硅太陽能電池的設(shè)計(jì)課件

2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)1第四章：

硅太陽能電池的設(shè)計(jì)§4.1基礎(chǔ)太陽能

電池設(shè)計(jì)§4.2光學(xué)設(shè)計(jì)§4.3復(fù)合效應(yīng)的

降低§4.4電阻損耗§4.5太陽能電池

的結(jié)構(gòu)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)1第四章：

硅太陽能電池的設(shè)計(jì)§2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)2

太陽能電池的設(shè)計(jì)包括明確電池結(jié)構(gòu)的參數(shù)以使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，以及設(shè)置一定的限制條件。這些條件由太陽能電池所處的制造環(huán)境所決定。例如，如果用于商業(yè)，即以生產(chǎn)最具價(jià)格優(yōu)勢(shì)的電池為目標(biāo)，則需要著重考慮制造電池的成本問題。然而，如果只是用于以獲得高轉(zhuǎn)換效率為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，則主要考慮的便是最高效率而不是成本?！?.1.1

基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)2太陽能電池的2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)3§4.1.1

基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)硅太陽能電池效率的演變2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)3§4.1.1基礎(chǔ)太陽能2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)4§4.1.1

基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)

理論上，光伏電池的最高轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到90%以上。然而，這一數(shù)字的獲得是以幾個(gè)假設(shè)為前提的，這些假設(shè)在實(shí)際上很難或根本不可能達(dá)到，至少在現(xiàn)今人類的科技水平和對(duì)器件物理的理解上很難達(dá)到。對(duì)于硅太陽能電池來說，其在一個(gè)太陽照射下，比較實(shí)際的理論最高效率值大約為26%-28%。現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的硅太陽能電池的最高效率為24.7%。

理論值與實(shí)際測(cè)量值之間的差距主要來自兩個(gè)方面因素。首先，在計(jì)算理論最大效率時(shí)，人們假設(shè)所有入射光子的能量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁帶寬度與其能量相等的材料吸收了。為了獲得這種理論效果，人們想出一種由無限多層材料禁帶寬度不同的電池疊加在一起的模型，每一層都只吸收能量與其禁帶寬度相等的光子。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)4§4.1.1基礎(chǔ)太陽能2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)5

第二個(gè)因素是假設(shè)入射光有高聚光比。并假設(shè)溫度和電阻效應(yīng)對(duì)聚光太陽能電池的影響很小，而光強(qiáng)的增加能適當(dāng)增加短路電流。因?yàn)殚_路電壓VOC受短路電流的影響，VOC隨著光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)上升。再者，因?yàn)樘畛湟蜃右搽S著VOC的提高而提高，所以填充因子同樣隨著光強(qiáng)的增加而提高。因光強(qiáng)的增加而額外上升的VOC和FF使聚光太陽能電池獲得更高的效率。

為獲得最高效率，在設(shè)計(jì)單節(jié)太陽能電池時(shí)，應(yīng)注意幾項(xiàng)原則：

1.提高能被電池吸收并生產(chǎn)載流子的光的數(shù)量。

2.提高pn結(jié)收集光生載流子的能力。

3.盡量減小黑暗前置電流。

4.提取不受電阻損耗的電流。§4.1.1

基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)5第二個(gè)因素2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)6被頂端電極所阻擋表面反射被電池的背面反射

光的損耗主要以降低短路電流的方式影響太陽能電池的功率。被損耗的光包括本來有能力在電池中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，但是被電池表面反射走的光線。對(duì)于大多數(shù)太陽能電池來說，所有的可見光都能產(chǎn)生電子空穴對(duì)，因此它們都能被很好地吸收?！?.2.1

光學(xué)特性

光的損耗2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)6被頂端電極所阻擋表面反射被電池的2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)7有很多減少光損失的方法：盡量使電池頂端電極覆蓋的面積達(dá)到最?。ūM管這樣可能導(dǎo)致串聯(lián)電阻的增加）。這一點(diǎn)在串聯(lián)電阻一節(jié)中有詳細(xì)討論

。在電池上表面加減反射膜表面制絨增加電池的厚度以提高吸收（盡管任何在與pn結(jié)的距離大于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域被吸收的光，都因載流子的復(fù)合而對(duì)短路電流沒有貢獻(xiàn)）通過表面制絨與光陷阱的結(jié)合來增加電池中光的路徑長(zhǎng)度§4.2.1

光學(xué)特性

光的損耗2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)7有很多減少光損失的方法：2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)8

加在太陽能電池上表面的減反射膜與在其他光學(xué)器件（如相機(jī)鏡頭）上的膜相似。它們包含了一層很薄的介電材料層，膜的厚度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，光在膜間發(fā)生干涉效應(yīng)，避免了像在半導(dǎo)體表面那樣被反射出去。這些避免被反射出去的光與其它光發(fā)生破壞性干擾，導(dǎo)致被反射出電池的光強(qiáng)為零。除了減反射膜，干涉效應(yīng)還能在水面上的油膜上看到，它能產(chǎn)生彩虹般的彩色帶?！?.2.2

光學(xué)特性

減反射膜2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)8加在太陽能2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)9§4.2.2

光學(xué)特性

減反射膜使用厚度為四分之一波長(zhǎng)的減反射膜來減少表面反射。(a)破壞性干涉導(dǎo)致反射光為零(b)建設(shè)性干涉導(dǎo)致所有的光都被反射所有光傳入半導(dǎo)體沒有光傳入半導(dǎo)體2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)9§4.2.2光學(xué)特性2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)10

減反射膜的厚度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，剛好為入射光波長(zhǎng)的四分之一。計(jì)算過程如下，對(duì)于折射率為n1的薄膜材料，入射光真空中的波長(zhǎng)為λ0，則使反射最小化的薄膜厚度為d1=λ0/(4n1)

如果減反射膜的折射率為膜兩邊的材料的折射率的幾何平均數(shù)，反射將被進(jìn)一步降低。即§4.2.2

光學(xué)特性

減反射膜2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)10減反射膜的2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)11§4.2.2

光學(xué)特性

減反射膜盡管，通過上面的公式，選用相應(yīng)厚度、折射率的膜和相應(yīng)波長(zhǎng)的光，能使反射的光減少到零，但是每一種厚度和折射率只能對(duì)應(yīng)一種波長(zhǎng)的光。在光伏應(yīng)用中，人們?cè)O(shè)計(jì)薄膜的厚度和反射率，以使波長(zhǎng)為0.6μm的光的反射率達(dá)到最小。因?yàn)檫@個(gè)波長(zhǎng)的能量最接近太陽光譜能量的峰值。如果鍍上多層減反射膜，能減少反射率的光譜范圍將非常寬。但是，對(duì)于多數(shù)商業(yè)太陽能電池來講，這樣的成本通常太高。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)11§4.2.2光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)12§4.2.2

光學(xué)特性

減反射膜裸硅覆蓋有折射率為2.3的最優(yōu)化抗反射膜玻璃的硅（僅）覆蓋玻璃的硅Comparisonofsurfacereflectionfromasiliconsolarcell,withandwithoutatypicalanti-reflectioncoating.2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)12§4.2.2光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)13

在硅表面制絨，可以與減反射膜相結(jié)合，也可以單獨(dú)使用，都能達(dá)到減小反射的效果。因?yàn)槿魏伪砻娴娜毕荻寄茉黾庸夥磸椈乇砻娑皇请x開表面的概率，所以都能起到減小反射的效果?！?.2.3

光學(xué)特性

表面制絨2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)13在硅表面2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)14§4.2.3

光學(xué)特性

表面制絨表面制絨有幾種方法。一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面刻蝕便能達(dá)到制絨效果。如果表面能恰當(dāng)符合內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的話，硅表面的晶體結(jié)構(gòu)將變成由金字塔構(gòu)成的表面。下圖畫出了一個(gè)這樣的金字塔結(jié)構(gòu)，用電子顯微鏡拍攝的硅表面制絨。這種制絨方式叫“隨機(jī)型金字塔”制絨，通常在單晶硅電池制造上使用。右圖便是組成單晶硅太陽能電池制絨表面的金字塔結(jié)構(gòu)。單晶硅制絨表面的電子顯微鏡掃描照片2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)14§4.2.3光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)15另一種表面制絨方式叫“倒金字塔型”制絨。這種制絨方法是往硅表面下面刻蝕，而不是從表面往上刻蝕，如圖所示。

§4.2.3

光學(xué)特性

表面制絨單晶硅制絨表面的電子顯微鏡掃描照片2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)15另一種表面制2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)16§4.2.3

光學(xué)特性

表面制絨多晶硅制絨表面的電子顯微鏡照片刻蝕多晶硅表面時(shí)，上面講到的兩種方法都不能使用，因?yàn)橹挥性谟?lt;111>晶體表面構(gòu)成的表面才能完成有效的形態(tài)。而多晶硅表面上，只有一小部分面積才有<111>方向。但是多晶硅制絨可以使用光刻技術(shù)和機(jī)械雕刻技術(shù)，即使用切割鋸或激光把表面切割成相應(yīng)的形狀。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)16§4.2.3光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)17

2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)172023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)18

像減小表面反射一樣，充分的吸收入射光也是獲得高轉(zhuǎn)換效率的必要途徑之一。而吸收光的多少則取決于光路徑的長(zhǎng)度和吸收系數(shù)。下面的動(dòng)畫展示了硅太陽能電池對(duì)光的吸收是如何隨著電池厚度變化的。對(duì)于厚度超過10mm的硅電池來說，入射光能量大于禁帶寬度的部分基本全部被吸收。總電流的100%指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。當(dāng)硅材料厚度為10微米時(shí)，只有30%的可吸收光被吸收。損失的光子用橙色和紅色表示?！?.2.4

光學(xué)特性

電池厚度2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)18像減小表2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)19§4.2.5

光學(xué)特性

光陷阱

最佳的電池厚度并不單單是由吸收所有的光這一需要決定的。例如，如果光在與pn結(jié)距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域被吸收，產(chǎn)生的載流子卻被復(fù)合了。此外，如果電池的厚度變薄但是吸收的光線不變，開路電壓將比厚電池的大。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的太陽電池通常擁有比電池實(shí)際厚度長(zhǎng)幾倍的光路徑長(zhǎng)度，所謂電池光路徑長(zhǎng)度是指沒被吸收的光在射出電池前在電池內(nèi)所走的距離。通常稱它為器件厚度。舉例說，一個(gè)沒有光陷阱結(jié)構(gòu)的電池，它的光路徑長(zhǎng)度可能只相當(dāng)于電池實(shí)際厚度，而經(jīng)過光陷阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的電池的路徑長(zhǎng)度能達(dá)到厚度的50倍，這意味著光線能在電池內(nèi)來回反彈許多遍。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)19§4.2.5光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)20§4.2.5

光學(xué)特性

光陷阱通常，使光子入射在傾斜面上，隨之改變光子在電池內(nèi)運(yùn)動(dòng)的角度，便能達(dá)到光陷阱的效果。一個(gè)經(jīng)過制絨的表面不僅能像前面所講的那樣減少反射，還能使光斜著入射電池，因此光的路徑長(zhǎng)度比厚度大。光入射到半導(dǎo)體的折射角度可以通過折射定律求得：

n1sinθ1=n2sinθ2

其中，θ1θ2分別是入射角和折射角，而n1為光入射介質(zhì)的折射率，n2光射出介質(zhì)的折射率。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)20§4.2.5光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)21對(duì)上面的折射定律公式進(jìn)行調(diào)整，則可計(jì)算光在電池入射的角度（即折射角）：對(duì)于經(jīng)過表面制絨的單晶硅太陽能電池，由于晶體表面的存在而使得角度θ1等于36°，如下圖所示光在經(jīng)制絨的太陽能電池上的反射和入射§4.2.5

光學(xué)特性

光陷阱2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)21對(duì)上面的折射2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)22§4.2.5

光學(xué)特性

光陷阱如果光線從折射率大的介質(zhì)入射到折射率小的介質(zhì)，將有可能發(fā)生全反射。此時(shí)的入射角為臨界角，在上面的方程中，設(shè)θ2為0，得：

利用全內(nèi)反射，可以把光困在電池內(nèi)面，使穿入電池的光成倍增加，因此厚度很薄的電池也能擁有很長(zhǎng)的光路徑長(zhǎng)度。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)22§4.2.5光學(xué)特2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)23

朗伯背反射層是一種特殊的背反射層，它能使反射光的方向隨機(jī)化。電池背反射層的高反射率，減小了背電極對(duì)光的吸收和光穿出電池的幾率，并把光反彈回電池體內(nèi)。方向的隨機(jī)化使得許多反射光都被全反射回去。有些被反射回電池頂端表面的光與表面的角度大于臨界角，則又再次被全反射回電池內(nèi)。這樣一來，光被吸收的機(jī)會(huì)就大大增加了，因?yàn)楣獾穆窂介L(zhǎng)度能達(dá)到4n2，n為半導(dǎo)體的折射率(YablonovitchandCody,1982)。使光的路徑長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)電池厚度的50倍，因此這是一個(gè)十分有效的圍困光線的技術(shù)?！?.2.6

光學(xué)特性

朗伯背反射層2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)23朗伯背反2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)24朗伯背反射層如下圖所描述：§4.2.6

光學(xué)特性

朗伯背反射層UNSW新南威爾士大學(xué)小于臨界角入射的光逃出電池光被全反射并圍困在電池內(nèi)入射光電池底部的隨機(jī)散射頂角等于臨界角的椎體內(nèi)的光損失掉了2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)24朗伯背反射層如下圖所描述：§2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)25

復(fù)合效應(yīng)同時(shí)造成光生電流（即短路電流）和前置偏壓注入電流（即開路電壓）的損失。人們通常依據(jù)發(fā)生在電池內(nèi)的區(qū)域不同來對(duì)復(fù)合進(jìn)行分類。一般來說，發(fā)生在電池表面（表面復(fù)合）和電池體內(nèi)（體復(fù)合）的復(fù)合是主要的復(fù)合形式。而耗盡區(qū)則是另外一個(gè)會(huì)發(fā)生復(fù)合的區(qū)域。25§4.3.1

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合損耗2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)25復(fù)合效應(yīng)2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)26

為了讓pn結(jié)能夠吸收所有的光生載流子，表面復(fù)合和體復(fù)合都要盡量減到最小。對(duì)于硅太陽能電池，要達(dá)到這樣的效果，所需條件為：載流子必須在與pn結(jié)距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域產(chǎn)生，才能擴(kuò)散到pn結(jié)并被收集。對(duì)于局部高復(fù)合區(qū)域（比如，沒有鈍化的表面和多晶硅的晶界），光生載流子與pn結(jié)的距離必須小于與高復(fù)合區(qū)域的距離。相反，在局部低復(fù)合區(qū)域（比如鈍化的表面），光生載流子可以與低復(fù)合區(qū)域距離更近些，因?yàn)樗廊荒軘U(kuò)散到pn結(jié)并被收集，而不會(huì)復(fù)合?！?.3.2

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電流損失2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)26為了讓p2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)27§4.3.2

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電流損失電池的前表面和背表面存在局部復(fù)合區(qū)域，意味著能量不同的光子將有不同的收集概率。藍(lán)光的吸收率很高，并且在距離前表面非常近處被吸收，所以如果前表面是個(gè)高復(fù)合區(qū)域的話，那么藍(lán)光產(chǎn)生的載流子就不怎么可能被pn結(jié)收集。類似的，如果電池的背表面的復(fù)合效應(yīng)很強(qiáng)，將主要影響由紅外光產(chǎn)生的載流子（紅外光在電池深處產(chǎn)生載流子）。太陽能電池的量子效率量化了復(fù)合效應(yīng)對(duì)光生電流的影響。下圖描述了太陽能電池的量子效率。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)27§4.3.2減少?gòu)?fù)2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)28理想和實(shí)際太陽能電池的典型量子效率，描述了復(fù)合損失和光損失的影響前表面的反射和復(fù)合體內(nèi)和背面的復(fù)合加上沒被吸收的光§4.3.2

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電流損失2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)28理想和實(shí)際太陽能電池的典型量子2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)29§4.3.2

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電流損失

三種不同類型的晶體硅太陽能電池的量子效率曲線。埋柵和絲網(wǎng)印刷曲線表示的是電池的內(nèi)部量子效率，而PERL曲線則表示電池的外部量子效率。PERL電池(鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散)(PassivatedEmitterandRearLocally-diffused)對(duì)紅外光的響應(yīng)最好，因?yàn)楸涣己玫剽g化，有高效率的背表面反射。絲網(wǎng)印刷埋柵PERL2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)29§4.3.2減少?gòu)?fù)2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)30

開路電壓是指當(dāng)前置擴(kuò)散電流與短路電流大小相當(dāng)時(shí)的光電壓。前置擴(kuò)散電流的大小取決于pn結(jié)處復(fù)合效應(yīng)的大小，即擴(kuò)散電流隨著復(fù)合的提高而上升。結(jié)果是，高復(fù)合提高了前置擴(kuò)散電流，反過來卻降低了開路電壓。能表示在前置電壓下的復(fù)合大小的材料參數(shù)是“二極管飽和電流”。而復(fù)合的大小由pn結(jié)邊緣的少數(shù)載流子的數(shù)量控制，即它們離開pn結(jié)的速度有多快，復(fù)合的速度就有多快。所以，黑暗前置電流以及開路電壓將受到下面幾個(gè)因素影響：pn結(jié)邊緣的少數(shù)載流子數(shù)量。從pn結(jié)另一邊注入的少數(shù)載流子數(shù)量，等于在平衡狀態(tài)下的少數(shù)載流子數(shù)量乘以一個(gè)由電池電壓和溫度決定的指數(shù)因子。因此，盡量減少平衡少數(shù)載流子濃度將減少?gòu)?fù)合。而減少平衡少數(shù)載流子濃度可以通過增加摻雜來實(shí)現(xiàn)。§4.3.3

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電壓損失2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)30開路電壓2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)31材料的擴(kuò)散長(zhǎng)度。短的擴(kuò)散長(zhǎng)度意味著少數(shù)載流子由于復(fù)合，在pn結(jié)邊緣處快速消失，以使得更多的載流子通過電池，提高前置電流。因此，必須有長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度才能盡量減少?gòu)?fù)合并獲得高電壓。而擴(kuò)散長(zhǎng)度取決于電池材料的類型、制造電池片的過程和摻雜的情況。高摻雜導(dǎo)致低擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此需要找到長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)度(它同時(shí)影響著電流和電壓)與高電壓之間的平衡。與pn結(jié)距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域存在局部復(fù)合區(qū)?？拷黳n結(jié)的高復(fù)合區(qū)（通常為表面或晶界）使得載流子迅速的移向它，接著被復(fù)合，因此大幅度提高復(fù)合電流。通過表面鈍化能夠降低表面復(fù)合的影響?！?.3.3

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電壓損失2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)31材料的擴(kuò)散長(zhǎng)度。短的擴(kuò)散長(zhǎng)度意2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)32§4.3.3

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

復(fù)合引起的電壓損失在假設(shè)良好表面鈍化的前提下，摻雜（ND）對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度和開路電壓的影響。擴(kuò)散長(zhǎng)度開路電壓下圖顯示對(duì)兩種參數(shù)的權(quán)衡。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)32§4.3.3減少?gòu)?fù)2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)33

表面復(fù)合強(qiáng)烈影響短路電流的同時(shí)，也強(qiáng)烈影響著開路電壓。電池前表面的高復(fù)合率對(duì)短路電流產(chǎn)生非常不利的影響，因?yàn)榍氨砻媸请姵刂休d流子生成率非常高的區(qū)域。要降低此區(qū)域的高復(fù)合率，可以通過在表面鍍上鈍化層（通常為二氧化硅）的方式來減小硅表面的懸掛鍵?！?.3.4

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

表面復(fù)合對(duì)電池背部進(jìn)行重?fù)诫s，讓少數(shù)載流子（這里為電子）遠(yuǎn)離高復(fù)合率的背電極在電極下面重?fù)诫s，讓少數(shù)載流子遠(yuǎn)離高復(fù)合率的前端電極pn結(jié)的電場(chǎng)

二氧化硅“鈍化”表面并減少表面復(fù)合

降低表面復(fù)合影響的技術(shù)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)33表面復(fù)合2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)34因?yàn)楣杼柲茈姵氐拟g化層通常為絕緣體，所以有金屬電極的區(qū)域便不能被二氧化硅鈍化。取而代之的，是在表面電極下面重?fù)诫s，以減小表面復(fù)合的影響。盡管這樣的重?fù)诫s通常會(huì)嚴(yán)重減小擴(kuò)散長(zhǎng)度，但是由于電極區(qū)域并不參與載流子的生成，因此它對(duì)載流子的收集的影響并不大。此外，當(dāng)高復(fù)合率的電池表面非常接近于pn結(jié)時(shí)，要使復(fù)合的影響達(dá)到最小，就必須盡可能的增加摻雜的濃度。類似的方法也使用在減少背表面復(fù)合率對(duì)電壓和電流的影響上，如果背表面與pn結(jié)的距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度?！氨畴妶?chǎng)”由電池背面的高摻雜區(qū)域組成。在高摻雜和低摻雜區(qū)的交界處形成了類似pn結(jié)的場(chǎng)，相當(dāng)于引入一個(gè)阻止少數(shù)載流子到背面的屏障。而低摻雜區(qū)域的少數(shù)載流子濃度也因此保持在了一個(gè)高水平，此背電場(chǎng)也取得了鈍化背面的效果?！?.3.4

減少?gòu)?fù)合效應(yīng)

表面復(fù)合2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)34因?yàn)楣杼?023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)35

除了使吸收最大化和復(fù)合最小化之外，設(shè)計(jì)一個(gè)高效率太陽能電池的最后一個(gè)條件，便是使寄生電阻造成的損耗降到最低。

并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻都會(huì)降低電池的填充因子和效率。有害的低并聯(lián)電阻是一種制造缺陷，而不是參數(shù)設(shè)計(jì)的問題。然而，由頂端電極電阻和發(fā)射區(qū)電阻組成的串聯(lián)電阻就跟并聯(lián)電阻有所不同，必須小心設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)的類型和尺度以優(yōu)化電池的效率?！?.4.1

頂端電極的設(shè)計(jì)

串聯(lián)電阻2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)35除了使吸收2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)36§4.4.1

頂端電極的設(shè)計(jì)

串聯(lián)電阻母柵子?xùn)啪W(wǎng)格線電池的串聯(lián)電阻有幾個(gè)部分組成，如下圖所示。在這些成分中，發(fā)射區(qū)和頂端電極（包括子?xùn)烹娮韬湍笘烹娮瑁?duì)串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)最大，因此也是最需要優(yōu)化的區(qū)域。太陽能電池中電阻組成及電流流向2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)36§4.4.1頂端電2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)37金屬頂端電極是用來收集電池產(chǎn)生的電流的?！澳笘拧敝苯优c外部電路連接，而“子?xùn)拧必?fù)責(zé)從電池內(nèi)部收集電流并傳送到母柵。在頂端電極的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要取得一個(gè)平衡，即窄的電極網(wǎng)線所造成的高電阻與寬電極網(wǎng)線造成的遮光面積增加的平衡。子?xùn)拍笘拧?.4.1

頂端電極的設(shè)計(jì)

串聯(lián)電阻太陽能電池頂端電極設(shè)計(jì)。母柵和子?xùn)胚B接并將產(chǎn)生的電流傳到外電極。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)37金屬頂端2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)38

通常，光生電流從電池體內(nèi)垂直移動(dòng)到電池表面，然后橫向穿過重?fù)诫s表面，直到被頂端電極收集。電池體內(nèi)的電阻和電流被假設(shè)為一個(gè)常數(shù)。電池的體電阻被定義為：

Rb=ρbw/A

考慮到電池的厚度

式中ρb為電池的體電阻率（電導(dǎo)率的倒數(shù)）（硅電池通常為0.5-5.0Ωcm），A為電池面積，w為電池主體區(qū)域的寬度。§4.4.2

頂端電極的設(shè)計(jì)

體電阻2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)38通常，光2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)39 “表層電阻率”，一個(gè)取決于電阻率和厚度的參數(shù)，可以通過電池的n型層表面很輕易地測(cè)量出來。對(duì)于摻雜均勻的薄層來說，表層電阻率定義為：

ρП=ρ/t

其中，ρ為n型層的電阻率，t為表層的厚度。表層電阻率通常表示為歐姆/平方或Ω/П§4.4.3

頂端電極的設(shè)計(jì)

表層電阻率2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)39 “表層電阻率”，一個(gè)取決于電2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)40§4.4.3

頂端電極的設(shè)計(jì)

表層電阻率只要仍然保持正方形，則無論尺寸多大，方形導(dǎo)電片的電阻都是一樣大的。

對(duì)于摻雜不均勻的n型層來說，ρ的分布也是不均勻的，則：2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)40§4.4.3頂2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)41

發(fā)射區(qū)的表層電阻率可以使用“四點(diǎn)探針法”非常容易的測(cè)出來。電流流到探針，并在中間兩個(gè)探針之間產(chǎn)生壓降。n型區(qū)與p型區(qū)之間的pn結(jié)扮演著絕緣層的角色，使得測(cè)量表層電阻時(shí)不受影響。此外，測(cè)量時(shí)電池必須處在黑暗環(huán)境中?！?.4.3

頂端電極的設(shè)計(jì)

表層電阻率2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)41發(fā)射區(qū)的2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)42§4.4.3

頂端電極的設(shè)計(jì)

表層電阻率

利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓和電流，可算得：式中π/ln2=4.53一般硅太陽能電池的表層電阻率在30-100Ω/П之間。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)42§4.4.3頂2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)43

基于前面的表層電阻率，作為頂端電極柵間距的函數(shù)且由發(fā)射區(qū)電阻造成的功率損失便可計(jì)算出來。然而，在發(fā)射區(qū)的電流流動(dòng)的距離并不都是相等的。如果電流剛好從電池內(nèi)部流到電極附近，則因此路程很短。但是如果電流流到兩個(gè)柵條之間的話，則電阻路徑剛好等于兩個(gè)柵條距離的一半。43

載流子從電池的產(chǎn)生點(diǎn)流到外部電極的理想效果圖。需要注意的是，實(shí)際中的發(fā)射區(qū)要比圖中的薄很多?！?.4.4

頂端電極的設(shè)計(jì)

發(fā)射區(qū)電阻2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)43基于前面2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)44§4.4.4

頂端電極的設(shè)計(jì)

發(fā)射區(qū)電阻

右圖為計(jì)算由電池表層的橫向電阻造成的功率損失時(shí)用到的數(shù)據(jù)。在y方向逐漸遞增的功率損失為：dPloss=I2dR其中dR=ρПdy/A

式中y為兩個(gè)柵條之間的距離。如下圖所示：

表層橫向電流的大小決定于y和I（y），在兩柵條之間的中間點(diǎn)的大小為零，并沿著中間點(diǎn)到柵條的線逐漸增加。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)44§4.4.4頂端2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)45計(jì)算電流的方程為：

I（y）=JbyJ為電流強(qiáng)度，b為柵條的長(zhǎng)度，而y是兩柵條的間隔距離。終上所述，在1/2單元電池中，頂層阻抗引起的功率損耗為：

式中S同樣為兩柵間距。在最大功率輸出點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的功率為VmpJmpbs/2，則相對(duì)功率損耗為：§4.4.4

頂端電極的設(shè)計(jì)

發(fā)射區(qū)電阻2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)45計(jì)算電流的方程為：式中S同2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)46接觸電阻損耗發(fā)生在硅電池與金屬電極的交界處。要降低接觸電阻的損耗，就必須對(duì)n型層的頂層進(jìn)行重?fù)诫s。然而，重?fù)诫s水平也會(huì)引起不良后果。即如果高濃度的磷被擴(kuò)散到硅中，當(dāng)溫度下降時(shí)，多余的磷會(huì)被析出電池表層，形成一層“死層”，在這層中光生載流子的收集幾率非常低。許多商用電池因?yàn)樗缹拥某霈F(xiàn)而導(dǎo)致對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)很差。因此，解決的辦法是，對(duì)金屬電極的下面部分進(jìn)行重?fù)诫s，而表層的其余部分則需控制在一個(gè)平衡值，也就是在獲得低發(fā)射區(qū)飽和電流和高發(fā)射區(qū)擴(kuò)散長(zhǎng)度之間達(dá)到平衡。頂端金屬電極金屬與硅界面的高接觸電阻對(duì)界面重?fù)诫s以減小接觸電阻N型發(fā)射區(qū)§4.4.5

頂端電極的設(shè)計(jì)

接觸電阻2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)46接觸電阻2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)47

頂端電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)不只有子?xùn)藕湍笘烹娮璧淖钚』?，還包括與頂端電阻有關(guān)的總的損耗的最小化，即包括發(fā)射區(qū)的電阻損耗、金屬電極的電阻損耗和陰影損耗。

一些設(shè)計(jì)的因素決定了損耗規(guī)模的大小，它們包括子?xùn)藕湍笘诺拈g距、金屬的寬高橫縱比、金屬柵條的最小寬度以及金屬的電阻率。如下圖所示。橫縱比=高/寬小的高寬橫縱比柵條的間距大的高寬橫縱比發(fā)射區(qū)§4.4.6

頂端電極的設(shè)計(jì)

金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)47頂端電極2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)48§4.4.6

頂端電極的設(shè)計(jì)

金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)柵間距對(duì)發(fā)射區(qū)電阻的影響正如我們?cè)诎l(fā)射區(qū)電阻一節(jié)所講的那樣，來自發(fā)射區(qū)的能量損耗大小取決于金屬網(wǎng)格的間距，因此，短的柵間距有利于降低發(fā)射區(qū)電阻。網(wǎng)格電阻網(wǎng)格電阻的大小取決于金屬的電阻率、網(wǎng)格的排列布局和金屬柵條的橫縱比。低的電阻率和高的橫縱比對(duì)電池比較有利，但也會(huì)受到制造技術(shù)的限制。陰影損失

陰影損失是覆蓋在電池表面的金屬柵條阻擋光線射入電池引起的。2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)48§4.4.6頂2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)49設(shè)計(jì)原則

雖然頂端電極的設(shè)計(jì)方案眾多，但基于現(xiàn)實(shí)原因，大多數(shù)的電池表面金屬網(wǎng)格設(shè)計(jì)都是相對(duì)簡(jiǎn)單和十分勻稱的。勻稱的網(wǎng)格把電池分成均等的幾部分。設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)重要的原則要注意(Serreze,1978)：最優(yōu)的母柵寬度，WB，此時(shí)母柵的電阻損耗大小等于它的陰影損耗。寬度逐漸變小的柵條要比等寬的柵條所造成的損耗小。電池的面積越小、柵條的寬度WF越小以及柵條間隔S越小，則損耗越小?！?.4.6

頂端電極的設(shè)計(jì)

金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)49設(shè)計(jì)原則§4.4.62023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)50頂端電極設(shè)計(jì)的示意圖，展示了母柵和子?xùn)诺男螤罱Y(jié)構(gòu)分布。子?xùn)拍笘拧?.4.6

頂端電極的設(shè)計(jì)

金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)50頂端電極設(shè)計(jì)的示意圖，展示了母2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)51

對(duì)于硅太陽能電池來說，經(jīng)過基本設(shè)計(jì)，在表面反射、載流子收集、載流子復(fù)合和寄生電阻這幾方面進(jìn)行優(yōu)化后，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到大約25%的理論值。下圖是進(jìn)行過這樣優(yōu)化的太陽能電池。制絨和鍍減反射膜表面摻雜母柵背電極子?xùn)拧?.5.1

太陽能電池的結(jié)構(gòu)

硅太陽能電池的參數(shù)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)51對(duì)于硅太2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)52基礎(chǔ)太陽能設(shè)計(jì)方法

1.襯底材料（通常為硅）硅太陽能電池能在現(xiàn)代光伏市場(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位，一部分是得益于硅材料在集成電路產(chǎn)業(yè)的杰出表現(xiàn)。而就像在二極管的制造材料中一樣，硅材料的參數(shù)并不是最好的。特別是，硅的禁帶寬度對(duì)于最優(yōu)的太陽能電池來說，還是稍微有點(diǎn)過低了，因?yàn)楣枋侵苯訋栋雽?dǎo)體，其吸收系數(shù)比較低。雖然低吸收系數(shù)的問題可以通過光陷阱來解決，但是很難把硅的表層制造地很薄。盡管如此，硅的資源卻十分豐富，它在半導(dǎo)體制造行業(yè)的優(yōu)勢(shì)使得其它材料難以匹敵。§4.5.1

太陽能電池的結(jié)構(gòu)

硅太陽能電池的參數(shù)2023/8/1應(yīng)用光伏學(xué)52基礎(chǔ)太陽能設(shè)計(jì)方法§4.5.2023/8/13應(yīng)用光伏學(xué)53§4.5.1

太陽能電池的結(jié)構(gòu)

硅太陽能電池的參數(shù)2.電池厚度（100-500μm）經(jīng)過優(yōu)化的伴有光陷阱和表面鈍化的硅太陽能電池，厚度大概在100μm。然而，200-500μm的厚度也是很常使用到的，部分原因是考慮到實(shí)際情況，如表面制造薄層或表面鈍化。3.基區(qū)的摻雜（1Ω/m）