双层SiNx/SiO2作为抗反射涂层，用于提高钝化发射极和背接触太阳能电池的光学和电学性能

《Energy Technology》：Dual-Layer SiNx/SiO2 as Antireflective Coatings for Optical and Electrical Enhancement in Passivated Emitter and Rear Contact Solar Cells

本研究比较了单层SiN_x和双层SiN_x/SiO_2抗反射涂层对PERC太阳能电池性能的影响。通过数值模拟发现，双层涂层可将转换效率（PCE）从21.59%提升至22.14%，主要归因于更优的光谱利用和载流子收集效率。实验验证了单层涂层的性能（PCE=21.10%），并指出双层涂层的反射损失降低和EQE提升，证实其潜在优势。

　　在当前全球能源结构转型的背景下，可再生能源技术正成为推动可持续发展的核心力量。其中，光伏技术作为重要的清洁能源解决方案，得到了广泛关注。硅基太阳能电池因其高转换效率、成本可控以及良好的稳定性，成为光伏市场的主要技术路线之一。近年来，通过引入先进的结构设计，如钝化发射极和背面接触（PERC）技术，太阳能电池的性能得到了显著提升。然而，如何进一步优化太阳能电池的光学与电学特性，仍然是科研与产业界关注的重点。本研究聚焦于抗反射涂层（ARC）对PERC太阳能电池性能的影响，通过比较单层硅氮化物（SiN?）ARC与优化的双层SiN?/SiO? ARC（DLARC）的性能，揭示了双层结构在提升光吸收和整体设备性能方面的潜力。

抗反射涂层在太阳能电池中扮演着关键角色，其主要功能是减少光在电池表面的反射，从而提高光子的吸收效率。传统的单层SiN?涂层虽然在一定程度上能够实现这一目标，但其在短波长区域（300–600 nm）的反射损失较高，限制了其在全光谱范围内的应用效果。相比之下，双层SiN?/SiO?结构通过优化各层的厚度和折射率，能够实现更广泛的光谱覆盖，并显著降低反射率。模拟结果显示，双层结构在短波长区域的反射率降低了约5%，这直接促进了外部量子效率（EQE）的提升，进而提高了短路电流密度（Jsc）和光电转换效率（PCE）。此外，实验验证表明，采用单层SiN? ARC的PERC电池实现了21.10%的PCE，这一结果与模拟预测高度一致，进一步验证了模型的可靠性。

从材料特性和结构设计的角度来看，双层SiN?/SiO? ARC的优化依赖于对层间光学特性的精确控制。SiN?的高折射率（n≈2.37）有助于实现更优的光阻抗匹配，而SiO?层则作为缓冲层，改善了光在界面处的干涉条件，从而增强光子的传输效率。通过数值模拟和实验验证，研究者发现，双层结构不仅在短波长区域表现出更优异的光吸收性能，还在整个可见光和近红外波段内实现了更均匀的吸收分布。这表明，双层ARC设计在提升太阳能电池的光捕获能力和减少光学损失方面具有显著优势。同时，实验中也发现了一些实际问题，如表面钝化不均匀、接触电阻和光子在SiN?层内的寄生吸收，这些因素可能影响最终的性能表现。

研究进一步探讨了双层结构对太阳能电池电气性能的影响。通过使用标准的AM1.5G光照条件进行模拟，结果表明双层结构能够有效提高短路电流密度和填充因子（FF），从而提升整体的光电转换效率。实验测量的J–V特性曲线也支持了这一结论，显示双层结构的性能优于单层结构。然而，实验中仍然存在一些与模拟结果的偏差，这主要归因于实际生产过程中难以完全复制理想的层间界面和厚度均匀性。因此，研究指出，为了进一步提高双层结构的性能，需要在材料选择、沉积工艺以及结构优化方面进行深入探索。

在实际应用中，抗反射涂层的性能直接影响太阳能电池的效率和稳定性。为了实现更高的PCE，研究建议采用更精细的材料调控策略，如调整SiN?和SiO?的厚度与折射率组合，以增强光子在电池内部的多次反射和吸收。此外，通过引入先进的沉积技术，如原子层沉积（ALD），可以实现更精确的SiO?层厚度控制，从而提升双层结构的性能。尽管如此，目前的实验数据表明，单层SiN? ARC仍然在某些方面表现良好，例如在实验中达到了接近模拟预测的PCE值，这说明单层结构在实际应用中仍然具有一定的可行性。然而，为了突破单层结构的局限，进一步探索双层结构的优化路径是必要的。

除了光吸收和电学性能的提升，研究还关注了抗反射涂层的长期稳定性问题。在实际使用中，太阳能电池需要经历各种环境条件，如温度波动、紫外线照射和机械应力。这些因素可能影响涂层的性能，进而影响整个电池的效率和寿命。因此，未来的研究方向应包括对双层结构在实际环境下的耐久性测试，以确保其在工业应用中的可靠性。同时，对不同材料组合的探索也具有重要意义，例如寻找具有更优光学特性和更低反射率的替代材料，以进一步提高太阳能电池的性能。

此外，研究还提到，尽管双层结构在模拟中表现优异，但在实验中仍需克服一系列技术挑战。例如，如何在大规模生产中实现SiO?层的均匀沉积，如何避免因厚度不均导致的光学干涉失效，以及如何优化涂层与电池表面的结合力，防止在长期使用中出现分层或脱落现象。这些问题需要在未来的实验和工艺优化中加以解决，以确保双层结构的性能能够稳定地应用于实际生产中。

本研究通过模拟与实验相结合的方式，系统地评估了单层和双层抗反射涂层对PERC太阳能电池性能的影响。结果显示，双层结构在多个方面表现出优势，包括降低反射率、提高光子吸收效率和改善电学性能。这些发现为未来太阳能电池的设计和制造提供了重要的理论支持和技术指导。通过优化涂层结构，可以有效提升太阳能电池的转换效率，推动其向更高性能方向发展。然而，研究也指出了一些潜在的挑战，如材料稳定性、沉积工艺的可控性以及实际生产中的成本问题。因此，未来的研究应进一步探索双层结构的优化路径，同时关注其在实际环境中的表现，以实现从实验室成果到商业应用的转化。

总的来说，本研究为PERC太阳能电池的抗反射涂层设计提供了新的思路和方法。通过对比单层与双层结构的性能差异，揭示了双层结构在提升光吸收和减少光学损失方面的潜力。尽管目前的实验数据仍存在一定偏差，但这些结果仍然为后续研究提供了重要参考。未来，随着材料科学和沉积技术的不断进步，双层抗反射涂层有望成为提升太阳能电池性能的关键手段，为可再生能源技术的发展提供更强有力的支持。