硅太阳能电池的设计

1、第四章：第四章： 硅太阳能电池的设计硅太阳能电池的设计 2021-6-251 4.1 基础太阳能基础太阳能 电池设计电池设计 4.2 光学设计光学设计 4.3 复合效应的复合效应的 降低降低 4.4 电阻损耗电阻损耗 4.5 太阳能电池太阳能电池 的结构的结构 太阳能电池的设计包括明确电池结构的太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数参数以以 使转换效率达到最大，以及设置一定的使转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件限制条件。这。这 些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如，些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如， 如果用于如果用于商业商业，即以生产最具价格优势的电池为目标，即以生产

2、最具价格优势的电池为目标， 则需要着重考虑制造电池的则需要着重考虑制造电池的成本成本问题。然而，如果只问题。然而，如果只 是用于以获得高转换是用于以获得高转换效率效率为目标的实验研究，则主要为目标的实验研究，则主要 考虑的便是最高效率而不是成本。考虑的便是最高效率而不是成本。 2021-6-252 4.1.1 基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 4.1.1 基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 硅太阳能电池效率的演变硅太阳能电池效率的演变 4.1.1 基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 理论上，光伏电池的最高转换效率能达到理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上以上。然。然 而，这一

3、数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实而，这一数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实 际上很难或根本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和际上很难或根本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和 对器件物理的理解上很难达到。对于硅太阳能电池来说，其对器件物理的理解上很难达到。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%。现今现今实验室测得的实验室测得的硅太阳能电池的最高效率为硅太阳能电池的最高效率为24.7%。 理论值与实际测量值之间的理论值与实际测量值之间的差距差距主要来自主要来自两个方面因

4、素两个方面因素。 首先首先，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能 量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽 度与其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人度与其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，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。的模型，每一层都只吸收能量与其禁带宽度相等的光子。 第二第二个因素是假设入射光有高聚光比。并假设温度和电个因

5、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。因为开路电压加短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，受短路电流的影响，VOC随着光随着光 强呈对数上升。再者，因为填充因子也随着强呈对数上升。再者，因为填充因子也随着VOC的提高而提高，的提高而提高， 所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额 外上升的外上升的VOC和和FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。使聚光太阳能电池获得更高的效率。 为获得最高效率为获得

6、最高效率，在设计单节太阳能电池时，应注意几项，在设计单节太阳能电池时，应注意几项 原则：原则： 1. 提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。 2. 提高提高pn结收集光生载流子的能力。结收集光生载流子的能力。 3. 尽量减小黑暗前置电流。尽量减小黑暗前置电流。 4. 提取不受电阻损耗的电流。提取不受电阻损耗的电流。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学5 4.1.1 基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 被顶端被顶端 电极所电极所 阻挡阻挡 表面反射表面反射 被电池的背面反射被电池的背面反射 光的损耗主要以降低短光的损耗主要以降低短 路电流的方式影

7、响太阳能电路电流的方式影响太阳能电 池的功率。被损耗的光包括池的功率。被损耗的光包括 本来有能力在电池中产生电本来有能力在电池中产生电 子空穴对，但是被电池表面子空穴对，但是被电池表面 反射走的光线。对于大多数反射走的光线。对于大多数 太阳能电池来说，所有的可太阳能电池来说，所有的可 见光都能产生电子空穴对，见光都能产生电子空穴对， 因此它们都能被很好地吸收。因此它们都能被很好地吸收。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学6 4.2.1 光学特性光学特性 光的损耗光的损耗 有很多有很多减少光损失减少光损失的方法：的方法： 尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能尽量使电池顶端电极

8、覆盖的面积达到最小（尽管这样可能 导致串联电阻的增加）。这一点在导致串联电阻的增加）。这一点在串联电阻串联电阻一节中有详细一节中有详细 讨论讨论 。 在电池上表面加减反射膜在电池上表面加减反射膜 表面制绒表面制绒 增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与pn结的距离大结的距离大 于扩散长度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短于扩散长度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短 路电流没有贡献）路电流没有贡献） 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 2021-6-25UNSW新南威尔士大学7 4

9、.2.1 光学特性光学特性 光的损耗光的损耗 加在太阳能电池上表面的减反射膜与在其他加在太阳能电池上表面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。表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光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与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的 光强为零光强为零。除了减反射膜，干涉效应还能在

10、水面。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。上的油膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学8 4.2.2 光学特性光学特性 减反射膜减反射膜 4.2.2 光学特性光学特性 减反射膜减反射膜 使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。 (a)破坏性破坏性 干涉导致干涉导致 反射光为反射光为 零零 (b)建设性建设性 干涉导致干涉导致 所有的光所有的光 都被反射都被反射 所有光所有光 传入半传入半 导体导体 没有光没有光 传入半传入半 导体导体 减反射膜的厚度经过特殊设计，

11、刚好为入射光波减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光波 长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1的薄的薄 膜材料，入射光真空中的波长为膜材料，入射光真空中的波长为0 0，则使反射最小，则使反射最小 化的薄膜厚度为化的薄膜厚度为 d1 1= =0 0/ /（4 4n1 1） 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率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。即的几何平均数，反射将被进一步降低。即 102 nn n 2021-6-2510 4.2.2 光学特性光学特性 减反射膜减反射膜 4.2.2 光学特性光学特性

12、减反射膜减反射膜 尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率 膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每膜和相应波长的光，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。一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏应在光伏应 用中用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为，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。最接近太阳光谱能量的峰值。 如果镀上如果镀上多层减反射膜多层减反射膜，能减少反射率的光谱范，能减少反射

13、率的光谱范 围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来讲，围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来讲， 这样的成本通常太高。这样的成本通常太高。 4.2.2 光学特性光学特性 减反射膜减反射膜 裸硅裸硅 覆盖有折射率为覆盖有折射率为2.3的最优化抗反膜玻璃的硅的最优化抗反膜玻璃的硅 （仅）覆盖玻璃的硅（仅）覆盖玻璃的硅 Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating. 在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使在硅

14、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，所以都能起到减小加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小 反射的效果。反射的效果。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学13 4.2.3 光学特性光学特性 表面制绒表面制绒 4.2.3 光学特性光学特性 表面制绒表面制绒 表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面表面制绒有几种方法。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刻蚀便能达到制绒效

15、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的表面。下图画出话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成的表面。下图画出 了一个这样的金字塔结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的了一个这样的金字塔结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的 硅表面制绒。这种制绒方式叫硅表面制绒。这种制绒方式叫“随机型金字塔随机型金字塔”制绒，通常在制绒，通常在 单晶硅电池制造上使用。单晶硅电池制造上使用。 右图便是组成晶硅右图便是组成晶硅 太阳能电池制绒表面的太阳能电池制绒表面的 金字塔结构金字塔结构。 单晶硅单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片制绒表面的电子显微镜扫描照片 另一种表面制绒方式叫

16、另一种表面制绒方式叫“倒金字塔型倒金字塔型”制绒。这种制绒制绒。这种制绒 方法是往硅表面下面刻蚀，而不是从表面往上刻蚀，如图所方法是往硅表面下面刻蚀，而不是从表面往上刻蚀，如图所 示。示。 4.2.3 光学特性光学特性 表面制绒表面制绒 单晶硅单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片制绒表面的电子显微镜扫描照片 4.2.3 光学特性光学特性 表面制绒表面制绒 多晶硅多晶硅制制 绒表面的绒表面的 电子显微电子显微 镜照片镜照片 刻蚀刻蚀多晶硅多晶硅表面时，上面讲到的两种方法都不能使用，表面时，上面讲到的两种方法都不能使用， 因为只有在由因为只有在由晶体表面构成的表面才能完成有效的形晶体表面构成的表面才

17、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态。而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有方向。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。切割锯或激光把表面切割成相应的形状。 像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换像减小表面反射一样，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。下面的动画展示了硅太阳能电池对光的吸收是如和吸收系数。下面的动画展示了硅太阳能电池对光

18、的吸收是如 何随着电池厚度变化的。何随着电池厚度变化的。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学17 对于厚度超过对于厚度超过10mm的硅的硅 电池来说，入射光能量大于禁电池来说，入射光能量大于禁 带宽度的部分基本全部被吸收。带宽度的部分基本全部被吸收。 总电流的总电流的100%指的是所有能被指的是所有能被 硅吸收的光都被吸收了。当硅硅吸收的光都被吸收了。当硅 材料厚度为材料厚度为10微米时，只有微米时，只有 30%的可吸收光被吸收。损失的可吸收光被吸收。损失 的光子用橙色和红色表示。的光子用橙色和红色表示。 4.2.4 光学特性光学特性 电池厚度电池厚度 4.2.5 光学特性光学特性 光陷

19、阱光陷阱 最佳的电池厚度并不单单是由吸收所有的光这一需要决最佳的电池厚度并不单单是由吸收所有的光这一需要决 定的。例如，如果光在与定的。例如，如果光在与pn结距离小于扩散长度的区域被吸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。此外，就像收，但产生的载流子却被复合了。此外，就像复合引起的电复合引起的电 压损失压损失一节所讲那样，一节所讲那样，如果电池的厚度变薄但是吸收的光线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不变，开路电压将比厚电池的大。经过结构优化的太阳电池。经过结构优化的太阳电池 通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长度，所谓电池光通常拥有比电池实

20、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，这意倍，这意 味着光线能在电池内来回反弹许多遍。味着光线能在电池内来回反弹许多遍。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学18 4.2.5 光学特性光

21、学特性 光陷阱光陷阱 通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子通常，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：定律求得： n1sin1=n2sin 2 其中， 其中，12分别是入射角和折射角，而分别是入射角和折射角，而n1为光入为光入

22、射介质的折射率，射介质的折射率，n2光射出介质的折射率。光射出介质的折射率。 对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射 的角度（即折射角）：的角度（即折射角）： 1 2112 sinnsin/ n 2021-6-2520 对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的 存在而使得角度存在而使得角度1等于等于36，如下图所示，如下图所示 光在经制绒的太阳能电池上的反射和入射光在经制绒的太阳能电池上的反射和入射 4.2.5 光学特性光学特性 光陷阱光陷阱 4.2.5 光学特性光学特性

23、光陷阱光陷阱 1 21 - 1 n n sin 如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将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，设中，设2为为0，得：，得： 利用全内反射，可以把光困在利用全内反射，可以把光困在 电池内面，使穿入电池的光成倍增电池内面，使穿入电池的光成倍增 加，因此厚度很薄的电池也能拥有加，因此厚度很薄的电池也能拥有 很长的光路径长度。很长的光路径长度。 朗伯朗伯背反射层背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的是一种特殊的背反射层，它能使反射光的

24、方向随机化。电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的方向随机化。电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的 吸收和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的吸收和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。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。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因为回电池内。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因为 光的路径长度能达到光的路径长度能达到4n2，n为半导体的折射率为半导体

25、的折射率(Yablonovitch and Cody, 1982)。使光的路径长度长达电池厚度的。使光的路径长度长达电池厚度的50倍倍，因，因 此这是一个十分有效的围困光线的技术。此这是一个十分有效的围困光线的技术。 4.2.6 光学特性光学特性 朗伯背反射层朗伯背反射层 朗伯背反射层如下图所描述：朗伯背反射层如下图所描述： 4.2.6 光学特性光学特性 朗伯背反射层朗伯背反射层 UNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 小于临界角入射小于临界角入射 的光逃出电池的光逃出电池 光被全光被全 反射并反射并 围困在围困在 电池内电池内 入射光入射光 电池底部的随机散射电池底部的随机散射 顶角等顶角等

26、于临界于临界 角的椎角的椎 体内的体内的 光损失光损失 掉了掉了 复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注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 区域区域不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（表表 面复合面复合）和电池体内（）和电池体内（体复合体复合）的复合是主要的复合形式。而）的复合是主要的复合形式。而 耗尽区耗尽区则是另外一个会发生复合的区域。则是另外一个会发生复合的区域。 24 4.3.1 减少复合效

27、应减少复合效应 复合损耗复合损耗 为了让为了让pn结能够吸收所有的光生载流子，结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和表面复合和 体复合都要尽量减到最小体复合都要尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样。对于硅太阳能电池，要达到这样 的效果，所需条件为：的效果，所需条件为： 载流子必须在与载流子必须在与pn结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩 散到散到pn结并被收集。结并被收集。 对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶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），光生载流子与界），光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距结

28、的距离必须小于与高复合区域的距 离。相反，在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载离。相反，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流子可以与低复合区域距离更近些，因为它依然能扩散到pn 结并被收集，而不会复合。结并被收集，而不会复合。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学25 4.3.2 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电流损失复合引起的电流损失 4.3.2 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电流损失复合引起的电流损失 电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能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

29、有不同的收集概率。蓝光的吸收率很高，并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合区域的话，那么蓝光产生的载流子就不怎么可能被pn结结 收集。类似的，如果电池的背表面的复合效应很强，将主要收集。类似的，如果电池的背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）。太阳能电池的量子效率量化了复合效应对光生电流的子）。太阳能电池的量子效率量化了复合效应

30、对光生电流的 影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学27 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 前表面的反前表面的反 射和复合射和复合 体内和背面的体内和背面的 复合加上没被复合加上没被 吸收的光吸收的光 4.3.2 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电流损失复合引起的电流损失 4.3.2 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电流损失复合引起的电流损失 三种不同类型的三种不同类型的晶体硅晶体硅太阳能电池的量子效率曲线。埋太

31、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。曲线则表示电池的外部量子效率。PERL电池对红外光的响电池对红外光的响 应最好，因为被良好地钝化，有高效率的背表面反射。应最好，因为被良好地钝化，有高效率的背表面反射。 丝网印刷丝网印刷 埋栅埋栅 PERL 开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时的开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时的 光电压。前置扩散电流的大小取决于光电压。前置扩散电流的大小取决于pn结处复合效应的大小，结处复合效应的大小， 即扩散电流随着复合的提高

32、而上升。结果是，高复合提高了即扩散电流随着复合的提高而上升。结果是，高复合提高了 前置扩散电流反过来却降低了开路电压。能表示在前置电压前置扩散电流反过来却降低了开路电压。能表示在前置电压 下的复合大小的材料参数是下的复合大小的材料参数是“二极管饱和电流二极管饱和电流”。而复合的。而复合的 大小由大小由pn结边缘的少数载流子的数量控制，即它们离开结边缘的少数载流子的数量控制，即它们离开pn结结 的速度有多快，复合的速度就有多快。所以，黑的速度有多快，复合的速度就有多快。所以，黑暗前置电流暗前置电流 以及开路电压将受到下面几个因素影响以及开路电压将受到下面几个因素影响： pn结边缘的少数载流子数量

33、。从结边缘的少数载流子数量。从pn结另一边注入的少数载流结另一边注入的少数载流 子数量，等于在平衡状态下的少数载流子数量乘以一个由电子数量，等于在平衡状态下的少数载流子数量乘以一个由电 池电压和温度决定的指数因子。因此，尽量减少平衡少数载池电压和温度决定的指数因子。因此，尽量减少平衡少数载 流子浓度将减少复合。而减少平衡少数载流子浓度可以通过流子浓度将减少复合。而减少平衡少数载流子浓度可以通过 增加掺杂增加掺杂来实现。来实现。 4.3.3 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电压损失复合引起的电压损失 材料的扩散长度。短的扩散长度意味着少数载流子由于复合，材料的扩散长度。短的扩散长度意味着少数

34、载流子由于复合， 在在pn结边缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，提结边缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，提 高前置电流。因此，高前置电流。因此，必须有长的扩散长度必须有长的扩散长度才能尽量减少复合才能尽量减少复合 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需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电压它同时影响着电流和电压)与高电压之与高电压之 间的平衡。间的平衡。 与与pn结距离小于扩散长度的区

35、域存在局部复合区。靠近结距离小于扩散长度的区域存在局部复合区。靠近pn结结 的高复合区（通常为表面或晶界）使得载流子迅速的移向它，的高复合区（通常为表面或晶界）使得载流子迅速的移向它， 接着被复合，因此大幅度提高复合电流。通过接着被复合，因此大幅度提高复合电流。通过表面钝化表面钝化能够能够 降低表面复合的影响。降低表面复合的影响。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学30 4.3.3 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电压损失复合引起的电压损失 4.3.3 减少复合效应减少复合效应 复合引起的电压损失复合引起的电压损失 在假设良好表面钝化的前提下，掺杂（在假设良好表面钝化的前提下，掺杂（

36、ND）对扩散长度和开路电压）对扩散长度和开路电压 的影响。的影响。 扩散长度扩散长度 开路电压开路电压 下图显示对两种参数的权衡。下图显示对两种参数的权衡。 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。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。 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 前表面是电池中载流子生成率非常高的区域。要降低此区域的高复前表面是电池中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（通常为二氧化硅）的方式来减合率，可以通过在表面镀上钝化层（通常为二氧化硅

37、）的方式来减 小硅表面的悬挂键。小硅表面的悬挂键。 4.3.4 减少复合效应减少复合效应 表面复合表面复合 对电池背部进行重掺杂，让少数载流子对电池背部进行重掺杂，让少数载流子 （这里为电子）远离高复合率的背电极（这里为电子）远离高复合率的背电极 在电极下面重掺杂，让少数载流子远离在电极下面重掺杂，让少数载流子远离 高复合率的前端电极高复合率的前端电极 pn结的电场结的电场 二氧化硅二氧化硅“钝化钝化”表面并表面并 减少表面复合减少表面复合 降低表面复合影响的技术降低表面复合影响的技术 因为硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，所以有金属电因为硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，所以有金属电 极的区

38、域便不能被二氧化硅钝化。取而代之的，是在表面电极极的区域便不能被二氧化硅钝化。取而代之的，是在表面电极 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 的电池表面非常接近于的电池表面非常接近于pn结时，要使复合的影响达到最小，就结时，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。类似的方法也使用在减少背表必

39、须尽可能的增加掺杂的浓度。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结的距离小结的距离小 于扩散长度。于扩散长度。“背电场背电场”由电池背面的高掺杂区域组成。在高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

40、的效果。的效果。 4.3.4 减少复合效应减少复合效应 表面复合表面复合 除了使除了使吸收最大吸收最大化和化和复合最小复合最小化之外，设计一化之外，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。并联电阻和串联电阻都电阻造成的损耗降到最低。并联电阻和串联电阻都 会降低电池的填充因子和效率。有害的会降低电池的填充因子和效率。有害的低并联电阻低并联电阻 是一种是一种制造缺陷制造缺陷，而不是参数设计的问题。然而，而不是参数设计的问题。然而， 由顶端电极电阻和发射区电阻组成的由顶端电极电阻和发射区电阻组成的串联电阻串联电阻就跟就

41、跟 并联电阻有所不同，必须小心设计电池结构的类型并联电阻有所不同，必须小心设计电池结构的类型 和尺度以和尺度以优化优化电池的效率。电池的效率。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学34 4.4.1 顶端电极的设计顶端电极的设计 串联电阻串联电阻 4.4.1 顶端电极的设计顶端电极的设计 串联电阻串联电阻 母母 栅栅 子栅子栅 网格线网格线 电池的串联电阻有几个部分组成，如下图所示。在这些成电池的串联电阻有几个部分组成，如下图所示。在这些成 分中，发射区和顶端电极（包括子栅电阻和母栅电阻）对串分中，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，因此也是最需要优化的区域。联

42、电阻的贡献最大，因此也是最需要优化的区域。 太阳能电池中电阻组成及电流流向太阳能电池中电阻组成及电流流向 金属顶端电极是用来收集电池产生的电流的。金属顶端电极是用来收集电池产生的电流的。“母栅母栅”直直 接与外部电路连接，而接与外部电路连接，而“子栅子栅”负责从电池内部收集电流并传送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，关键是要取得一个平衡，即窄到母栅。在顶端电极的设计中，关键是要取得一个平衡，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。的平衡。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学36 子

43、子 栅栅 母栅母栅 4.4.1 顶端电极的设计顶端电极的设计 串联电阻串联电阻 太阳能电池顶端触极设计。太阳能电池顶端触极设计。 母栅和子栅连接并将产生母栅和子栅连接并将产生 的电流传到外电极。的电流传到外电极。 通常，光生电流从电池体内垂直移动到电池表面，然后通常，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。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：阻被定义为： Rb=bw/A 考虑到电池的厚度。考虑到电池的厚度。 式中式中b为电池的体电阻率（

44、电导率的倒数）（硅电池通常为为电池的体电阻率（电导率的倒数）（硅电池通常为 0.5-5.0cm），）， A为电池面积，为电池面积，w为电池主体区域的宽度。为电池主体区域的宽度。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学37 4.4.2 顶端电极的设计顶端电极的设计 体电阻体电阻 对于发射（区）层，其电阻率和厚度都是不知道的，对于发射（区）层，其电阻率和厚度都是不知道的， 使得人们很难通过电阻率和厚度来计算表层的电阻大小。使得人们很难通过电阻率和厚度来计算表层的电阻大小。 然而，然而，“表层电阻率表层电阻率”，一个取决于电阻率和厚度的参数，一个取决于电阻率和厚度的参数， 却可以通过电池的却可以通

45、过电池的n型层表面很轻易地测量出来。对于掺杂型层表面很轻易地测量出来。对于掺杂 均匀的薄层来说，表层电阻率定义为：均匀的薄层来说，表层电阻率定义为： = = / /t 其中，其中， 为为n型层的电阻率，型层的电阻率，t为表层的厚度。为表层的厚度。 表层电阻率通常表示为欧姆表层电阻率通常表示为欧姆/ /平方或平方或/ / 2021-6-25UNSW新南威尔士大学38 4.4.3 顶端电极的设计顶端电极的设计 表层电阻率表层电阻率 4.4.3 顶端电极的设计顶端电极的设计 表层电阻率表层电阻率 0 1 t dx / x 只要仍然保持正方形，则无论尺寸多大，方形导电片的只要仍然保持正方形，则无论尺寸

46、多大，方形导电片的 电阻都是一样大的。电阻都是一样大的。 对于掺杂不均匀的对于掺杂不均匀的n型层来说，型层来说，的分布也是不均匀的，则：的分布也是不均匀的，则： 发射区的表层电阻率可以使用发射区的表层电阻率可以使用 “四点探针法四点探针法”非常容易的测出来。非常容易的测出来。 电流流到探针，并在中间两个探针之电流流到探针，并在中间两个探针之 间产生压降。间产生压降。n型区与型区与p型区之间的型区之间的pn 结扮演着绝缘层的角色，使得测量表结扮演着绝缘层的角色，使得测量表 层电阻时不受影响，此外，测量时电层电阻时不受影响，此外，测量时电 池必须处在黑暗环境中。池必须处在黑暗环境中。 2021-6

47、-25UNSW新南威尔士大学40 4.4.3 顶端电极的设计顶端电极的设计 表层电阻率表层电阻率 4.4.3 顶端电极的设计顶端电极的设计 表层电阻率表层电阻率 I2ln V 利用实验测得的电压和电流，可算得：利用实验测得的电压和电流，可算得： 式中式中/ln2=4.53 一般硅太阳能电池的表层电阻率在一般硅太阳能电池的表层电阻率在30-100/ /之间。之间。 基于前面的表层电阻率，作为顶端电极栅间距的函数且由基于前面的表层电阻率，作为顶端电极栅间距的函数且由 发射区电阻造成的功率损失便可计算出来。然而，在发射区的发射区电阻造成的功率损失便可计算出来。然而，在发射区的 电流流动的距离并不都是

48、相等的。如果电流刚好从电池内部流电流流动的距离并不都是相等的。如果电流刚好从电池内部流 到电极附近，则因此路程很短。但是如果电流流到两个栅条之到电极附近，则因此路程很短。但是如果电流流到两个栅条之 间的话，则电阻路径刚好等于两个栅条距离的一半。间的话，则电阻路径刚好等于两个栅条距离的一半。 42 载流子从电池的载流子从电池的 产生点流到外部电极产生点流到外部电极 的理想效果图。需要的理想效果图。需要 注意的是，实际中的注意的是，实际中的 发射区要比图中的薄发射区要比图中的薄 很多。很多。 4.4.4 顶端电极的设计顶端电极的设计 发射区电阻发射区电阻 4.4.4 顶端电极的设计顶端电极的设计

49、发射区电阻发射区电阻 右图为计算由电右图为计算由电 池表层的横向电阻造池表层的横向电阻造 成的功率损失时用到成的功率损失时用到 的数据。的数据。 在在y方向逐渐递增的功率损失为：方向逐渐递增的功率损失为：dPloss=l2dR 其中其中dR=dy/A 式中式中y为两个栅条之间的距离。为两个栅条之间的距离。 如下图所示：如下图所示： 表层横向电流的大小决定于表层横向电流的大小决定于y和和I（y），在两栅条之间），在两栅条之间 的中间点的大小为零，并沿着中间点到栅条的线逐渐增加。的中间点的大小为零，并沿着中间点到栅条的线逐渐增加。 计算电流的方程为：计算电流的方程为： I（y）=Jby J为电流强

50、度，为电流强度，b为栅条的长度，而为栅条的长度，而y是两栅条的间隔距离。是两栅条的间隔距离。 终上所述，在终上所述，在1/2单元电池中，顶层阻抗引起的功率损耗为：单元电池中，顶层阻抗引起的功率损耗为： 222223 2 0 24 s/ loss J b ydyJ bS PI y dR b %100 V12 JSR P P mp mp 2 max loss % P 2021-6-25UNSW新南威尔士大学44 式中式中S同样为两栅间距。同样为两栅间距。 在最大功率输出点，这个区域内的功率为在最大功率输出点，这个区域内的功率为VmpJmpbs/2，则相对，则相对 功率损耗为：功率损耗为： 4.4.

51、4 顶端电极的设计顶端电极的设计 发射区电阻发射区电阻 接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处。要降低接触接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处。要降低接触 电阻的损耗，就必须对电阻的损耗，就必须对n型层的顶层进行重掺杂。然而，重掺杂水平型层的顶层进行重掺杂。然而，重掺杂水平 也会引起不良后果。即如果高浓度的磷被扩散到硅中，当温度下降也会引起不良后果。即如果高浓度的磷被扩散到硅中，当温度下降 时，多余的磷会被析出电池表层，形成一层时，多余的磷会被析出电池表层，形成一层“死层死层”，在这层中光，在这层中光 生载流子的收集几率非常低。许多商用电池因为死层的出现而导致生载流子的收集几率非常低

52、。许多商用电池因为死层的出现而导致 对蓝光的响应很差。因此，解决的办法是，对金属电极的下面部分对蓝光的响应很差。因此，解决的办法是，对金属电极的下面部分 进行重掺杂，而表层的其余部分则需控制在一个平衡值，也就是在进行重掺杂，而表层的其余部分则需控制在一个平衡值，也就是在 获得低发射区饱和电流和高发射区扩散长度之间达到平衡。获得低发射区饱和电流和高发射区扩散长度之间达到平衡。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学45 顶端金属电极顶端金属电极 金属与硅界面的高接触电阻金属与硅界面的高接触电阻 对界面重掺杂以减小接触电阻对界面重掺杂以减小接触电阻 N型发射区型发射区 4.4.5 顶端电极的设计

53、顶端电极的设计 接触电阻接触电阻 顶端电极的优化设计不只有子栅和母栅电阻的最小化，顶端电极的优化设计不只有子栅和母栅电阻的最小化， 还包括与顶端电阻有关的总的损耗的最小化，即包括发射区还包括与顶端电阻有关的总的损耗的最小化，即包括发射区 的电阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。一些设计的的电阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。一些设计的 因素决定了损耗规模的大小，它们包括子栅和母栅的间距、因素决定了损耗规模的大小，它们包括子栅和母栅的间距、 金属的宽高横纵比、金属栅条的最小宽度以及金属的电阻率。金属的宽高横纵比、金属栅条的最小宽度以及金属的电阻率。 如下图所示。如下图所示。 2021-6-

54、25UNSW新南威尔士大学46 横纵比横纵比=高高/宽宽 小的高宽横纵比小的高宽横纵比 栅条的间距栅条的间距 大的高宽横纵比大的高宽横纵比 发射区发射区 4.4.6 顶端电极的设计顶端电极的设计 金属网格的设计金属网格的设计 4.4.6 顶端电极的设计顶端电极的设计 金属网格的设计金属网格的设计 栅间距对发射区电阻的影响栅间距对发射区电阻的影响 正如我们在正如我们在发射区电阻发射区电阻一节所讲的那样，来自发射区的能一节所讲的那样，来自发射区的能 量损耗大小取决于金属网格的间距，因此，短的栅间距有利于量损耗大小取决于金属网格的间距，因此，短的栅间距有利于 降低发射区电阻。降低发射区电阻。 网格电

55、阻网格电阻 网格电阻的大小取决于金属的电阻率、网格的排列布局和网格电阻的大小取决于金属的电阻率、网格的排列布局和 金属栅条的横纵比。低的电阻率和高的横纵比对电池比较有利，金属栅条的横纵比。低的电阻率和高的横纵比对电池比较有利， 但也会受到制造技术的限制。但也会受到制造技术的限制。 阴影损失阴影损失 阴影损失是覆盖在电池表面的金属栅条阻挡光线射入电池阴影损失是覆盖在电池表面的金属栅条阻挡光线射入电池 引起的。引起的。 设计原则设计原则 虽然顶端电极的设计方案众多，但基于现实原因，大多虽然顶端电极的设计方案众多，但基于现实原因，大多 数的电池表面金属网格设计都是相对简单和十分匀称的。匀数的电池表面

56、金属网格设计都是相对简单和十分匀称的。匀 称的网格把电池分成均等的几部分。设计时有几个重要的原称的网格把电池分成均等的几部分。设计时有几个重要的原 则要注意则要注意(Serreze, 1978) ： 最优的母栅宽度，最优的母栅宽度，WB，此时母栅的电阻损耗大小等于它的阴，此时母栅的电阻损耗大小等于它的阴 影损耗。影损耗。 宽度逐渐变小的栅条要比等宽的栅条所造成的损耗小。宽度逐渐变小的栅条要比等宽的栅条所造成的损耗小。 电池的面积越小、栅条的宽度电池的面积越小、栅条的宽度WF越小以及栅条间隔越小以及栅条间隔S越小，越小， 则损耗越小。则损耗越小。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学48 4

57、.4.6 顶端电极的设计顶端电极的设计 金属网格的设计金属网格的设计 2021-6-25UNSW新南威尔士大学49 顶端电极设计的示意图，展示了母栅和子栅的形状结构分布。顶端电极设计的示意图，展示了母栅和子栅的形状结构分布。 子栅子栅 母栅母栅 4.4.6 顶端电极的设计顶端电极的设计 金属网格的设计金属网格的设计 对于硅太阳能电池来说，经过基本设计，在表面反射、对于硅太阳能电池来说，经过基本设计，在表面反射、 载流子收集、载流子复合和寄生电阻这几方面进行优化后，载流子收集、载流子复合和寄生电阻这几方面进行优化后， 转换效率能达到大约转换效率能达到大约25%的理论值。下图是进行过这样优化的理论

58、值。下图是进行过这样优化 的太阳能电池。的太阳能电池。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学50 制绒和镀减反射膜制绒和镀减反射膜 表面掺杂表面掺杂 母栅母栅 背电极背电极 子栅子栅 4.5.1 太阳能电池的结构太阳能电池的结构 硅太阳能电池的参数硅太阳能电池的参数 基础太阳能设计方法基础太阳能设计方法 1. 衬底材料（通常为硅）衬底材料（通常为硅） 硅太阳能电池能在现代光伏市场占据统治地位，一部分硅太阳能电池能在现代光伏市场占据统治地位，一部分 是得益于硅材料在集成电路产业的杰出表现。而就像在二极是得益于硅材料在集成电路产业的杰出表现。而就像在二极 管的制造材料中一样，硅材料的参数并不是

59、最好的。特别是管的制造材料中一样，硅材料的参数并不是最好的。特别是 ，硅的禁带宽度对于最优的太阳能电池来说，还是稍微有点，硅的禁带宽度对于最优的太阳能电池来说，还是稍微有点 过低了，因为硅是直接带隙半导体，其吸收系数比较低。虽过低了，因为硅是直接带隙半导体，其吸收系数比较低。虽 然低吸收系数的问题可以通过光陷阱来解决，但是很难把硅然低吸收系数的问题可以通过光陷阱来解决，但是很难把硅 的表层制造的很薄。尽管如此，硅的资源却十分丰富，它在的表层制造的很薄。尽管如此，硅的资源却十分丰富，它在 半导体制造行业的优势使得其它材料难以匹敌。半导体制造行业的优势使得其它材料难以匹敌。 2021-6-25UNSW新南威尔士大学51 4.5.1 太阳能电池的结构太阳能电池的结构 硅太阳能电池的参数硅太阳能电池的参数 4.5.1 太阳能电池的结构太阳能电池的结构 硅太阳能电池的参数硅太阳能电池的参数 2. 电池厚度（电池厚度（100-500m） 经过优化的伴有光陷阱和表面钝化的硅太阳能电池，经过优化的伴有光陷阱和表面钝化的硅太阳能电池， 厚度大概在厚度大概在100m。然而，。然而，200-500m的厚的厚 度也是很常使度也是很常使 用到的，部分原因是考虑到实际情况，如表面制造薄层或用到的，部分原因是考虑到实际