太陽能電池參數(shù)學(xué)習(xí)

太陽能電池簡介太陽能電池基本原理太陽能電池示意圖

左圖示意地畫出了硅pn結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，其包含上部電極，n型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體以及下部電極和背電場。太陽能電池就是一個pn結(jié)，由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場，結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場的作用，定向移動產(chǎn)生正向電流。我們通過對成品電池片模擬太陽光的光照，測試相關(guān)性能。測試界面簡介太陽能電池的各表征參數(shù)測試分選處主要表征以下太陽能電池性能數(shù)據(jù)：Temperature：測試溫度E：測試光強(qiáng)Pmpp：最佳工作點處工作功率Umpp：最佳工作點處工作電壓Impp：最佳工作點處工作電流Uoc：開路電壓Isc：短路電流Rs：串聯(lián)電阻Rsh：并聯(lián)電阻FF：填充因子Ncell：轉(zhuǎn)化效率Iap：操作點的電流Irev1：反向電壓為6伏時的反向電流Irev2：反向電壓為12伏時的反向電流Pmpp_2：光強(qiáng)為500時最佳工作點的功率Uoc_2：光強(qiáng)為500時最佳工作點的電壓Isc_2：光強(qiáng)為500時最佳工作點的電流FF_2：光強(qiáng)為500時的填充因子NCell_2：光強(qiáng)為500時的轉(zhuǎn)化效率我們主要關(guān)注開路電壓，短路電流，串聯(lián)電阻，并聯(lián)電阻，填充因子，轉(zhuǎn)化效率及暗電流。什么是填充因子測試量的相關(guān)關(guān)系填充因子即太陽電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比，用FF表示，F(xiàn)F＝Pm/IscVoc＝ImVm/IscVoc。轉(zhuǎn)化效率Eff＝Pm/MS，Pm＝FFIscVoc。對于標(biāo)準(zhǔn)狀況下，M＝1000W/m2＝100mW/cm2。

高的短路電流，開路電壓，填充因子能有效的提高電池片轉(zhuǎn)化效率。

我們可以通過工藝調(diào)試進(jìn)行相關(guān)工藝優(yōu)化，以提高電池的轉(zhuǎn)化效率。

電性能直接相關(guān)提高電性能提高開壓提高短流提高填充12開路電壓短路電流填充因子13開路電壓短路電流填充因子開路電壓的影響因素開壓影響測試溫度原材料電流電壓特性開壓影響—測試溫度開路電壓受測試機(jī)溫度影響。受測試機(jī)溫度影響，隨著溫度的升高，開路電壓會下降。為了保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可比性，我們的測試溫度有一定要求，我們控制在20度到26度。開壓影響—原材料開壓影響測試溫度原材料硅片厚度禁帶寬度電流電壓特性開壓影響—原材料—硅片厚度開路電壓受硅片厚度的影響。當(dāng)硅片厚度在200um以上時，開路電壓和硅片厚度是獨立關(guān)系。當(dāng)硅片厚度小于200um時，隨著硅片厚度的降低，開路電壓隨之減少！開壓影響—原材料—禁帶寬度理論上最大的開路電壓是由PN結(jié)的內(nèi)建勢壘電壓所決定。內(nèi)建勢壘電壓與半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg。導(dǎo)帶能級Eo，價帶能級Ev及費米能級Ef之間的關(guān)系為：開壓影響—原材料—禁帶寬度從上式可以看出如果費米能級越接近導(dǎo)帶底和滿帶頂，則內(nèi)建電壓越高。但實際上開壓VOC有一個峰值。

當(dāng)頂區(qū)濃度過高時，會引起重?fù)诫s效應(yīng)，重?fù)诫s效應(yīng)的結(jié)果，會導(dǎo)致開路電壓的降低，這是由于重?fù)诫s引起禁帶寬度收縮，影響本征載流子濃度，影響有效參雜濃度和降低少子壽命。開壓影響—原材料--禁帶寬度禁帶寬度是材料的固有屬性，對于硅，禁帶寬度為1.1ev，理論上所得到的最大開壓為700mv，相應(yīng)的最高FF為84%。開壓影響—電流電壓特性根據(jù)p-n結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過結(jié)的正向電流為：IF=Is[exp(qV/kT)-1]其中：V是光生電壓，Is是反向飽和電流。pn負(fù)載光電流IL結(jié)正向電流IFI什么是電流電壓特性？開壓影響—電流電壓特性Io為反向飽和電流。n：摻雜濃度。Il：短路電流?！裼绊慥oc的因素為短路電流，反向飽和電流和溫度?！駬诫s濃度是由擴(kuò)散工序決定。開壓影響—電流電壓特性開壓影響測試溫度原材料電流電壓特性溫度摻雜濃度短路電流暗電流開壓影響—電流電壓特性—摻雜濃度適當(dāng)?shù)奶岣邠诫s濃度能很好的提高開路電壓，當(dāng)濃度過大，引起重?fù)诫s時，會使禁帶寬度收縮，開路電壓反而減小。重?fù)诫s還會影響有效載流子濃度，減少少子壽命。開壓影響—電流電壓特性—摻雜濃度因此，為了獲得較好的電性能參數(shù)，必須選擇合適的頂區(qū)摻雜濃度，使這一濃度能有較好的開路電壓，同時又不致引起電場衰退。

這個摻雜濃度由于受禁帶寬度，基體材料特性的影響，一般通過實驗確定，選擇最佳的摻雜濃度。開壓影響—電流電壓特性—電流

電流影響分為短路電流及暗電流的影響。

暗電流會降低開路電壓，同時還會降低短路電流，暗電流的相關(guān)影響會詳細(xì)介紹。28開路電壓短路電流填充因子短路電流的影響因素提高短路電流提高吸光多激發(fā)電子空穴對降低暗電流短路電流影響—提高吸光提高短路電流提高吸光增大光強(qiáng)增大電池吸光多激發(fā)電子空穴對降低暗電流短路電流影響—提高吸光—增大光強(qiáng)增大光強(qiáng)直接增大了注入的太陽光光子流的數(shù)量。直接的提高了可激發(fā)電子空穴對數(shù)目，很好的提高了短路電流。短路電流影響—提高吸光—增大吸光增大吸光能提高太陽光的吸收。前清洗的絨面做到了光的二次吸收，一定程度上增大了太陽光的吸收。進(jìn)行絨面改善能提高電池的轉(zhuǎn)化效率。

后清洗減少刻邊寬度，增大電池表面的可利用面積，提高了電池短路電流，進(jìn)而改善了轉(zhuǎn)化效率。

PECVD的減反射膜，增大了表面光的二次吸收，提高的太陽光的二次利用，增大了短路電流。

絲網(wǎng)端的正面電極也遮住了一定的光的吸收，正面電極一般遮住了約10%的太陽光，增大柵線的高寬比，選擇合適的柵線數(shù)目能從一定程度上提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。電池片過薄，會有一部分光透過電池片，造成光的損失，現(xiàn)采用全背面印刷鋁漿對這部分損失有很大削弱。

由于背面的漂移場的存在，使一部分原本透過電池片的光子再次回到硅片機(jī)體內(nèi)，增大了光子的再次吸收。短路電流影響—多激發(fā)電子空穴對提高短路電流提高吸光多激發(fā)電子空穴對禁帶寬度死層淺結(jié)工藝降低暗電流多激發(fā)電子空穴對—禁帶寬度太陽電池的特性極大的受到頂區(qū)和基區(qū)性能的影響。硅是一種非豎直躍遷的材料，他的吸收系數(shù)隨著波長的變化較為緩慢。在光子能量達(dá)到硅的禁帶寬度時，吸收系數(shù)在100每平方厘米之內(nèi)，因此光譜中有很大一部分的光子將透過PN結(jié)，在基區(qū)內(nèi)被吸收。由此可見，硅太陽電池的性能一定程度上取決于基區(qū)情況。多激發(fā)電子空穴對—禁帶寬度材料的禁帶寬度越大，電池的開路電壓越高，但由于能量小于禁帶寬度的光子不能激發(fā)電子空穴對，因此隨著材料的禁帶寬度的增大，太陽光中產(chǎn)生光電流的光子比例也相應(yīng)得降低，從而減弱光電流。多激發(fā)電子空穴對—禁帶寬度材料的禁帶寬度與所獲得的最大電流的關(guān)系。多激發(fā)電子空穴對—死層什么是死層？

在擴(kuò)散區(qū)中，由于不活潑磷原子處于晶格間隙位置，會引起晶格缺陷，而且，由于磷和硅的原子半徑不匹配，高濃度的磷會造成晶格缺陷。因此，在硅電池表層中，少數(shù)載流子的壽命極低，表層吸收短波光子所產(chǎn)生的光生載流子對電池的光電流輸出貢獻(xiàn)甚微，此表層稱為‘死層’。多激發(fā)電子空穴對—死層‘死層’的存在是不可避免的，但是可以利用一些方法來減少‘死層’的影響。為了改善電池的短波光譜響應(yīng)，可以將發(fā)射結(jié)結(jié)深做的很淺，以減少‘死層’的影響。消除死層，提高了短波光譜在頂區(qū)的光電效應(yīng)。多激發(fā)電子空穴對—淺結(jié)工藝制備淺結(jié)的器件能夠相當(dāng)可觀的提高光電流，附加漂移場又能進(jìn)一步增大光電流。多激發(fā)電子空穴對—淺結(jié)工藝計算出短路電流與結(jié)深的關(guān)系多激發(fā)電子空穴對—淺結(jié)工藝

當(dāng)結(jié)深減少時，由于降低了復(fù)合損失，此外基區(qū)提供的光電流比頂區(qū)提供的大，因此頂區(qū)中高的表面復(fù)合速度和低的少子壽命對光電流的影響顯得沒那么重要了。增加基區(qū)的電阻率，減少電離雜質(zhì)的散射，有利于增大擴(kuò)散長度和少子壽命，從而改善了光電流。短路電流影響—降低暗電流提高短路電流提高吸光多激發(fā)電子空穴對降低暗電流隧道電流注入電流復(fù)合電流降低暗電流通過前面討論知道降低暗電流可以有效的提高開路電壓和短路電流。

暗電流分為注入電流，隧道電流和復(fù)合電流三種。

電池片的暗電流密度是注入電流密度，隧道電流密度和復(fù)合電流密度三者之和。一般通過減少復(fù)合電流的方法來減少暗電流。降低暗電流—什么是注入電流在非平衡PN結(jié)中，有載流子越過勢壘高度從N區(qū)注入P區(qū)或從P區(qū)注入N區(qū)而形成的電流，稱為注入電流。降低暗電流—什么是隧道電流他相當(dāng)于載流子不必越過勢壘高度，可以直接穿過禁帶進(jìn)入另一區(qū)域形成的電流。這種電流稱為隧道電流。降低暗電流—復(fù)合電流實際上在勢壘中，存在著電子和空穴的復(fù)合，產(chǎn)生復(fù)合電流。

降低暗電流—復(fù)合電流工藝端能通過適當(dāng)工藝手法減少復(fù)合電流的大小。前清洗通過去除機(jī)械損傷層，減少硅片的表面態(tài)，能適當(dāng)?shù)臏p少表面復(fù)合。

切片油污，金屬離子等是較強(qiáng)的復(fù)合中心，去除油污，金屬離子等能適當(dāng)?shù)母纳茝?fù)合電流，表面的潔凈度對擴(kuò)散有很大的幫助。降低暗電流—復(fù)合電流PECVD的鈍化能很好的減少硅片的表面態(tài)，減少硅片的晶格缺陷等，它的表面鈍化及體鈍化大大減少了復(fù)合中心，很好的減少了暗電流，提升了開路電壓及短路電流。降低暗電流—復(fù)合電流絲網(wǎng)端的背場，利用雜質(zhì)在金屬中的溶解度大于在硅中的溶解度。背場有很好的吸雜作用，進(jìn)一步減少了復(fù)合中心的存在，同時，背場的存在能很好的進(jìn)行再次鈍化，很好的去除懸掛鍵，減少了復(fù)合電流。所以，鋁背場對電池的暗電流有很大影響，同時影響了開路電壓及短路電流。降低暗電流—復(fù)合電流—少子壽命較長的少子壽命和擴(kuò)散長度能提高電子空穴對的分離時間，能減少電子空穴對的復(fù)合。降低暗電流—復(fù)合電流—少子壽命很薄的擴(kuò)散層通常用擴(kuò)散法制備，其少子壽命和擴(kuò)散長度依賴于參雜劑的類型，表面濃度以及擴(kuò)散之前的表面處理情況。降低暗電流—復(fù)合電流—少子壽命少子壽命和擴(kuò)散長度與晶體生長方法，基區(qū)制備工藝，基區(qū)電阻率，復(fù)合中心雜質(zhì)（如氧，銅等）的含量，退火溫度和退火時間等有著密切聯(lián)系。少子壽命一般有以下因素影響雜質(zhì)能級和雜質(zhì)濃度的影響熱處理的影響表面復(fù)合及晶粒間界的影響雜質(zhì)能級和雜質(zhì)濃度的影響

1，存在著大量的“有害”雜質(zhì)---深陷阱能級雜質(zhì)，如銅，鐵和金等2，存在著濃度高的淺雜質(zhì)能級的雜質(zhì)，雖然他們的俘獲截面小，但濃度高，因此俘獲也顯著。3，通過能帶間的俄歇復(fù)合作用，使少子壽命按摻雜濃度的平方成反比的衰減。4，重?fù)诫s引起晶格畸變，能帶收縮，增大復(fù)合。熱處理的影響在450度左右退火，能使硅材料少子壽命增長很多。熱處理的影響在太陽能電池的制備過程中，須經(jīng)相當(dāng)?shù)母邷赝嘶鸬母邷靥幚?，所以可以預(yù)計成品器件的少子壽命低于材料的壽命。壽命隨著退火溫度，冷卻速度，表面處理和晶體生長方法而異，與硅中粗存在的氧的狀態(tài)也有密切關(guān)系。表面復(fù)合及晶粒間界的影響半導(dǎo)體表面由于存在著各種表面狀態(tài)，所以會造成光生載流子的復(fù)合損失。這些表面態(tài)可能是由“懸掛鍵”化學(xué)殘留物，金屬沉積和自然氧引起的。

表面復(fù)合及晶粒界間的影響由于光照表面的復(fù)合速度大，因此頂區(qū)少子壽命短，為了減少載流子的復(fù)合，一般采用淺結(jié)工藝?？梢酝ㄟ^對硅晶體的腐蝕，降低表面復(fù)合速度。PECVD的鈍化等都能有效的降低表面態(tài)。 由于硅材料的電子激發(fā)多在基區(qū)內(nèi)，因此，對于硅材料背面復(fù)合十分重要，所以，背場的吸雜等背場處理對電池性能影響較大。表面復(fù)合及晶粒界間的影響對于多晶器件來說，晶粒界間的復(fù)合速度十分重要，若晶粒大小比摻雜濃度相同的單晶的擴(kuò)散長度小的多，那么多晶電池的有效壽命和擴(kuò)散長度將大大的低于單晶中的值。63開路電壓短路電流填充因子填充因數(shù)的影響填充因數(shù)填充因數(shù)并聯(lián)電阻串聯(lián)電阻影響FF的因素影響FF的主要因素是Rs和Rsh，Rs越小FF越大，Rsh越大，F(xiàn)F越大。串聯(lián)電阻對FF的影響并聯(lián)電阻對FF的影響串聯(lián)電阻影響因素串聯(lián)電阻是指材料的體電阻，薄層電阻，電極接觸電阻以及電極本身傳導(dǎo)電流所構(gòu)成的總串聯(lián)電阻。

串聯(lián)電阻的影響Rs主要有以下幾個組成部分：