM1.5G譜和1000W/m2）下進行。

結果和討論
表面形貌
用原子力顯微鏡（AFM）觀察低鐵玻璃上抗反射涂層的表面形貌，如圖2所示。圖像(a)和剖面(b)說明均方根（RMS）表面粗糙度為5.5nm，表面凸出小于2nm，涂層表面是平滑而致密的，即無孔的。

光學透射比
對于同質單層ARC，用折射率為n=(nans)1/2的ARC能增加光的透射比，其中n、na和ns分別是ARC、空氣和襯底的折射率，1/4波長光學厚度，即nd=λ/4，式中d是薄膜物理厚度，λ是入射光的目標波長。在本研究工作中我們在低鐵玻璃襯底上旋涂幾種ARC，它們有大致一樣的折射率，膜層厚度則不同，用橢偏光譜儀測量厚度。所有樣品的ARC鉛筆硬度均超過‘5H’，足以承受正常的刮擦。

圖3說明在光正入射時，350-1100nm范圍內覆蓋不同厚度ARC玻璃的透射光譜，與裸玻璃襯底的作出比較。用如下公式計算ARC覆蓋玻璃和裸玻璃的光透射比：

式中，T(λ)是分光光度計測出的光譜透射比，Sλ是空氣質量1.5（AM 1.5，ASTMG173-03）的太陽光線的相對光譜分布，Δλ是波長間隔。進而，根據公式[1]，定義寬帶（BW）抗反射為其不小于1.5，規定BW=λu/λl，其中λu和λl是指定光譜范圍的上邊界和下邊界。依據圖3，得到了寬帶抗反射性能，因為BW大于3。

計算出的不同波長范圍直射光透射比的相對增加結果示于圖4。在ARC厚度從d-20增加到d+30nm時，對于300-800nm、500-1100nm、300-1100nm所有范圍，抗反射效果呈現首先增加然后減少的類似趨勢，例外是，在 800-1100nm波長范圍內是逐漸增加的。在dnm處，樣品的抗反射效果是各厚度分組中最佳的，從最佳厚度dnm處的大偏離（即d-20nm和d+30nm）導致效果明顯小。厚度范圍（d-10nm，d+5nm）和（d+5nm和d+20nm）分別對提高上電池（300-800nm氛圍）和下電池（500-1100nm氛圍）的短路電流密度有好處，這里，d+5nm厚度的效果是依據圖4的趨勢內插得到的。當把上電池和下電池均考慮在內時，似乎d nm是最可取的厚度。

太陽能電池性能的改進
通過對用AM1.5G光譜權重后的EQE曲線積分，計算上電池和下電池的短路電流密度(Jsc)。準確的計算方法如下：
 

式中，e是電子電荷， λlower和λupper是波長范圍的下限和上限，F(λ)是太陽光光譜強度（每單位光譜間隔1m2面積內1秒中吸收的光子數），T(λ)uncoated和T(λ)coated分別是裸玻璃和有涂層玻璃的光透射譜。T(λ)uncoated和T(λ)coated用分光光度計測量。EQE(λ)uncoated是沒有ARC的太陽能電池的外量子效率，用QE測試儀測量，而EQE(λ)coated是有ARC的太陽能電池的外量子效率。

結合公式[2]和[3]，計算出Jsc，因ARC產生的Jsc相對增加量示于圖5，這里分別檢測上電池和下電池。將圖4與圖5比較，ARC厚度對Jsc提高的影響與太陽光權重的透射比的提高是符合得很好的，考慮到300-800nm和500-1100nm的透射比分別對上電池和下電池是重要的。ARC厚度＜dnm時，上電池的增加比下電池大；但是，ARC厚度＞d+10nm時，趨勢就逆轉。當ARC厚度范圍為d至d+5nm時，獲得的上、下電池的Jsc增加基本相當，這能很好地維持子電池間更可取的電流匹配。

目標厚度為d的抗反射膜涂覆在電池樣品上，位于空氣和前玻璃間界面上。涂覆前后太陽能電池的量子效率曲線示于圖6。很明顯，采用ARC時量子效率提高。相應地，上、下電池的短路電流密度分別提高0.25mA/cm2、0.23mA/cm2，表明很好地維持了電流匹配。如圖7所示，發現測得的量子效率曲線與計算的符合很好，證明本研究中所用的理論計算方法是正確的。

對于有無抗反射膜的太陽能電池來說，性能改善的主要指標（包括Voc、FF%、Jsc和CE%）以相對增加的形式列于表1。從表中可以看到，厚度d的抗反射膜使短路電流密度Jsc增加2.14%（4個樣品的平均值），而開路電壓Voc和填充因子FF%僅分別增加0.17%和0.4%。導致太陽能電池效率總的提高2.49%。效率的提高主要是短路電流密度增加的結果，如表1所示。這一結果與晶硅太陽能電池和聚合物光伏電池中分別采用的其他種類抗反射膜的研究結果是非常一致的。但是，這些抗反射膜或者要求高溫工藝（例如晶硅PV中用的ARC），或者制造成本很高。本研究中開發的低溫ARC膜顯示了提高效率方面的極佳效果，與低溫薄膜硅PV制造兼容，在商業化低成本生產方面有巨大潛力。

結論
本研究成功地把抗反射膜應用到a-Si:H/μc-Si:H串結薄膜太陽能電池，采用與Si薄膜PV組件制造兼容的低成本低溫（＜150℃）工藝。太陽光權重的透射比提高2%以上，這使短路電流密度增加2.14%，太陽能電池效率增加2.49%。上、下電池短路電流密度的提高能依靠調節ARC厚度優化，這為調整電流匹配提供了極為需要的靈活性，對提高多結太陽能電池轉換效率提供了較大空間。進一步優化抗反射涂層和太陽能電池結構可期望性能有更多提高。