電池片電性能參數(shù)分析

太陽(yáng)電池是一種能夠直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的電子器件。晶體硅太陽(yáng)電池是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的一種太陽(yáng)電池。對(duì)P型或n型硅襯底進(jìn)行相反類(lèi)型的源摻雜，形成n+或p+型發(fā)射區(qū)，經(jīng)電子擴(kuò)散之后形成內(nèi)建電場(chǎng)，可將光照條件下產(chǎn)生的光生載流子進(jìn)行分離。常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)及工作原理

如下圖所示太陽(yáng)電池理想I—V特性方程，即工作狀態(tài)電流．電壓關(guān)系式，如式

I=Iph—I0[exp（qv/nkT)—1]

（1-1）其中，q為電子電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，I。為二極管飽和電流，Iph為光生電流，n為二極管理想因子。一般晶體硅太陽(yáng)電池I-V曲線如圖1—2所示，縱坐標(biāo)表示電流，最大值為短路電流Isc，橫坐標(biāo)表示電壓，最大值為開(kāi)路電壓Voc。當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出電壓為0，即外接電路短路時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)電池體內(nèi)的電流為短路電流Isc，對(duì)于理想太陽(yáng)電池，短路電流就等于光生電流Iph，所以短路電流的大小和以下幾個(gè)因素相關(guān)聯(lián)：(1)太陽(yáng)電池的面積。通常在分析時(shí)利用短路電流密度概念Jsc，即單位面積上流過(guò)的電流，單位為A／cm2。(2)光照強(qiáng)度以及光譜分布。(3)太陽(yáng)電池的減反射、陷光效果和前表面柵線的遮擋面積。(4)電子收集效率。這主要取決于表面鈍化效果以及少子壽命。如在非常好的表面鈍化和一致的電子．空穴對(duì)產(chǎn)生率條件下，短路電流密度為：JSC=qG(Ln+Lp)其中G為電子．空穴產(chǎn)生率，Ln、Lp分別為電子和空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度。當(dāng)太陽(yáng)電池外接電路開(kāi)路時(shí)．可得到太陽(yáng)電池的有效最大電壓，即開(kāi)路電壓Voc。在開(kāi)路狀態(tài)下，流經(jīng)太陽(yáng)電池的凈電流為0。在方程(1-1)中，令I(lǐng)-0，可得到：VOC=（nkT/q)ln(Iph/I0+1)。，從中可以看出，Voc的大小與以下因素相關(guān)：(I)光生電流Iph可以看出，Iph的改變量有限，其對(duì)Voc的大小影響也較小。(2)反向飽和電流I0。在太陽(yáng)電池中，I0的變化通?？蛇_(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以它

對(duì)Voc的影響非常大。而I0決定于太陽(yáng)電池的各種復(fù)合機(jī)制，所以通常Voc的大小可以用來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)電池的復(fù)合大小。Voc和Isc是太陽(yáng)電池所能達(dá)到的最大電壓和電流值，但是，從I—V特性曲線上可以看出，此時(shí)的輸出功率為0。填充因子表示最大功率點(diǎn)處功率與VocXIsc的比值。根據(jù)理想I-V特性方程，可求得最大功率點(diǎn)處Vmp解微分方程可得到一個(gè)超越方程非常復(fù)雜，只是Vmp和Voc的關(guān)系。

一般計(jì)算FF可用經(jīng)驗(yàn)公式：FF=【voc—ln(voc+0.72)】/(voc+1)voc為歸一化VocVoc=Vocq/(nkT)高的開(kāi)壓可得到高的填充因子。太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率Eta是表示單位面積上將輻照能量轉(zhuǎn)換為多少電能的量。通常定義為Eta=Pmp/Pin=VocIscFF/PinPin表示入射光功率轉(zhuǎn)換效率越高，表示在單位面積上單位輻照強(qiáng)度下能產(chǎn)生更多的電能。其大小與Voc、Isc、FF息息相關(guān)。1、特征電阻Rch特征電阻表示在最大功率點(diǎn)條件下太陽(yáng)電池的負(fù)載電阻。當(dāng)負(fù)載電阻等于特征電阻時(shí)，太陽(yáng)能電池的最大功率加載到負(fù)載上，同時(shí)電池也運(yùn)行在最大功率條件下。Rch=Vmp/Imp可近似表示為Rch=Voc/Isc所以一般電流電壓關(guān)系可表示為I=V/Rch太陽(yáng)電池的自身電阻的存在消耗了太陽(yáng)電池的功率，降低填充因子和轉(zhuǎn)換效率，通常指串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，如圖1．5所示。由于電阻的值與面積密切相關(guān)，通常在分析時(shí)采用“歸一化電阻(nomalizedresistance)’’概念，其單位為Ωcm2，根據(jù)歐姆定律，將I值以J值替代，得到：R(Ωcm2)=V／J圖1-5太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻示意圖串聯(lián)電阻主要來(lái)自于以下四個(gè)方面：(1)晶體硅的體電阻和發(fā)射區(qū)電阻，即p．n結(jié)兩側(cè)P區(qū)和n區(qū)材料的電阻。(2)

電極用的金屬與硅表面層的接觸電阻，即正面和背面的金屬與半導(dǎo)體表面之間的接觸電阻，也包括p．n結(jié)深度、雜質(zhì)濃度和接觸面積大小的影響，這是串聯(lián)電阻最大的部分。(3)器件內(nèi)部和外部線路互相連接的引線接觸電阻。(4)電極接觸用的金屬本身和它們的互聯(lián)電阻。并聯(lián)電阻主要與晶體硅材料質(zhì)量和太陽(yáng)電池制造過(guò)程中引入的缺陷和雜質(zhì)有關(guān)，并聯(lián)電阻使光生電流產(chǎn)生反向分流，降低工作電壓，嚴(yán)重影響FF.其主要來(lái)自四部分。(1)太陽(yáng)電池周邊因擴(kuò)散p-n結(jié)時(shí)會(huì)引入p-n結(jié)完全或部分的短路。(2)非理想的p-n結(jié)或p-n結(jié)內(nèi)部不完善部分的漏電短路。(3)襯底和薄膜層及p．n結(jié)之間的部分漏電。(4)多晶體或薄膜的晶體界面的部分漏電。如同多數(shù)半導(dǎo)體器件一樣，太陽(yáng)電池的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)溫度的變化也比較敏感。溫度的升高，可使硅材料的禁帶寬度降低，電子具有更低的能量就可從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，短路電流會(huì)有提高。溫度的變化，影響最大的是Voc隨溫度升高，Voc降低，主要是由于反向飽和電流I0對(duì)溫度非常敏感。其中q為電荷，D為少子擴(kuò)散系數(shù)，L為少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，ND為摻雜濃度，nt為本征載流子濃度，以上的幾個(gè)參數(shù)中，基本上都是溫度的函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)工藝需要經(jīng)過(guò)低溫、中溫、高溫、冷卻四個(gè)階段。燒結(jié)爐低溫溫度一般在400“C以內(nèi)，中溫溫度為300～700‘C，高溫溫度為700～900”C。在低溫階段，漿料中的有機(jī)溶劑和有機(jī)粘合劑被蒸發(fā)或被燃燒。在中溫階段．玻璃料開(kāi)始熔化，Ag顆粒開(kāi)始聚合。在高溫階段，Ag、sj及玻璃料成分發(fā)生反應(yīng)，形成Ag—Si接觸；冷卻時(shí)，Ag粒子在硅片表面結(jié)晶生長(zhǎng)。高溫驅(qū)動(dòng)表面H離予向硅片內(nèi)部擴(kuò)散。實(shí)際在硅片上發(fā)生的反應(yīng)溫度遠(yuǎn)低于燒結(jié)爐設(shè)定溫度，KyunghaeKim等人研究Ag與Si的實(shí)際最佳反應(yīng)溫度為605度．遠(yuǎn)低于Ag—si共晶點(diǎn)溫度835'C，這可能是由于反麻體系中含有多相成分(Ag、Si、Pb、Bi等)而使合金熔點(diǎn)降低。實(shí)際的燒結(jié)爐各溫區(qū)溫度，需要綜合考慮n層的擴(kuò)散濃度、漿料成分、減反射膜厚度等諸多因素來(lái)設(shè)定。ò金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)可以形成非整流接觸，即歐姆接觸。歐姆接觸是指這樣ò的接觸：它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)ò生顯著的改變。日前，在太陽(yáng)電池中，主要是利用隧道效應(yīng)的原理在硅表面上制ò造歐姆接觸。ò在半導(dǎo)體理論中可知，重?fù)诫s的p—n結(jié)可以產(chǎn)生顯著的隧道電流。金屬和半ò導(dǎo)體接觸時(shí)，如果半導(dǎo)體摻雜濃度很高，則勢(shì)壘區(qū)寬度變的很薄，電子可以通過(guò)ò隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧道電流，隧道電流甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而ò成為電流的主要成分。當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時(shí)，它的接觸電阻可以很小，可虬ò晶體硅太陽(yáng)電池表面金屬化工藝及性能研究ò用作歐姆接觸。因此，半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí)，它與金屬的接觸可以形成接近理想的歐ò姆接觸摻雜濃度越高，接觸電阻Rc越小。半導(dǎo)體材料重?fù)诫s時(shí)，可得到歐姆接觸。太陽(yáng)電池要得到好的歐姆接觸，必須對(duì)太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s。但是重?fù)诫s同時(shí)會(huì)帶來(lái)許多負(fù)面效應(yīng)。例如，增大表面復(fù)合速率、SiNx表面鈍化效果差，降低短波光譜響應(yīng)等。正因?yàn)槿绱?，世界各研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)發(fā)選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池，只在金屬電極下面極小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)重?fù)诫s，而在非金屬接觸區(qū)域?qū)嵭休p度摻雜。常規(guī)絲網(wǎng)印刷工藝制各的太陽(yáng)電池相對(duì)蒸鍍電極電池，性能顯著下降，其中遮擋和重?fù)诫s效應(yīng)導(dǎo)致的效率損失占到了0．8‰前面提到，要形成良好的歐姆接觸，必須在發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，但重?fù)诫s會(huì)帶來(lái)許多的負(fù)面影響，如表面、體內(nèi)復(fù)合速率增大、鈍化效果差等。不光是發(fā)射區(qū)的重?fù)诫s，硅襯底的摻雜濃度也會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池的輸出性能產(chǎn)生一些影響。如摻雜濃度每提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致少子壽命也下降近乎一個(gè)數(shù)量級(jí)。在發(fā)射區(qū)進(jìn)行輕度擴(kuò)散(實(shí)現(xiàn)高方阻)可以得到高的開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率Eta。但是對(duì)于常規(guī)太陽(yáng)電池，直接在100Ω／sq方塊電阻上進(jìn)行絲網(wǎng)印刷燒結(jié)，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上還存在一些難度，如擴(kuò)散方阻值越高，工藝越難控制，均勻性較差，且目前市場(chǎng)上還沒(méi)有商用化的適用于如此高方阻的Ag漿料，對(duì)于要適應(yīng)于高方阻的漿料，必須要求漿料在高溫狀態(tài)下有比較低的活性，Ag原子往發(fā)射區(qū)擴(kuò)散較慢，但是低活性漿料往往又不能燒穿SiNx薄膜。目前常規(guī)太陽(yáng)電池一般使用的擴(kuò)散方塊電阻在50～65Ω／sq范圍，而一般的開(kāi)發(fā)的商用化Ag漿料也只能適用于此類(lèi)方阻范圍的硅片。為了提高太陽(yáng)電池