第4章硅太阳能电池的设计

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1、第四章 硅太阳能电池的设计,&4.1基础太阳能电池设计 &4.2光学设计 &4.3复合效应的降低 &4.4电阻损耗 &4.5太阳能电池的结构,&4.1.1基础太阳能电池设计,太阳能电池的设计：明确电池结构的参数以使转换效率达到最大，以及由太阳能电池所处的制造环境所决定。 如果用于商业，即以生产最具价格优势的电池为目标，则需要着重考虑制造电池的成本问题。 如果只是用于以获得高转换效率为目标的实验研究，则主要考虑的便是最高效率而不是成本。,理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上。 对于硅太阳能电池来说，其在一个太阳照射下，比较实际的理论最高效率值大约为26%-28%。现今实验室测得的硅太阳

2、能电池的最高效率为24.7%。 理论值与实际测量值之间的差距主要来自两个方面因素: 首先，在计算理论最大效率时，假设所有入射光子的能量都被充分利用了，并且是被禁带宽度与其能量相等的材料吸收了。 人们想出一种由无限多层材料禁带宽度不同的电池叠加在一起的模型，每一层都只吸收能量与其禁带宽度相等的光子。 第二个因素是假设入射光有高聚光比，并假设温度和电阻效应对聚光太阳能电池的影响很小，而光强的增加能适当增加短路电流。,&4.1.1基础太阳能电池设计,&4.1.1基础太阳能电池设计,为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，需注意几项原则： 1. 提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。 2. 提高p-

3、n结收集光生载流子的能力。 3. 尽量减小黑暗前置电流。 4. 提取不受电阻损耗的电流。,&4.2.1光学特性-光的损耗,减反射膜 表面制绒 增加电池的厚度以提高吸收 通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度,&4.2.1光学特性-光的损耗,光的损耗主要以降低短路电流的方式影响太阳能电池的功率。 被损耗的光包括本来有能力在电池中产生电子空穴对，但是被电池表面反射走的光线。 对于大多数太阳能电池来说，所有的可见光都能产生电子空穴对，它们都能被很好的吸收。,下面将介绍几种能减少光损失的方法： 尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管可能导致串联电阻增加）。 减反射膜的厚度为入射光的波长

4、的四分之一。对于折射率为n1薄膜材料，入射光波长为0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1： d1=0/4n1 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进一步降低,&4.2.1光学特性-光的损耗,&4.2.2光学特性-减反射膜,选用合适厚度和折射率的薄膜，以及相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。 人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为0.6m的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。 如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来说，这样的成本通常太高。,&4.2.2光学

5、特性-减反射膜,使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。,&4.2.2光学特性-减反射膜,铺在太阳能电池上的减反射膜与在其他光学器件（如相机镜头）上的膜相似。它们包含了一层很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的光强为零。 除了减反射膜，干涉效应还能在水面上的油膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。,&4.2.3光学特性-表面制绒,在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到减小反射的效果。 因为任何表面的缺陷都能增加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所

6、以都能起到减小反射的效果。,绒面结构对入射光的影响,一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达到制绒效果。 如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成表面。,&4.2.3 光学特性-表面制绒,单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片。,&4.2.3光学特性-表面制绒,刻蚀多晶硅表面时，单晶硅的制绒方法都不能使用，因为只有在由晶体表面构成的表面才能完成有效的形态。 而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有方向。但是多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯或激光把表面切割成相应的形状。,多晶硅制绒表面的电子显微镜照片,&4.2.4光学特性-电池厚度,像减小表面反射一样

7、，充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途径之一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数。 硅太阳能电池对光的吸收是如何随着电池厚度变化的。 对于厚度超过10mm的硅电池来说，入射光能量大于禁带宽度的部分基本全部被吸收。总电流的100%指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。当硅材料厚度为10微米时，只有30%的可吸收光被吸收。损失的光子用橙色和红色表示。,&4.2.5光学特性-光陷阱,最佳的电池厚度并不仅仅由吸收所有的光这一条件决定的。 如果光在与p-n结距离小于扩散长度的区域被吸收，但产生的载流子却被复合了。 如果电池的厚度变薄但是吸收的光线不变，开路电压将比厚电池的大。 经过结构优化

8、的太阳电池通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长度，所谓电池光路径长度是指没被吸收的光在射出电池前在电池内所走的距离。通常称它为器件厚度。 举例说，一个没有光陷阱结构的电池，它的光路径长度可能只相当于电池实际厚度，而经过光陷阱结构优化的电池的路径长度能达到厚度的50倍，这意味着光线能在电池内来回反弹许多遍。,通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子在电池内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。 一个经过制绒的表面不仅能像前面所讲的那样减少反射，还能使光斜着入射电池，因此光的路径长度比厚度大。 光入射到半导体的折射角度可以通过折射定律求得：n1sin1=n2sin 2,&4.2.5光学特性-光陷阱,

9、&4.2.5光学特性 光陷阱,如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将有可能发生全反射。此时的入射角为临界角，在上面的方程中，设2为0，得：,利用全内反射，可以把光困在电池内面，是穿入电池的光成倍增加，因此厚度很薄的电池也能拥有很长的光路径长度。,&4.2.6光学特性-朗伯背反射层,朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向随机化。 方向的随机化使得许多反射光都被全反射回去。有些被反射回电池顶端表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次被全反射回电池内。光被吸收的机会就大大增加了，因为光的路径长度能达到4n2，n为半导体的折射率。使光的路径长度长达电池厚度的50倍，因此这是一个

10、十分有效的陷光技术。,&4.2.6光学特性-朗伯背反射层,&4.3.1减少复合效应-复合损耗,复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注入电流（即开路电压）的损失。 人们通常依据发生在电池内的区域不同来对复合进行分类。 一般来说，发生在电池表面（表面复合）和电池体内（体复合）的复合是主要的复合形式。而耗尽区则是另外一个会发生复合的区域。,复合损耗,&4.3.2减少复合效应 复合引起的电流损失,为了让p-n结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和体复合都要尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样的效果，所需条件为： 载流子必须在与p-n结距离小于扩散长度区域产生，才能扩散到pn结被收集。

11、 对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶界），光生载流子与p-n结的距离必须小于与高复合区域的距离。 在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载流子可以与低复合区域距离更近些，因为它依然能扩散到p-n结并被收集，而不会复合。,电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能量不同的光子将有不同的收集概率。 蓝光的吸收率很高，并且在距离前表面非常近处被吸收，所以如果前表面是个高复合区域的话，那么蓝光产生的载流子就不怎么可能被p-n结收集。 类似的，如果电池的被表面的复合效应很强，将主要影响由红外光产生的载流子（红外光在电池深处产生载流子）。,&4.3.2减少复合效应 复合引起的电流损

12、失,&4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失,理想和实际太阳能电池的典型量子效率，描述了复合损失和光损失的影响。,三种不同类型的晶体硅太阳能电池的量子效率曲线。埋栅和丝网印刷曲线表示的是电池的内部量子效率，而PERL曲线则表示电池的外部量子效率。PERL电池对红外光的响应最好，因为被良好地钝化，有高效率的背表面反射。,&4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失,&4.3.3减少复合效应复合引起的电压损失,能表示在前置电压下的复合大小的材料参数是“饱和电流”，复合的大小由p-n结边缘的少数载流子的数量控制，暗电流以及开路电压受到几个因素影响： p-n结边缘的少数载流子数量。尽量减少平衡少数载流

13、子浓度将减少复合。而减少平衡少数载流子浓度可以通过增加掺杂来实现。 材料的扩散长度。短的扩散长度意味着，少数载流子过复合在pn结边缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，提高前置电流。因此，必须有长的扩散长度才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度怎取决于电池材料的类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。 高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电压)与高电压之间的平衡。,&4.3.3减少复合效应 复合引起的电压损失,与p-n结距离小于扩散长度的区域存在局部复合区。靠近p-n结的高复合区使得载流子迅速的移向它，接着被复合，因此大幅提高复合电流。通过表面钝化能够降低表面复合

14、的影响。 下图将显示对两种参数的权衡,在假设表面钝化的前提下，掺杂对扩散长度和开路电压的影响,降低表面复合影响的技术,&4.3.4减少复合效应-表面复合,表面复合强烈影响短路电流的同时，也强烈影响着开路电压。,&4.3.4减少复合效应-表面复合,电池前表面的高复合率对短路电流产生非常不利的影响。 因为前表面是电池中光生载流子生成率非常高的区域。要降低此区域的高复合率，可以通过在表面镀上钝化层的方式来减小硅表面的悬挂键。,在表面电极下面重掺杂，以减小表面复合的影响。尽管这样的重掺杂通常会严重减小扩散长度，但是由于电极区域并不参与载流子的生成，因此它对载流子的收集的影响并不大。,此外，当高复合率的

15、电池表面非常接近于p-n结时，要使复合的影响达到最小，就必须尽可能的增加掺杂的浓度。,&4.3.4减少复合效应-表面复合,类似的方法也使用在减少背表面复合率对电压和电流的影响上，如果背表面与pn结的距离小于扩散长度。 “背电场”由电池背面的高掺杂区域组成。在高掺杂和低掺杂区的交界处形成了类似pn结的场，相当于引入一个阻止少数载流子到背面的屏障。而低掺杂区域的少数载流子浓度也因此保持在了一个高水平，此背电场也取得了钝化背面的效果。,&4.4.1顶端电极的设计-串联电阻,母栅,网格线,除了使吸收最大化和复合最小化之外，设计一个高效率太阳能电池的最后一个条件，便是使寄生电阻造成的损耗降到最低。 并联

16、电阻和串联电阻都会降低电池的填充因子和效率。有害的低并联电阻是一种制造缺陷，而不是参数设计的问题。 由顶端电极电阻和发射区电阻组成的串联电阻就跟并联电阻有所不同，必须小心设计电池结构的类型和尺度以优化电池的效率。,&4.4.1顶端电极的设计-串联电阻,母栅,金属顶端电极是用来收集电池产生的电流的。“母栅”直接与外部电路连接，而,电池的串联电阻有几个部分组成：发射区和顶端电极（包括子栅电阻和母栅电阻）对串联电阻的贡献最大，因此也是最必须优化的区域。,&4.4.1顶端电极的设计-串联电阻,金属顶端电极是用来收集电池产生的电流的。“母栅”直接与外部电路连接， “子栅”负责从电池内部收集电流并传送到母栅。 在顶端电极的设计中，关键的，是要取得一个平衡，即窄的电极网线所造成的高电阻与宽电极网线造成的遮光面积增加的平衡。,&4.4.2顶端电极的设计 体电阻,通常，光生电流从电池体内垂直移动到电池表面，然后横向穿过重掺杂表面，直到被顶端电极收集。 电池体内的电阻和电流被假设为一个常数。电池的体电阻被定义为： Rb=bw/A 考虑到电池的厚度。式中 b为电池的体电阻率（电导