第七章硅太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)

第七章

硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院12內(nèi)容:討論太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)7.1主要考量7.3背面場(chǎng)7.2襯底的摻雜7.4頂層的限制7.5上電極的設(shè)計(jì)7.6光學(xué)設(shè)計(jì)7.7光譜響應(yīng)27.1主要考量7.1.1光生載流子的收集幾率7.1.2結(jié)深7.1.3頂層的橫向電阻37.1.1光生載流子的收集幾率

收集幾率表示光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被pn結(jié)收集并參與到電流流動(dòng)的概率。456收集幾率

收集幾率是位置的函數(shù)，取決于光生載流子需要運(yùn)動(dòng)的距離和電池的表面特性。73.如果載流子是在靠近電池表面區(qū)域產(chǎn)生，表面區(qū)域復(fù)合率較高，載流子極易被復(fù)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(duì)被內(nèi)電場(chǎng)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(shù)衰減，其收集概率將下降。當(dāng)載流子在與電場(chǎng)的距離大于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，那么它的收集概率是相當(dāng)?shù)偷?。X’X8鈍化處理

要降低表面區(qū)域的高復(fù)合率，可在表面鍍上鈍化層（通常為二氧化硅SiO2），中和硅表面的懸掛鍵。

硅太陽(yáng)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?fù)诫sn++，以減小表面復(fù)合的影響。9背面場(chǎng)（BackSurfaceField）金屬電極和半導(dǎo)體之間的界面一般也是高復(fù)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?fù)诫s區(qū)P++，可以降低表面的復(fù)合速度。10處理后的收集幾率背面場(chǎng)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。117.1.2結(jié)深

假設(shè)減少的光能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，那么對(duì)光強(qiáng)公式進(jìn)行微分可以得到半導(dǎo)體中任何一個(gè)電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率G：產(chǎn)生率表示單位體積單位時(shí)間產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目，單位為m-3s-1。當(dāng)入射光譜為AM1.5時(shí)，Si材料內(nèi)的產(chǎn)生率G。電池表面的產(chǎn)生率最高12pn結(jié)的深度結(jié)盡可能靠近電池表面，以獲得較大的短路電流。電池表面的收集幾率較低13太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)要素吸收最大化復(fù)合最小化降低寄生電阻的影響串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻由頂端電極電阻和發(fā)射區(qū)電阻組成，必須對(duì)電極進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻都會(huì)降低電池的填充因子和效率。有害的低并聯(lián)電阻是一種制造缺陷，而不是參數(shù)設(shè)計(jì)的問題。157.1.3頂層的橫向電阻（薄層電阻）體電流：電池體內(nèi)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(shí)，電流須橫向流過電池材料的頂層。對(duì)于均勻摻雜的n型層，其電阻率為：橫向電阻：，t為n型層的厚度（結(jié)深），單位為Ω/□

(ohms/square)。結(jié)深t橫向電阻ρs摻雜ND橫向電阻ρs體電阻

通常，光生電流從電池體內(nèi)垂直移動(dòng)到電池表面，然后橫向穿過重?fù)诫s表面，直到被頂端電極收集。

定義電池的體電阻為：

Rb=ρbw/A式中ρb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。17橫向電阻引起的電流變化橫向電流電流流動(dòng)的距離不相等。如果體電流剛好從電池內(nèi)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(gè)柵條正中間，則電阻剛好等于兩個(gè)柵條距離的一半，電流為零。18橫向電阻帶來(lái)的功率損耗最大功率為VmpJmpbS/2，相對(duì)功率損耗p失為：式中S表示柵極間隔，b表示柵條的長(zhǎng)度。為控制功率損耗p，當(dāng)ρs較大時(shí)，S應(yīng)設(shè)計(jì)的較小，反之亦然。例題P94當(dāng)p失上限確定19為控制功率損耗p，當(dāng)ρs較大時(shí)，S應(yīng)設(shè)計(jì)的較小，反之亦然。結(jié)深t橫向電阻ρs摻雜ND橫向電阻ρs柵極間隔S的確定網(wǎng)印技術(shù)決定了S的最小值決定了ρs的最大值決定了結(jié)深t的最小值207.2襯底的摻雜NA討論摻雜濃度NAIsc大小X’X擴(kuò)散長(zhǎng)度Le結(jié)深t少子壽命τe隨摻雜濃度NA增加而減小濃度NA電流Isc21襯底的摻雜NA與開路電壓Voc的關(guān)系摻雜濃度NA電壓Voc摻雜ND橫向電阻ρs22摻雜濃度NA電壓Voc電流Isc為了獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率，存在一個(gè)最佳襯底摻雜濃度NA。摻雜濃度NA與轉(zhuǎn)換效率η的關(guān)系237.3背面場(chǎng)(BackSurfaceField)在電池背面場(chǎng)（重?fù)诫s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(zhuǎn)換效率η對(duì)應(yīng)了較低的摻雜濃度NA。247.4頂層的限制7.4.1死層7.4.2高摻雜效應(yīng)7.4.3對(duì)飽和電流密度的影響討論表面高摻雜帶來(lái)的一系列問題257.4.1死層為提高收集幾率，需降低結(jié)深t為降低表面橫向電阻帶來(lái)的功率損耗，就要降低ρs

，所以t不能無(wú)限制降低，需要提高摻雜濃度ND。20世紀(jì)60年代的電池中，t為0.5μm26死層過量的摻雜使的少數(shù)載流子壽命顯著降低磷(P)擴(kuò)散到硅內(nèi)，固定擴(kuò)散溫度下，隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加：在硅內(nèi)的磷濃度增加；硅表面磷的濃度達(dá)到飽和（上限），上限值等于該溫度下磷在硅內(nèi)的固溶度。表面區(qū)域附近的收集幾率降為零，出現(xiàn)死層。27死層的解決方法

對(duì)金屬電極的下面部分進(jìn)行重?fù)诫s，而表層的其余部分雜質(zhì)則需控制在一個(gè)平衡值。存在接觸電阻287.4.2高摻雜效應(yīng)電池表面的高摻雜將導(dǎo)致：少數(shù)載流子的壽命較低；半導(dǎo)體的禁帶寬度變窄，影響了本征濃度ni的有效值。297.4.3對(duì)飽和電流密度的影響摻雜濃度NA、ND開路電壓Voc高摻雜效應(yīng)的存在ND不能無(wú)限制增加飽和電流I0開路電壓達(dá)到上限307.5上電極的設(shè)計(jì)與上電極有關(guān)的功率損失機(jī)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(lián)電阻（發(fā)射電極電阻）以及這些金屬線與半導(dǎo)體之間的接觸電阻引起的損耗；31發(fā)射電極電阻損耗比率：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)射電極電阻損耗當(dāng)電極線性變細(xì)時(shí)，m=4。當(dāng)電極寬度均勻時(shí)，m=3。副柵線主柵線金屬層薄層電阻2023/10/732遮光損耗由柵線遮光引起的功率損失比率是：副柵線主柵線33接觸電阻損耗接觸電阻損耗僅是由副柵線所引起，相應(yīng)的功率損失比率為：式中：ρc為接觸電阻率。主柵線帶來(lái)的功率損失34主柵線帶來(lái)的功率損失=發(fā)射電極損耗+遮光損耗將上式對(duì)WB求導(dǎo)，當(dāng)導(dǎo)數(shù)為零時(shí)，得到最佳主柵線寬度：及功率損失最小值：當(dāng)用逐漸變細(xì)（錐形）的主柵線（m=4）代替等寬度的主柵線（m=3）時(shí)，功率損失大約降低13%。副柵線帶來(lái)的功率損失35副柵線帶來(lái)的功率損失=發(fā)射電極損耗+遮光損耗+橫向電阻損耗+接觸電阻損耗最佳主柵線寬度：功率損失最小值：7.6光學(xué)設(shè)計(jì)7.6.1減反射膜7.6.2絨面367.6.1減反射膜37波長(zhǎng)為λ0光束垂直入射中厚度為d1的透明層材料當(dāng)時(shí)，反射率有最小值：當(dāng)時(shí)，反射率R=0。針對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光，選用相應(yīng)厚度、折射率膜，能使反射的光減少到零。減反射膜38設(shè)計(jì)薄膜的厚度和反射率，使波長(zhǎng)為0.6μm的光的反射率達(dá)到最小。因?yàn)樘?yáng)光譜能量的峰值出現(xiàn)在0.6μm附近。每一種厚度和折射率只能對(duì)應(yīng)一種波長(zhǎng)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?？焖倥袛嗄雍穸鹊姆椒?9用Si3N4制成的減反膜7.6.2絨面40在硅表面制絨，可以增加光束入射到硅表面的次數(shù)，從而減小反射。單晶硅絨面的刻蝕41一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面<111>刻蝕便能達(dá)到制絨效果。OACDEFG單晶硅絨面的刻蝕42另一種表面制絨方法：OACDE