晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)及原理【高教知識】

1、3. 結(jié)晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)與原理,1,全面分析,本章介紹典型晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其原理。通過學(xué)習(xí)本章，學(xué)生應(yīng)了解以下內(nèi)容： 晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)及其原理。 晶硅太陽能電池高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其原理。 晶體硅高效率硅太陽能電池的發(fā)展,本章主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)目標(biāo),2,硅的基本性質(zhì) 原子序數(shù)14，相對原子質(zhì)量28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體，屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。 晶體硅為鋼灰色，密度2.4 gcm3，熔點(diǎn)1420，沸點(diǎn)2355，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì),14Si,3.1 結(jié)晶硅太陽能電池的種類和結(jié)構(gòu),硅,3,硅的基本性質(zhì) 常溫下，只與強(qiáng)堿、氟化氫、氟氣反應(yīng) 高溫

2、下，較活潑,3.1 結(jié)晶硅太陽能電池的種類和結(jié)構(gòu),Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4 +2H2,Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2,4,晶硅為間接帶隙結(jié)構(gòu) 溫度T=300 K，Eg=1.12 eV 本征載流子濃度,3.1 結(jié)晶硅太陽能電池的種類和結(jié)構(gòu),輕摻雜 摻雜濃度為1017 cm-3,中度摻雜 摻雜濃度為10171019 cm-3,重?fù)诫s 摻雜濃度大于1019 cm-3,5,3.1.1 結(jié)晶硅太陽能電池的種類,結(jié)晶硅太陽能電池可以分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池 一般來說一個(gè)電池的輸出電壓為0.5V左右，最大輸出功率與有效面積有

3、關(guān)，一個(gè)效率為15%的電池輸出功率為1.5W左右， 為滿足需要，把很多電池并聯(lián)或串聯(lián)在一起，形成模組，若想得到更大效率輸出，則需要陣列,6,3.1.1 結(jié)晶硅太陽能電池的種類,單晶硅太陽能電池特點(diǎn)： 完整的結(jié)晶，易得到高效率 不容易產(chǎn)生光致衰退 發(fā)電特性穩(wěn)定，約有20年的耐久性 硅原料豐富 承受應(yīng)力強(qiáng),7,3.1.1 結(jié)晶硅太陽能電池的種類,多晶硅太陽能電池 多晶硅太陽能電池的效率為1316%，是目前市場上最主流的產(chǎn)品 多晶硅效率較低的原因 晶粒與晶粒間存在晶界，形成復(fù)合中心，減少自由電子數(shù)量 晶界的硅原子鍵合較差，易受紫外線破壞而產(chǎn)生更多的懸掛鍵，隨使用時(shí)間增加，懸掛鍵的數(shù)目增加，造成光電效

4、率劣化,本身雜質(zhì)比單晶硅多，且多半聚集在晶粒邊界，雜質(zhì)的存在使得自由電子與空穴不易移動(dòng),8,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),結(jié)晶硅電池的結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有PN結(jié)的光電器件。包括硅襯底、PN結(jié)結(jié)構(gòu)、支構(gòu)面、防反射層、導(dǎo)電電極與背面電極,9,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),襯底：襯底的作用是作為太陽能電池的承載。硅太陽能電池是以硅半導(dǎo)體材料為底材襯底。 襯底的選擇：一般來說,除了價(jià)格成本和來源難易外,根據(jù)不同用途,可從以下幾方面選擇: 1. 導(dǎo)電類型 P型硅用B作為摻雜元素，制成n+/p型太陽能電池； n型硅用P（或As) 為摻雜元素，制成p+/n型太陽能電池； 兩類電池性能相當(dāng)，但n+/p型

5、太陽能電池耐輻照性能優(yōu)于p+/n型太陽能電池，更適合空間應(yīng)用,10,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),一般是P型襯底。P型襯底中的少數(shù)載流子電子的擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散距離比N型中的少數(shù)載流子空穴要長，使用P型襯底可以得到較佳的光電流,2.電阻率 由原理可知，開路電壓隨著硅基板電阻率的下降（摻雜濃度的提高）而增加,11,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),3. 晶向、位錯(cuò)、壽命 一般要求單晶沿（111）晶向生長，切割下的硅片表面與（111）單晶平行。除了某些特殊情況外，晶向要求不十分嚴(yán)格。制成絨面太陽能電池需要晶向?yàn)椋?00）的單晶硅片，在不要求太陽電池有很高轉(zhuǎn)換效率的場合下，位錯(cuò)密度和少子壽命不做

6、嚴(yán)格要求。 4. 形狀、尺寸、厚度 空間應(yīng)用的硅太陽電池都為方形，以減少組合方陣的表面積。隨著工藝的進(jìn)步，向大面積、薄厚度、高效率方向發(fā)展，目前標(biāo)準(zhǔn)的電池尺寸是2x2cm2或2x4cm2等，基板厚度約為0.2mm,12,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),PN結(jié)結(jié)構(gòu) N+/P結(jié)的作用是形成一個(gè)最簡單的半導(dǎo)體器件。在光照條件下，電子/空穴的形成與移動(dòng)與該N+/P結(jié)的特性有極大關(guān)系。 N+與P層的摻雜量是很重要的器件設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)?N+與P層的摻雜量會決定耗盡層的大小及其電場強(qiáng)度 若N+與P層的摻雜量小，則表面再結(jié)合速率可以減小，但與電極的接觸電阻會變大從而增加串聯(lián)電阻 若N+與P層的摻雜量大，與

7、電極的接觸電阻會變小從而降低串聯(lián)電阻值，但表面再結(jié)合速率會變大,13,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),支構(gòu)面 支構(gòu)面的作用是通過光的散射與多重反射，提供更長的光路徑。因此，光子的吸收數(shù)目可以增多，以提供更多的電子-空穴對,14,支構(gòu)面通常通過在硅表面以化學(xué)侵蝕液形成（111）面微小四面體金字塔來構(gòu)成組織構(gòu)造。 各向異性腐蝕就是腐蝕速度隨單晶主要的不同晶向而變化，一般來說，晶面間的共價(jià)鍵密度越高，則該晶面族的各晶面連接越牢，也就越難腐蝕，因此在該晶面族的垂直方向上腐蝕速度越慢。反之，越容易腐蝕。由于（100）面的共價(jià)鍵密度比（111）面低，所以(100) 面腐蝕比(111) 面快,3.1.2

8、 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),100）硅片的各向異性腐蝕導(dǎo)致在表面產(chǎn)生許多密布的表面為（111）面的四面方錐體。形成絨面的硅表面,15,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),可通過不同途徑實(shí)現(xiàn)表面織構(gòu)化：晶體硅可通過腐蝕晶面的刃面來實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化 如果晶體硅表面是沿內(nèi)部原子排列的，則織構(gòu)化表面類似金字塔。商業(yè)單晶硅電池常用的手段。 另一種形式的織構(gòu)化：倒金字塔,16,對于多晶硅來說，不能采用上述兩種形式的織構(gòu)化，因?yàn)槎嗑Ч璞砻娌皇峭暾木妗?但可采取照相平版印刷、用激光機(jī)械雕刻前表面等方式實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化（下圖為照相平版印刷織構(gòu)化多晶硅表面,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),17,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能

9、電池的結(jié)構(gòu),防反射層 防反射層的功能是減少入射的可見光在硅器件的表面反射。需要防反射層的原因是由于硅材料在可見光到紅外線波段4001100nm的區(qū)域內(nèi)有相對于空氣較大的折射率3.56.0.也就是說，在可見光區(qū)域有接近50%，紅外線區(qū)域內(nèi)有30%的反射損失。在三層物質(zhì)的界面的電磁波反射系數(shù)R為： R= 2 0 . 2 2 + 0 . 2,18,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),通過在空氣與硅表面間置入一個(gè)特定折射率的介電層作為防反射層，能有效降低界面反射損失。防反射層的最佳折射率n及厚度d應(yīng)滿足： n= Si 0 =4nd 空氣折射率為1，而nsi=3.56，因此適當(dāng)?shù)姆婪瓷鋵拥恼凵渎蕁為1.

10、82.5。 所需厚度與擬防反射的光的波長有關(guān)。 常見的防反射層多半是絕緣性的介電材料，如SiN（n=2.1）、TiO2（n=2.3）、Al2O3（n=1.86）、SiO2（n=1.44,19,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),單晶硅太陽能電池在不同入射角與不同防反射材質(zhì)條件下的光反射率,20,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),上電極 上電極的作用是將移動(dòng)至表面的電子/空穴取出，以形成外部電流，提供給外部負(fù)載。由于電極與硅材料接觸，為了降低串聯(lián)電阻，電極與硅材料必須是良好的歐姆接觸，既是電壓與電流的線性關(guān)系。 在上表面，光照面的電極多由數(shù)條主要的主柵所組成。設(shè)計(jì)電極有兩個(gè)考慮是互相沖突的：

11、為了讓移動(dòng)至表面的電子/空穴容易到達(dá) 電極端，以減少電子/空穴在表面再復(fù)合的 幾率，理論上電極面積需較大 為了避免典型金屬電極阻擋光的入射并造成 光的反射，電極所占面積應(yīng)越小越好,21,電極圖形設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)原則是使電池的輸出最大。要兼顧兩個(gè)方面：使電池的串聯(lián)電阻盡可能小，電池的光照作用面積盡可能大,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),22,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),電極材料的選擇 能與 硅形成牢固的接觸; 這種接觸應(yīng)是歐姆接觸，接觸電阻??； 有優(yōu)良的導(dǎo)電性； 純度適當(dāng)； 化學(xué)穩(wěn)定性好； 容易被鎢、鉭、鉬制成的電阻加熱器蒸發(fā)； 容易焊接，一般都要求能被錫焊； 價(jià)格較低,23,3.1.2

12、結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),24,3.1.2 結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu),背面電極 背面電極（或稱下電極或底電極）的主要功能是移動(dòng)至下表面的電子/空穴取出，以形成外部電流提供給外部負(fù)載。背面電極的另一個(gè)功能是提供背向表面電場。 由于背面電極多為鋁金屬，在燒結(jié)過程中，鋁原子會進(jìn)入到硅材料中作為摻雜，因此造成硅材料在接面處為重?fù)诫s結(jié)構(gòu)，在P+區(qū)形成的高勢壘將防止方向錯(cuò)誤的電子進(jìn)入到底電極，因此可提高開路電壓Voc。 背電場技術(shù)是一項(xiàng)極為有效的措施，它對高電阻率（如10歐姆厘米）襯底的硅太陽能電池效率的提高更為明顯。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15%-20%左右,25,3.2 晶硅太陽能電池技術(shù)的發(fā)展,3.2.

13、1 早期的硅太陽能電池 1941年，首個(gè)基于“生長結(jié)”的光伏器件被報(bào)道，如下圖a所示。分析認(rèn)為這種電池效率小于1,1952年，Kingsbury提出了一種更好的控制結(jié)形成的方法。（圖b） 1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室采用鋰擴(kuò)散成結(jié)，轉(zhuǎn)換效率為4.5,26,3.2.2 傳統(tǒng)的空間電池,主要特點(diǎn)包括： 用10*cm的P型硅襯底來獲得最大的抗輻射能力。 使用40/方塊電阻，0.5m結(jié)深的擴(kuò)散，防止在上電極金屬化工程中引起的pn結(jié)漏電,后期：添加鈀中間層，提高防潮性；鍍SIO減反射；制作鋁背場,27,3.2.3 背面場,Cumerow首次把Shockley的擴(kuò)散理論應(yīng)用到光電能量轉(zhuǎn)換器件之中，論述了少數(shù)載流

14、子的反射邊界條件并強(qiáng)調(diào)了減薄電池的重要性,Wolf隨后論述了內(nèi)電場對電池電流收集能力的影響，以及可由梯度摻雜產(chǎn)生內(nèi)電場等概念。 20世紀(jì)70年代初，鋁背場的優(yōu)勢逐漸被發(fā)掘。 鋁背場在提高開路電壓、短路電流以及轉(zhuǎn)換效率方面都有著積極的作用,28,3.2.3 背面場,如果太陽電池的厚度超過100um，由于背表面的復(fù)合作用不明顯，因而沒有必要利用BSF結(jié)構(gòu)，但對于薄膜電池，BSF效果就非常明顯了,29,3.3.4 紫電池,紫外光太陽能電池是為了防止太陽能電池的表面（受光面）由于載流子的復(fù)合而使效率減小的電池,紫電池采用很淺的擴(kuò)散結(jié)，避免“死層”的形成,30,3.3.4 紫電池,紫外光電池的淺結(jié)也會帶

15、來兩個(gè)新問題： 采用淺結(jié)會提高表面薄層擴(kuò)散電阻R，必然使電池的串聯(lián)電阻Rs增大，加大功率損失。所以用“密柵”措施進(jìn)行補(bǔ)救。 應(yīng)選擇合適的減反膜與淺結(jié)密柵結(jié)構(gòu)相配合，才能有效地提高短波光譜響應(yīng)。例如：用SiO2膜作減反膜，則它對0.4m以下波長的光有較大的吸收，而使總的短波光譜響應(yīng)的提高仍然受到影響。若改用Ta2O5膜或用ZnS/MgF雙層減反膜，都可以得到較好的結(jié)果 因而與常規(guī)電池相比，紫外光太陽能電池具有淺結(jié)、密柵及“死層”薄的特征（如前圖(b)所示），這種電池對短波長的光有特別高的靈敏度,31,3.3.5 黑體電池,表面制絨，形成類似金字塔結(jié)構(gòu)，降低表面反射率。 光在金字塔表面向下方反射，

16、增加一次光被吸收的機(jī)會 光程增大。 更多的捕獲光,32,3.3.5 黑體電池,33,3.3.6 鈍化,鈍化工藝是制造高效太陽電池的一個(gè)非常重要的步驟。 沒有進(jìn)行鈍化的太陽電池，光生載流子運(yùn)動(dòng)到一些高復(fù)合區(qū)域后，如表面和電極接觸處，很快就被復(fù)合掉，從而嚴(yán)重影響電池的性能。 采取一些措施對這些區(qū)域進(jìn)行鈍化后可以有效地減弱這些復(fù)合，提高電池效率。一般來說，高效太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化,34,3.3.6 鈍化,鈍化技術(shù)-體內(nèi)鈍化方案 將雜質(zhì)移動(dòng)到無害位置（鋁背場、發(fā)射區(qū)） 用氫鈍化懸掛鍵，這些懸掛鍵位于晶粒邊界、位錯(cuò)附近,35,3.3.6 鈍化,鈍化技術(shù)-體

17、內(nèi)鈍化方案,36,3.3.6 鈍化,鈍化技術(shù)-表面鈍化 表面鈍化，對裸露于太陽光照下的單晶硅太陽電池的表面，重要性不言而喻。 采用熱氧化工藝，可很方便得到所需的表面鈍化結(jié)果。但SiO2的折射率過低，很難同時(shí)滿足高效電池有效減反和表面鈍化的雙重作用的要求。 以熱氧化方式鈍化，氧化層必須很薄（幾個(gè)nm)。熱氧化生長的氧化硅作為表面鈍化層,37,3.3.6 鈍化,表面鈍化電極區(qū)域鈍化 電極和半導(dǎo)體表面接觸區(qū)域都是高復(fù)合區(qū)，如果電極處電子運(yùn)動(dòng)完全暢通，則電池性能最優(yōu)，有三種技術(shù)： 在電極區(qū)形成一個(gè)重?fù)诫s區(qū)域?qū)⑸僮雍碗姌O區(qū)域隔離開來而達(dá)到鈍化結(jié)果，目前絕大多數(shù)高效電池都采用這種設(shè)計(jì)。 盡可能縮小電極區(qū)來

18、降低電極的影響，目前絕大多數(shù)的高效電池采用了這種做法。 采用一種電極接觸模式，使其本征的電極區(qū)復(fù)合較小。如下圖MINP電池,38,3.3.6 鈍化,表面鈍化電極區(qū)域鈍化 電極區(qū)域鈍化,MINP電池（金屬-絕緣體-np結(jié)），一種類似MIS結(jié)構(gòu)的接觸模式，這層薄的氧化層位于金屬電極下面，可以有效降低其復(fù)合速率,PESC（鈍化發(fā)射極電池）將電池的轉(zhuǎn)換效率又提高了一步，PESC的電極是直接在氧化薄層上的細(xì)槽中制成，是通過縮小電極區(qū)面積來增強(qiáng)電極區(qū)鈍化的效果,39,5.7.6 鈍化,表面鈍化電極區(qū)域鈍化 將表面制絨和PESC方法優(yōu)勢相結(jié)合，使硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率在非聚光狀態(tài)下達(dá)到了20% 以上,40,3

19、.3.6 鈍化,表面鈍化-電極區(qū)域鈍化 使電池性能得到更重要突破的是上下表面及電極區(qū)鈍化的電池,采用CZ硅晶片的PERL電池，最高效率可達(dá)21.7，若採用FZ硅晶片，PERL電池目前最高的效率可達(dá)24,發(fā)射極鈍化背面局部擴(kuò)散（PERL）太陽電池,41,3.3.6 鈍化,效率24% PERL的主要改善：在更薄的氧化物上使用雙層減反膜以提高短路電流密度；利用對上層氧化和局部點(diǎn)接觸的退火過程以增加開路電壓；改善背表面的鈍化和降低金屬化接觸電阻以增加填充因子,42,3.3.6 鈍化,新南威爾士大學(xué)PERL電池24.7%（25,北京太陽能研究所高效電池19.8,43,3.4 高效太陽能電池,3.4.1

20、高效率單晶硅太陽能電池 埋柵電極太陽能電池 特點(diǎn)是利用激光在金屬電極接觸位置刻蝕出2050um深的溝槽結(jié)構(gòu)，將金屬電極利用電鍍方式埋入溝槽之中以減少金屬電極的遮蔽效應(yīng)，從而降低串聯(lián)電阻，效率可達(dá)21.3%，其大面積模塊效率可達(dá)17.518,埋柵電池是為克服絲網(wǎng)印刷電池的缺陷而開發(fā)的。該電池最有特色的設(shè)計(jì)在于金屬化是嵌入電池表面的一系列狹窄槽內(nèi),44,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,性能分析 埋柵電池效率高的原因如下： 由于金屬柵線導(dǎo)電性更好，與槽內(nèi)重?cái)U(kuò)散區(qū)的接觸電阻更小，所以填充因子更高 表面頂層較高的薄層電阻，加上表面極好的氧化層鈍化和由槽內(nèi)重?cái)U(kuò)散提供的電極區(qū)鈍化，使得埋柵電池的電壓更高

21、。 電流高，是由于表面遮光面積相對較少,45,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,鈍化發(fā)射極背面全擴(kuò)散太陽能電池（PERT） 此項(xiàng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是多數(shù)載流子在邊界上會有復(fù)合的問題，在經(jīng)過局部及全部雙重?cái)U(kuò)散后，有明顯改善。利用浮區(qū)生長法制造的硅晶片制成的硅基太陽能電池效率可達(dá)到24.2,46,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,鈍化發(fā)射極背部局部擴(kuò)散太陽能電池（PERL） 1990年，新南威爾士大學(xué)的J.ZHAO在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池，如圖所示。2001年，PERL電池效率達(dá)到24.7%，接近理論值，是迄今為止的最高記錄,47,

22、3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，其特征如下： 該結(jié)構(gòu)采用逆金字塔構(gòu)造來增加吸收光線，搭配氟化鎂與硫化鋅雙重反射層的涂布來增加光線吸收，可增加3%的電流 利用熱氧化鈍化硅表面邊界，以避免移動(dòng)載流子在邊界復(fù)合。背部局部擴(kuò)散的設(shè)計(jì)形成了后表面電場，反彈少數(shù)載流子并增加多數(shù)載流子 在接觸位置使用硼摻雜以降低接觸電阻，但早期的固體摻雜使得載流子的壽命下降，所以使用BBr3液態(tài)源摻雜，采用局部擴(kuò)散的設(shè)計(jì)，避免了多數(shù)載流子在邊界上的復(fù)合。 逆金字塔結(jié)構(gòu)在接近90度的光線反射率，遠(yuǎn)低于其他各種結(jié)構(gòu)。接近90度入射光，在支構(gòu)表面多形成逆金塔結(jié)構(gòu)，但其在硅表面邊界的鈍化是需要克服的難

23、題,48,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,20世紀(jì)90年代后，新南威爾士大學(xué)持續(xù)對鈍化反射極背部局部擴(kuò)散太陽能電池進(jìn)行了一下的研究和改良 氫原子鈍化，以避免移動(dòng)載流子在硅表面邊界復(fù)合，采用鋁與二氧化硅中的氫原子，進(jìn)行370度的熱退火處理 改變線寬以提供低的遮光比例，也減少了接觸所造成的復(fù)合情形，并且提供高的開路電壓 使用PBr3進(jìn)行射極端的擴(kuò)散，提升開路電壓 使用PBr3進(jìn)行射極端的擴(kuò)散，以減少側(cè)面電阻,49,5.8.1 高效率單晶硅太陽能電池,PERL電池的光學(xué)特征 倒金字塔結(jié)構(gòu)使大多數(shù)入射光在達(dá)到金字塔的一個(gè)壁面時(shí)，多數(shù)光在第一個(gè)入射點(diǎn)即能進(jìn)入電池內(nèi)部。部分的反射光又能再次向下反射，確

24、保其至少有兩次機(jī)會進(jìn)入電池中。一些靠近金字塔底部的入射光則有三次進(jìn)入電池的機(jī)會。金字塔覆蓋著一層厚度適宜的氧化層作為減反膜 光進(jìn)入電池后，在朝著電池背面行進(jìn)的過程中大部分能被吸收，殘存的未被吸收的長波段的入射光在達(dá)到背面時(shí)會被反射回來，這是由于背面氧化層搜行蒸鍍了一層鋁之后，能形成一個(gè)有效的反射系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的反射效果取決于光的入射角度和氧化膜的厚度 電池體內(nèi)的入射光從背面被再一次反射回上表面。部分光在碰到表面,50,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,金字塔反方向的斜面時(shí)，又被重新反射回電池中，而大部分光從電池逃逸。光在碰到金字塔的其他面時(shí)的反射全部為內(nèi)反射。這也致使反射到上表面的一半的光被

25、再反射回電池背電極 倒金字塔和背面反射的相互結(jié)合形成了有效的陷光結(jié)構(gòu)。可增加吸收光在電池里傳播的長度。測得的有效光程增長40倍以上，陷光結(jié)構(gòu)能明顯地改善電池的紅外響應(yīng) 其他的光學(xué)損失是由于電池頂端金屬柵線的反射或吸收所致。盡可能地縮小柵線的寬度可以使光學(xué)損失降到最少，理想的情況下是得到盡可能大的高寬比,51,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,PERL電池的復(fù)合特性 體復(fù)合 PERL電池表面的擴(kuò)散情況不均勻，可將電池分為電極區(qū)與無電極的表面區(qū)。盡可能選擇高質(zhì)量的材料以降低體內(nèi)的復(fù)合，材料的質(zhì)量通常可用少子壽命的大小來判斷。一般而言，襯底摻雜濃度越低，少子壽命越高。復(fù)合速率的變化量受摻雜補(bǔ)償?shù)挠?/p>

26、響，即摻雜濃度越高，確定電壓下少數(shù)載流子濃度越低。復(fù)合速率由摻雜濃度和載流子壽命所決定。 表面復(fù)合 通過生長一層高質(zhì)量的熱氧化層可以將表面非接觸區(qū)域的復(fù)合速率降到最低,52,3.4.1 高效率單晶硅太陽能電池,電極處內(nèi)的復(fù)合 在電池表面和電極金屬接觸的區(qū)域存在很高的復(fù)合。 為了降低這種復(fù)合， 一是盡可能地降低電極接觸面積， 二是在金屬接觸區(qū)域進(jìn)行重?fù)诫s，這樣可以有效抑制這些接觸區(qū)域的少數(shù)載流子的濃度，從而降低表面復(fù)合率,53,3.4.2 具有本征薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽能電池,制造過程,上圖為日本三洋電機(jī)開發(fā)出的非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其具有單晶硅的穩(wěn)定性與高效率，更具備了全程以低溫制作的優(yōu)點(diǎn)

27、,54,3.4.2 具有本征薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽能電池,制備流程和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)制備流程，以PECVD制備取代高溫?fù)诫s之類來制作PN結(jié) 利用表面有金字塔構(gòu)造的柴式結(jié)晶法，以等離子體輔助化學(xué)氣相沉積在正面制作一層i層與重?fù)诫sP層以形成PiN結(jié) 在背面生長一層i層與重?fù)诫sN+層，形成后表面電場的效果 其中，i層可以填補(bǔ)非晶硅與多晶硅接面處發(fā)生的缺陷，增加轉(zhuǎn)換效率。 相較于傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池，其具有的優(yōu)點(diǎn)如下： 無需高溫爐管制備，可降低生產(chǎn)耗能并縮短制備時(shí)間 借助非晶硅材料的高帶隙特性，可有效增加短波長光的利用 與傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池相比，其具有較高的轉(zhuǎn)換效率,55,3.4.2 具有本征薄膜的異質(zhì)

28、結(jié)太陽能電池,效率改善趨勢 第一階段-PN結(jié)基本結(jié)構(gòu) 第二階段-非晶硅本征層的引入 第三階段-雙面非晶硅本征層的引入 第四階段-背面透明導(dǎo)電層的引入,56,3.4.2 具有本征薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽能電池,關(guān)鍵技術(shù) 效率從12.3%提高至23%，關(guān)鍵在于采取了以下措施： 改善制備條件，從而降低單晶硅電池形成非晶硅薄膜時(shí)的損傷，以減少載流子的再復(fù)合，開路電壓Voc可從原來的0.725V提高到0.729V 抑制非晶硅薄膜和透明導(dǎo)電膜各自的光吸收，減少了光吸收損失，短路電流密度Jsc從原來的39.2mA/cm2提高到39.5mA/cm2 降低電極材料的電阻，以減少電阻損耗，填充因子從原來的0.791提高到

29、了0.80,57,3.4.3 球狀硅基太陽能電池,球狀硅基太陽能電池的特點(diǎn)是： 球狀硅基太陽能電池使用的硅材料量大約為硅晶圓材料的1/5 新式的球狀硅基太陽能電池加上反射鏡，硅材料使用量可進(jìn)一步降低到1/10 Ritsumeikan University模擬指出，在無防反射層條件下，附有四倍聚光反射鏡的球狀硅基太陽能電池經(jīng)理論計(jì)算：開路電壓Voc=709mV，短路電流密度Jsc=40.9mA/cm2，填充因子FF達(dá)到82.7%，效率約為12.4,58,3.4.3 球狀硅基太陽能電池,球狀硅基太陽能電池典型制作流程與步驟： P型硅球的制作 PN結(jié)的制作 PN結(jié)的分離 電極的制作 缺陷的鈍化保護(hù)

30、防反射層的制作 反射鏡的制作,59,3.4.3 球狀硅基太陽能電池,制備上存在的問題 即使鍍上防反射層，目前實(shí)際所制造的球狀硅基太陽能電池的效率為10.4%，與理論計(jì)算所得的12.4%相比仍有一段改善空間，這主要是由于制備上的問題引起的，簡單說明如下： 硅球的結(jié)晶與品質(zhì)：冷卻的技術(shù)較難控制硅球的結(jié)晶特性，此外形成的硅球?yàn)槎嗑匦?，晶界與缺陷的控制與鈍化需進(jìn)一步改善 更完美的球狀硅的制作，在硅球制作時(shí)，熔融硅跌落的距離、加壓壓力與接觸的襯底的性質(zhì)差異等，造成硅球并非完美的球體 更基準(zhǔn)的硅球定位組裝：硅球需放置在反射鏡的正中央方能得到理想的聚光效果，反之將造成聚光的偏差，導(dǎo)致光電流的降低,60,3

31、.4.4 六邊形晶圓封裝模塊,右圖所示為可降低切損的六邊形晶圓封裝模塊，這是2008年9月在西班牙舉辦的第23屆太陽能電池展覽會上，日本三洋公司提出的新單晶封裝模塊。該模塊的特點(diǎn)是電池排列方式類似蜂巢狀的配置，而非以往常見的矩陣，其具有以下優(yōu)點(diǎn)： 較高的封裝密度：六邊形晶圓封裝模塊幾乎填滿整個(gè)模塊面積，因此更能減少應(yīng)用太陽能電池時(shí)所需要的面積 較少的切損：目前多數(shù)硅基太陽能電池的硅晶片都是切成四邊后使用，雖然可以填滿整個(gè)模塊，但切邊造成的損失比例仍較高。而六邊形晶圓需要切下的晶圓面積大幅降低,更高的效率：由于可以使用圓形單晶圓，因此該模塊技術(shù)適用于利用單晶片具有本征薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽能電池，效率

32、將高于一般標(biāo)準(zhǔn)模塊,61,3.5 太陽能電池效率分析,高效的太陽能電池要求有高的短路電流、開路電壓與填充影子。 3.6.1 材料帶隙寬度 在對光生電流Isc的分析中發(fā)現(xiàn)，對效率有貢獻(xiàn)的是那些被電池吸收能產(chǎn)生電子-空穴對的光子。 帶隙寬度Eg是入射光譜進(jìn)入電池的下限，與太陽光譜利用率有密切的關(guān)系。 小的帶隙寬度可以拓寬電池對太陽光譜的吸收，但Eg的減小使本征載流子濃度ni指數(shù)地增加，其結(jié)果是大大提高反向飽和電流，使開路電壓降低。因此，小的Eg引起輸出電壓的減少。 雖然寬的帶隙有利于Voc的提高，但過高的帶隙寬度使材料的吸收光譜變窄，降低了載流子的激發(fā)，減少光電流。 因此帶隙寬度太窄或太寬都會引起

33、效率的下降，必存在優(yōu)化的Eg值,62,3.5.1 材料帶隙寬度,為了對能隙寬度如何影響電池效率有定性的認(rèn)識，用最簡單的假設(shè)簡化計(jì)算。設(shè)： 電池表面無光反射，認(rèn)為短路電流與入射電流相等Isc=Iinc，Voc=1/qEg及FF=1等。理論計(jì)算給出了如下圖所示的電池轉(zhuǎn)換效率隨帶隙寬度的變化。結(jié)果表明Eg在0.81.6eV范圍有較高的效率輸出，48%的最大效率發(fā)生在Eg=1.1eV處,硅帶隙1.12eV,63,3.5.2 少數(shù)載流子壽命,長的少子壽命可制備高性能的電池。 右圖為基區(qū)（基體材料稱為基區(qū)層,簡稱基區(qū)）少子壽命對電池Isc，Voc及FF的影響。 當(dāng)基區(qū)少子擴(kuò)散長度遠(yuǎn)小于基區(qū)厚度， = 01

34、, = 2,少子，即少數(shù)載流子。少子壽命指少子的平均生存時(shí)間，壽命標(biāo)志少子濃度減少到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。對太陽能電池來說，少子壽命越短，電池效率越低,64,3.5.2 少數(shù)載流子壽命,小的Ln導(dǎo)致大的飽和電流，從而降低Voc。另一方面，低擴(kuò)散長度的載流子，在基區(qū)的輸運(yùn)過程中基本上被復(fù)合了，擴(kuò)散不到背電極，因此無論Isc或Voc均很小。顯然隨少子壽命增加，Isc、Voc及FF均相應(yīng)增加。 圖中的虛線對應(yīng)的少子載流子壽命為25.7us，它相當(dāng)于Ln=Wp。圖的右側(cè)是LnWp ，Isc隨少子壽命增加趨勢更加明顯。當(dāng)LnWp，載流子基本上都能擴(kuò)散到背電極，Isc趨向飽和,65,3.5.2 少數(shù)載流子壽命,非平衡載流子復(fù)合是決定少子壽命的關(guān)鍵因素。 在諸多復(fù)合機(jī)制中，通過深缺陷能級的復(fù)合是主要復(fù)合過程。體材料的深能級往往是制備過程中引進(jìn)的。 下圖給出了晶體硅中金屬雜質(zhì)濃度對電池相對效率影響的分析,電池效率對于如Ta、Mo、Nb、W、Ti、及V等金屬是極為靈敏的。含量只要達(dá)10-5ppm，電池效率就有明顯下降。 相對而言，對有些金屬，電池效率的靈敏程度較為減小，如P、Cu、Ni、Al等,66,3.5.