第七章硅太陽能電池的設計

1、第七章第七章硅太陽能電池的設計硅太陽能電池的設計南京理工大學南京理工大學 材料科學與工程學院材料科學與工程學院1 12 2 內容內容:討論太陽能電池的設計細節(jié)討論太陽能電池的設計細節(jié)7.1主要考量主要考量7.3 背面場背面場7.2 襯底的摻雜襯底的摻雜7.4 頂層的限制頂層的限制7.5 上電極的設計上電極的設計7.6 光學設計光學設計7.7 光譜響應光譜響應2 27.1 7.1 主要考量主要考量7.1.1 光生載流子的收集幾率光生載流子的收集幾率7.1.2 結深結深7.1.3 頂層的橫向電阻頂層的橫向電阻3 37.1.1 7.1.1 光生載流子的收集幾率光生載流子的收集幾率 收集收集幾幾率率表

2、示表示光照射到電池的某個區(qū)域產生光照射到電池的某個區(qū)域產生的載流子被的載流子被pnpn結收集并參與到電流流動的概率結收集并參與到電流流動的概率。4 45 56 6 收集幾率收集幾率 收集幾率是位置的函數，取決于光生載流子需要運動的距離和電池的表面特性。7 73.如果載流子是在靠近電池表面區(qū)域產生，表面區(qū)域復合率較高，載流子極易被復合，收集幾率幾乎為零。1. 在耗盡區(qū)，光生載流子的收集幾率相同，這是由于該區(qū)域的電子空穴對被內電場迅速分開；2.隨著離耗盡區(qū)邊緣的距離增加，收集幾率呈指數衰減，其收集概率將下降。當載流子在與電場的距離大于擴散長度的區(qū)域產生時，那么它的收集概率是相當低的。hx Lcfe

3、Xex LcfeX8 8 鈍化處理鈍化處理 要降低表面區(qū)域的高復合率，可在表面鍍上鈍化層鈍化層（通常為二氧化硅SiO2），中和硅表面的懸掛鍵。 硅太陽能電池的鈍化層通常為絕緣體，金屬電極區(qū)域不能鈍化，所以在表面電極下面重摻雜n+，以減小表面復合的影響。9 9 背面場（背面場（Back Surface Field）金屬電極和半導體之間的界面界面一般也是高復合速度區(qū)。 在電池背面，P區(qū)下方摻雜更多III族元素，形成重摻雜區(qū)P+，可以降低表面的復合速度。1010處理后的收集幾率處理后的收集幾率背面場提高了背電極處的光生載流子收集幾率; 鈍化處理提高了電池表面的收集幾率; 兩者最終增加了短路電流Isc

4、。11117.1.2 7.1.2 結結 深深 假設減少的光能量全部用來產生電子-空穴對，那么對光強公式進行微分可以得到半導體中任何一個電子-空穴對的產生率G：0,xGN e產生率表示單位體積單位時間產生的電子-空穴對數目，單位為m-3s-1。當入射光譜為AM1.5時，Si材料內的產生率G。電池表面的產電池表面的產生率最高生率最高1212pnpn結的深度結的深度結盡可能靠近電池表面，以獲得較大的短路電流。電池表面的收電池表面的收集幾率較低集幾率較低1313太陽能電池的設計要素太陽能電池的設計要素吸收最大化復合最小化降低寄生電阻的影響串聯電阻串聯電阻串聯電阻由頂端電極電阻和發(fā)射區(qū)電阻組成，必須對電

5、極進行設計和優(yōu)化。并聯電阻和串聯電阻都會降低電池的填充因子和效率。有害的低并聯電阻是一種制造缺陷，而不是參數設計的問題。15157.1.3 7.1.3 頂層的橫向電阻（薄層電阻）頂層的橫向電阻（薄層電阻）體電流：電池體內電流方向一般垂直于電池的表面。橫向電流：電池表面的柵狀電極引出電流時，電流須橫向流過電池材料的頂層。對于均勻摻雜的n型層，其電阻率為：1eDqN橫向電阻：1seDqN t，t為n型層的厚度（結深），單位為/ (ohms/square) 。結深t橫向電阻s摻雜ND橫向電阻s體電阻體電阻 通常，光生電流從電池體內垂直移動到電池表面，然后橫向穿過重摻雜表面，直到被頂端電極收集。 定義

6、電池的體電阻為： Rb=bw/A式中b為電池的體電阻率，A為電池面積，w為電池主體區(qū)域的寬度。1717橫向橫向電阻電阻引起的電流變化引起的電流變化橫向電流橫向電流電流流動的距離不相等。如果體電流剛好從電池內部流到電極附近，路程短，電阻較小，電流較大。如果電流流到兩個柵條正中間，則電阻剛好等于兩個柵條距離的一半，電流為零。1818橫向橫向電阻電阻帶來的功率損耗帶來的功率損耗 最大功率為VmpJmpbS/2，相對功率損耗p失為：212smplossmpmpS JPpPV失212mpsmpVSpJ失式中S表示柵極間隔，b表示柵條的長度。為控制功率損耗p，當s較大時，S應設計的較小，反之亦然。例題 P

7、94當p失上限確定1919為控制功率損耗p，當s較大時，S應設計的較小，反之亦然。結深t橫向電阻s摻雜ND橫向電阻s柵極間隔柵極間隔S的確定的確定網印技術決定了S的最小值決定了s的最大值決定了結深t的最小值1seDqN t212mpsmpVSpJ失20207.2 7.2 襯底的摻雜襯底的摻雜NA討論討論摻雜濃度摻雜濃度NAI Iscsc大小大小hx LcfeXex LcfeX擴散長度擴散長度Le結深結深t teeeLD少子壽命少子壽命e隨摻雜隨摻雜濃度濃度NA增加增加而而減小減小濃度濃度NA電流電流Isc21210,1ln0IIIqkTVLoc襯底的摻雜襯底的摻雜N NA A與開路電壓與開路電

8、壓V Vococ的關系的關系220=eihieAhDD nD nIqAL NL N摻雜濃度摻雜濃度NA電壓電壓Voc摻雜ND橫向電阻s2222摻雜濃度摻雜濃度NA電壓電壓Voc電流電流Isc 為了獲得最大的能量轉換效率，存在一個最佳為了獲得最大的能量轉換效率，存在一個最佳襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度NA。摻雜濃度NA與轉換效率的關系23237.3 背面場背面場(Back Surface Field)在電池背面場（重摻雜區(qū)P+）收集幾率增加，使得短路電流Isc增加。 隨著摻雜濃度NA減小，Voc幾乎保持不變，Isc增加，所以最大轉換效率對應了較低的摻雜濃度NA 。24247.4 頂層的限制頂層的限制

9、7.4.1 死層死層7.4.2 高摻雜效應高摻雜效應7.4.3 對飽和電流密度的影響對飽和電流密度的影響討論表面高摻雜帶來的一系列問題25257.4.1 死層死層1seDqN t為提高收集幾率，需降低結深t 為降低表面橫向電阻表面橫向電阻帶來的功率損耗，就要降低s ，所以t不能無限制降低，需要提高摻雜濃度ND。20世紀60年代的電池中，t為0.5m2626死層死層 過量的摻雜使的少數載流子壽命顯著降低 磷(P)擴散到硅內，固定擴散溫度下，隨著擴散時間的增加：在硅內的磷濃度增加；硅表面磷的濃度達到飽和（上限），上限值等于該溫度下磷在硅內的固溶度。 表面區(qū)域附近的收集幾率降為零，出現死層。2727

10、死層的解決方法死層的解決方法 對金屬電極的下面部分進行重摻雜，而表層的其余部分雜質則需控制在一個平衡值。存在接觸電阻28287.4.2 高摻雜效應高摻雜效應電池表面的高摻雜將導致：少數載流子的壽命較低；半導體的禁帶寬度變窄，影響了本征濃度ni的有效值。29297.4.3 對飽和電流密度的影響對飽和電流密度的影響摻雜濃度摻雜濃度NA、ND開路電壓開路電壓Voc 高摻雜效應的存在ND不能無限制增加飽和電流飽和電流I0開路電壓達到上限30307.5 7.5 上電極的設計上電極的設計與上電極有關的功率損失機制：電池被金屬柵線屏蔽所引起的損失。電池頂部橫向電流引起的損耗； 各金屬線的串聯電阻（發(fā)射電極電

11、阻）以及這些金屬線與半導體之間的接觸電阻引起的損耗；3131發(fā)射電極電阻損耗比率：21mprfsmfmpFJSPBmVW211mprbsmbmpBJPA BmVW副柵線主柵線BAWF、WB為單元電池副柵線和主柵線的平均寬度。發(fā)射電極電阻損耗發(fā)射電極電阻損耗當電極線性變細時，m=4。當電極寬度均勻時，m=3。副柵線主柵線金屬層薄層電阻2022-5-73232遮光損耗遮光損耗由柵線遮光引起的功率損失比率是：FsfWPS副柵線主柵線BsbWPB3333接觸電阻損耗接觸電阻損耗 接觸電阻損耗僅是由副柵線副柵線所引起，相應的功率損失比率為：mpcfcmpFJSPVW 式中： c為接觸電阻率。 主柵線帶來

12、的功率損失主柵線帶來的功率損失3434mpsmbBmpJWABm Vmin2mpsmbrbsbmpJppAm V 主柵線帶來的功率損失=發(fā)射電極損耗+遮光損耗+rbsbPP211mpBsmbmpBJWA BmVWB將上式對WB求導，當導數為零時，得到最佳主柵線寬度最佳主柵線寬度：及功率損失最小值功率損失最小值： 當用逐漸變細（錐形）的主柵線（m=4）代替等寬度的主柵線（m=3）時，功率損失大約降低13%。副柵線帶來的功率損失副柵線帶來的功率損失3535副柵線帶來的功率損失 =發(fā)射電極發(fā)射電極損耗損耗+遮光損耗+橫向電阻損耗橫向電阻損耗+接觸電阻損耗+rfcfsftlPPPP22112mpmps

13、mpFsmfcmpFmpFmpJJS JWSSBmVWVWSV221min02smfcmpFmpsmfcmprfcfsftmpSm BJWBSmVm BJppppBmV最佳主柵線寬度最佳主柵線寬度：功率損失最小值功率損失最小值：7.6 7.6 光學設計光學設計7.6.1 7.6.1 減反射膜減反射膜7.6.2 7.6.2 絨面絨面36367.6.1 7.6.1 減反射膜減反射膜3737波長為0光束垂直入射中厚度為d1的透明層材料當 時，反射率有最小值：22102min2102nn nRnn n0114dn當 時，反射率R=0。102nn n 針對某一特定波長的光，選用相應厚度、折射率膜，能使反射的光減少到零。減反射膜減反射膜3838 設計薄膜的厚度和反射率，使波長為0.6m的光的反射率達到最小。因為太陽光譜能量的峰值出現在0.6m附近。每一種厚度和折射率只能對應一種波長的光。 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。但成本通常太高。快速判斷膜層厚度的方法快速判斷膜層厚度的方法3939用Si3N4制成的減反膜7.6.2 7.6.2 絨面絨面4040 在硅表面制絨，可以增加光束入射到硅表面的次數，從而減小反射。單晶硅絨面的刻蝕單晶硅絨面的刻蝕4141 一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面刻蝕便能達到制絨效果。abcOACDEFG單晶硅絨面的