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1、第? ?卷第?期太阳能学报?年?月? ? ? ! # ? ? %B一带间复合系数,对于硅取 B r二2.5/10一”cm,/s;cA俄歇复合系数,由材料性质决定,对于N一型51,C。二99x10一”em6/s,对于p一型51,C人。二11x lo一3 0em6/s9一1 1 。少子寿命对有效扩散长度 L e。的影响归结为对公式(4)中L的影 响,即L=甲尹刀于,D为单晶硅的扩散系数。2模拟结果和分析根据以上模型计算时,采用的参数条件如下:人射太阳光为A M1.5 (光功率密度为1田I胡Wc时),电池前表面无减反射膜,反射系数固定为R=5%,发射区的掺杂浓度N。=1xlo 9。m一,发射区的厚度
2、。= 0 .5卜m,发射区前表 面复 合速率s。=1X1 0,c耐s。整个电池面积A=4cmZ,同时忽 略电池背面对光的反射,并且假定电池整个前表面对光的反射均匀。基区掺杂浓度NA =1xl ol 6。m一,电池厚度为2 00协m,sn二1 0c而s。在此参数条件下,模拟了基区少子寿命在 不同晶粒尺寸 (l、10、 100林m,lmm和Icm)下对 J sc、V o。、F F和刀的影响。多晶硅少子寿命的计算如式 (5),与单晶硅电池模型不同的是少子有效迁移率和有效扩散长度两个物理量,因此仍可把单晶硅少子寿命模拟的程序转移到多晶硅电池上。模拟结果表明,少子寿命和晶粒尺寸是影响多晶硅太阳电池特性的
3、两个关键因素。图3所示为多晶硅基区少子寿命在不同晶粒尺寸下对电池特性影响的计算结果。图3a为多晶硅少子寿命和晶粒尺寸对短路电流 密度的影响。当多晶硅晶粒尺寸 为1协 m时,短路电流密度随少子寿命的增加而提高的趋势不明显。这是因为晶粒尺寸太小导致有效扩散长度小,光生-.一 -乙-卜-奋-州-leml mm190协m 菩u协m l林mJ侧目曰曰. 目. 瑞帕姗钧1 0一1 0巧1 0闷1 0- 3基区少子寿命l s a.对短路电 流密度的 影响10七1 0巧1 0礴基区少子寿命/ s b.对开路电压的影响0.7950.790IQ0林m 今U林 m 1协fll伟胶识鲜0.7850 7800刀7 51
4、一- 10- 710巧1 0一1 0- 4基区少子寿命/ s c.对填充因子 的影 响l8l6一一Icm 一西一lr n lll 叶一墓 Q 0协m一*一I U林m 峭一l林m4 2 OC八享、哥较戴本留来6上 10-10七1 0勺1 0刁基区少子寿命l sd.对光电转 换效 率的影 响图3基区少子寿命和晶粒尺寸对各电池特性的影响 Fi g.3Thedependenee ofJ, 。,叭。,F Fan d刀on二。an d歹ain size卷载流子无法到达结区被收集。增 大晶粒尺寸时,短路电流密度随少子寿命的提高而增大的趋势变得 明显,特别是在短的少子寿命范围内,短路电流密度随少子寿命的提高而
5、迅速增大。开路电压和填充因子在模拟的少子 寿命范围内都随少子寿命的提高而增大,如图3 b和图 3 c所示,这与单晶硅的情况一致。因为随着 少子 寿命的提高,光生载流子的收集几率提高而复合几率下降,因此短路电流密度增大,同时反向电流密度下降,所以开路电压随少子寿命的提高而增大。填充因子是开路电压的函数,在多晶硅模拟过程中未计人 串并联电阻的影响,因此填充因子也随少子寿命的提 高而增加。在多晶硅太阳电池制备工艺 中,如何优化工艺条件以提高材料的少子寿命是重点考虑的因素,因为提高材料少子寿命有助于提高电池效率,本节的模拟结果与实验出发点相吻合,如图3d所示,多晶硅太阳 电池转换效率随少子寿命的提高而
6、增加。由前面的分析可知,少子寿命长时,光生载流子的收集几率提高而复合几率下降,短路电路密度、开路电压和填充因子都增大,因此提高了电池效率。表1给出了少子寿命分别为1、1 0和10 0哪时,不同晶粒尺寸与多晶硅太阳电池效率的关系,表中数据均来源于图3d。可看出,当少子寿命为1哪,晶粒尺寸从1林m增大到1 0林m时,效 率只提高了1.6 %。根据公式 (4),当少子寿命较低时,少子寿命是影响少子有效扩散长度的关键因素,有限的少子有效扩散长度 限制了电池 内部深处产生 的电子一空穴对的收集几 率;当少子寿命增大到1 0哪,晶粒尺寸从1协m增大到lm m过程 中,效率随 晶粒尺寸的增大而显著提高,从n
7、.0%提高到1 4.8%。但当晶粒增 大到lmm后效率基本不 随晶粒尺寸的增大而提高。这是因为在少子 寿命较长时,晶粒尺寸是影响有效扩散长度 的关键因素,随着晶粒尺寸的增大,有效扩散长度增大,电子一空穴对的收集几率提高,因此转换效率提高。进一步增大晶粒尺寸,效率提高并不明显,此时少子寿命限制了效率的进一步提高。如表l,当晶粒尺寸为lm m,少子 寿命从r o畔提高到1 00畔时,效率由1 4.8%提高至1 6.6%。此外,电池效率的提高还受到有限 的电池厚度的影响,有限的电池厚度限制了材料对长波长光的吸收。表1多晶硅太阳电池效率与少子寿命和晶粒尺寸的关系Ta ble1T hedependene
8、e of刀on了。an d脚in siz e入“; m o; mo o林mm m一l林510.5 %12.1%12.6 %12.7 %12.8%10协511.0 %13.2 %14.4%14.8%149 %l0 ( )林511.7%13.9 %15.7%16.6 %16.7 %综合以上分析可得,晶粒尺寸和少 子寿命是影响多晶硅太阳电池特性的两个重要因素。在有限的电池厚度情况下,如何提高晶粒尺寸和少子寿命是多晶硅材料制备工艺和电池制备工艺中的关键。3结论本文通过详细求解少数载流子的连续性方程及其边界条件,同时引人有效迁移率和有效扩散长度两个物理概念,从而把单晶硅太阳电池的一维模型转移到多晶硅太阳
9、电池上,在光照A M I.5下得到多晶硅基区的少子寿命和晶粒尺寸与电池特性之间的定量关系。从模拟结果可得,对于厚度为20 0卜m且晶粒尺寸为1的多晶硅太阳电池,当少子 寿命为 1泌 时,电池效率为1 2.7%;当少子寿命为r o畔 时,电池效率为1 4.8%;当少子寿命达到1 00畔 时,电池效率为1 6.6%。当晶粒尺寸大于lm m时,增大晶粒尺寸,电池效率提高不明显,此时提高少子寿命有助于提高电池效率。而对于晶粒尺寸为1协m的微晶太阳电池,效率随少子寿命的提高变化不明显,效率约为n.0%。该模拟结果对物理冶金法提纯的低少子寿命多晶硅材料或小晶粒多晶硅材料制备中等效率的太阳电池具有一定的参考
10、和指导意义。 参考文献张妹玉,陈朝,多晶硅太阳电池的一维模拟计算J.半导体光电,2( X )8,29(5): 631一荀3 5.廖华,林理彬,刘祖明,等.多晶硅薄膜太阳电池厚度和晶粒尺寸对其性能的影响【J.太阳能学报,2003,2 4(2): 26 4一268. B6hmM, Se hee r HC,Wagemann HG.Atw o一di men-sion a lmo de lf orpo lye叮stallinesilieonsola reellsJ.Sola rCells,1984,13(1): 29一41.Duga sJ, ou a lidJ.Mo de ll ingo fbas e
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