太阳能电池参数学习

1、山东理工职业学院山东理工职业学院光伏发电技术基础光伏发电技术基础 太阳能电池简介太阳能电池简介太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理太阳能电池示意图太阳能电池示意图 左图示意地画出了硅pn结太阳能电池的结构，其包含上部电极，n型半导体，p型半导体以及下部电极和背电场。 太阳能电池就是一个pn结，由于pn结势垒区内存在较强的内建电场，结两边的光生少数载流子受该场的作用，定向移动产生正向电流。 我们通过对成品电池片模拟太阳光的光照，测试相关性能。测试界面简介太阳能电池的各表征参数太阳能电池的各表征参数测试分选处主要表征以下太阳能电池性能数测试分选处主要表征以下太阳能电池性能数据：据：Temperat

2、ure：测试温度E：测试光强Pmpp：最佳工作点处工作功率Umpp：最佳工作点处工作电压Impp：最佳工作点处工作电流Uoc：开路电压Isc：短路电流Rs：串联电阻Rsh：并联电阻FF：填充因子Ncell：转化效率Iap：操作点的电流Irev1：反向电压为6伏时的反向电流Irev2：反向电压为12伏时的反向电流Pmpp_2：光强为500时最佳工作点的功率Uoc_2：光强为500时最佳工作点的电压Isc_2：光强为500时最佳工作点的电流FF_2：光强为500时的填充因子NCell_2：光强为500时的转化效率 我们主要关注开路电压，短路电流，串联电阻，并联电阻，填充因子，转化效率及暗电流。什么

3、是填充因子测试量的相关关系 填充因子即太阳电池的最大功率与开填充因子即太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，用路电压和短路电流乘积之比，用FF表示，表示，FFFFPm /Pm /IscVocIscVocImVmImVm / /IscVocIscVoc。 转化效率转化效率EffPm /MS，PmFF IscVoc。对于标准状况下，。对于标准状况下，M1000W/m2100mW/cm2。 高的短路电流，开路电压，填充因子高的短路电流，开路电压，填充因子能有效的提高电池片转化效率。能有效的提高电池片转化效率。 我们可以通过工艺调试进行相关工艺优我们可以通过工艺调试进行相关工艺优化，以提高电

4、池的转化效率。化，以提高电池的转化效率。 电性能直接相关提高电性提高电性能能提提高开压高开压提提高短流高短流提提高填充高填充13开路电压开路电压短路电流短路电流填充因子填充因子14开路电压开路电压短路电流短路电流填充因子填充因子开路电压的影响因素开压开压影响影响测试温度测试温度原材料原材料电流电压电流电压特性特性开压影响测试温度开路电压受测试机温度影响。开路电压受测试机温度影响。 受测试机温度影响，随着温度的升高，受测试机温度影响，随着温度的升高，开路电压会下降。开路电压会下降。 为了保证测试数据的稳定性及可比性，为了保证测试数据的稳定性及可比性，我们的测试温度有一定要求，我们控制在我们的测试

5、温度有一定要求，我们控制在20度到度到26度。度。开压影响原材料开压开压影响影响测试温度测试温度原材料原材料硅片厚度硅片厚度禁带宽度禁带宽度电流电压电流电压特性特性开压影响原材料硅片厚度开路电压受硅片厚度的影响。开路电压受硅片厚度的影响。 当硅片厚度在当硅片厚度在200um以上时，开路电以上时，开路电压和硅片厚度是独立关系。压和硅片厚度是独立关系。 当硅片厚度小于当硅片厚度小于200um时，随着硅片时，随着硅片厚度的降低，开路电压随之减少！厚度的降低，开路电压随之减少！开压影响原材料禁带宽度 理论上最大的开路电压是由理论上最大的开路电压是由PN结的内结的内建势垒电压所决定。内建势垒电压与半导体

6、建势垒电压所决定。内建势垒电压与半导体的禁带宽度的禁带宽度Eg。导带能级。导带能级Eo，价带能级，价带能级Ev及费米能级及费米能级Ef之间的关系为：之间的关系为：开压影响原材料禁带宽度 从上式可以看出如果费米能级越接近从上式可以看出如果费米能级越接近导带底和满带顶，则内建电压越高。但实际导带底和满带顶，则内建电压越高。但实际上开压上开压VOC有一个峰值。有一个峰值。 当顶区浓度过高时，会引起重掺杂效应当顶区浓度过高时，会引起重掺杂效应，重掺杂效应的结果，会导致开路电压的降，重掺杂效应的结果，会导致开路电压的降低，这是由于重掺杂引起禁带宽度收缩，影低，这是由于重掺杂引起禁带宽度收缩，影响本征载流

7、子浓度，影响有效参杂浓度和降响本征载流子浓度，影响有效参杂浓度和降低少子寿命。低少子寿命。开压影响原材料-禁带宽度 禁带宽度是材料的固有属性，禁带宽度是材料的固有属性， 对于硅，禁带宽度为对于硅，禁带宽度为1.1ev，理论上所得，理论上所得到的最大开压为到的最大开压为700mv，相应的最高，相应的最高FF为为84%。开压影响电流电压特性 根据根据p-n结整流方结整流方程，在正向偏压下，通程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：过结的正向电流为： IF=Isexp(qV/kT)-1 其中：其中：V是光生电是光生电压，压，Is是反向饱和电流是反向饱和电流。pn负载光电流IL结正向电流IFI什么是电流

8、电压特性？开压影响电流电压特性Io为反向饱和电流。n：掺杂浓度。Il：短路电流。影响影响Voc的因素为短路电流，反向饱和的因素为短路电流，反向饱和电流和温度。电流和温度。掺杂浓度是由扩散工序决定。掺杂浓度是由扩散工序决定。开压影响电流电压特性开压开压影响影响测试温度测试温度原材料原材料电流电压电流电压特性特性温度温度掺杂浓度掺杂浓度短路电流短路电流暗电流暗电流开压影响电流电压特性掺杂浓度 适当的提高掺杂浓度能很好的提高开适当的提高掺杂浓度能很好的提高开路电压，当浓度过大，引起重掺杂时，会使路电压，当浓度过大，引起重掺杂时，会使禁带宽度收缩，开路电压反而减小。重掺杂禁带宽度收缩，开路电压反而减小

9、。重掺杂还会影响有效载流子浓度，减少少子寿命。还会影响有效载流子浓度，减少少子寿命。开压影响电流电压特性掺杂浓度 因此，为了获得较好的电性能参数，因此，为了获得较好的电性能参数，必须选择合适的顶区掺杂浓度，使这一浓度必须选择合适的顶区掺杂浓度，使这一浓度能有较好的开路电压，同时又不致引起电场能有较好的开路电压，同时又不致引起电场衰退。衰退。 这个掺杂浓度由于受禁带宽度，基体这个掺杂浓度由于受禁带宽度，基体材料特性的影响，一般通过实验确定，选择材料特性的影响，一般通过实验确定，选择最佳的掺杂浓度。最佳的掺杂浓度。开压影响电流电压特性电流 电流影响分为短路电流及暗电流的影响电流影响分为短路电流及暗

10、电流的影响。 暗电流会降低开路电压，同时还会降低暗电流会降低开路电压，同时还会降低短路电流，暗电流的相关影响会详细介绍。短路电流，暗电流的相关影响会详细介绍。29开路电压开路电压短路电流短路电流填充因子填充因子短路电流的影响因素提高短路提高短路电流电流提高吸光提高吸光多激发电多激发电子空穴对子空穴对降低暗电降低暗电流流短路电流影响提高吸光提高短路提高短路电流电流提高吸光提高吸光增大光强增大光强增大电池增大电池吸光吸光多激发电多激发电子空穴对子空穴对降低暗电降低暗电流流短路电流影响提高吸光增大光强 增大光强直接增大了注入的太阳光光增大光强直接增大了注入的太阳光光子流的数量。直接的提高了可激发电子

11、空穴子流的数量。直接的提高了可激发电子空穴对数目，很好的提高了短路电流。对数目，很好的提高了短路电流。短路电流影响提高吸光增大吸光增大吸光能提高太阳光的吸收。增大吸光能提高太阳光的吸收。 前清洗的绒面做到了光的二次吸收，一前清洗的绒面做到了光的二次吸收，一定程度上增大了太阳光的吸收。进行绒面改定程度上增大了太阳光的吸收。进行绒面改善能提高电池的转化效率。善能提高电池的转化效率。 后清洗减少刻边宽度，增大电池表面的后清洗减少刻边宽度，增大电池表面的可利用面积，提高了电池短路电流，进而改可利用面积，提高了电池短路电流，进而改善了转化效率。善了转化效率。 PECVD的减反射膜，增大了表面光的的减反射

12、膜，增大了表面光的二次吸收，提高的太阳光的二次利用，增大二次吸收，提高的太阳光的二次利用，增大了短路电流。了短路电流。 丝网端的正面电极也遮住了一定的光丝网端的正面电极也遮住了一定的光的吸收，正面电极一般遮住了约的吸收，正面电极一般遮住了约10%的太阳的太阳光，增大栅线的高宽比，选择合适的栅线数光，增大栅线的高宽比，选择合适的栅线数目能从一定程度上提高太阳能电池的转化效目能从一定程度上提高太阳能电池的转化效率。率。 电池片过薄，会有一部分光透过电池电池片过薄，会有一部分光透过电池片，造成光的损失，现采用全背面印刷铝浆片，造成光的损失，现采用全背面印刷铝浆对这部分损失有很大削弱。对这部分损失有很

13、大削弱。 由于背面的漂移场的存在，使一部分由于背面的漂移场的存在，使一部分原本透过电池片的光子再次回到硅片机体内原本透过电池片的光子再次回到硅片机体内，增大了光子的再次吸收。，增大了光子的再次吸收。短路电流影响多激发电子空穴对提高短路提高短路电流电流提高吸光提高吸光多激发电多激发电子空穴对子空穴对禁带宽度禁带宽度死层死层浅结工艺浅结工艺降低暗电降低暗电流流多激发电子空穴对禁带宽度 太阳电池的特性极大的受到顶区和基区太阳电池的特性极大的受到顶区和基区性能的影响。硅是一种非竖直跃迁的材料，性能的影响。硅是一种非竖直跃迁的材料，他的吸收系数随着波长的变化较为缓慢。在他的吸收系数随着波长的变化较为缓慢

14、。在光子能量达到硅的禁带宽度时，吸收系数在光子能量达到硅的禁带宽度时，吸收系数在100每平方厘米之内，因此光谱中有很大一每平方厘米之内，因此光谱中有很大一部分的光子将透过部分的光子将透过PN结，在基区内被吸收结，在基区内被吸收。由此可见，硅太阳电池的性能一定程度上。由此可见，硅太阳电池的性能一定程度上取决于基区情况。取决于基区情况。多激发电子空穴对禁带宽度 材料的禁带宽度越大，电池的开路电压材料的禁带宽度越大，电池的开路电压越高，但由于能量小于禁带宽度的光子不能越高，但由于能量小于禁带宽度的光子不能激发电子空穴对，因此随着材料的禁带宽度激发电子空穴对，因此随着材料的禁带宽度的增大，太阳光中产生

15、光电流的光子比例也的增大，太阳光中产生光电流的光子比例也相应得降低，从而减弱光电流。相应得降低，从而减弱光电流。多激发电子空穴对禁带宽度材料的禁带宽度与所获得的最大电流的关系。材料的禁带宽度与所获得的最大电流的关系。多激发电子空穴对死层什么是死层？什么是死层？ 在扩散区中，由于不活泼磷原子处于在扩散区中，由于不活泼磷原子处于晶格间隙位置，会引起晶格缺陷，而且，由晶格间隙位置，会引起晶格缺陷，而且，由于磷和硅的原子半径不匹配，高浓度的磷会于磷和硅的原子半径不匹配，高浓度的磷会造成晶格缺陷。因此，在硅电池表层中，少造成晶格缺陷。因此，在硅电池表层中，少数载流子的寿命极低，表层吸收短波光子所数载流子

16、的寿命极低，表层吸收短波光子所产生的光生载流子对电池的光电流输出贡献产生的光生载流子对电池的光电流输出贡献甚微，此表层称为甚微，此表层称为死层死层。多激发电子空穴对死层 死层死层的存在是不可避免的，但是可的存在是不可避免的，但是可以利用一些方法来减少以利用一些方法来减少死层死层的影响。为的影响。为了改善电池的短波光谱响应，可以将发射结了改善电池的短波光谱响应，可以将发射结结深做的很浅，以减少结深做的很浅，以减少死层死层的影响。消的影响。消除死层，提高了短波光谱在顶区的光电效应除死层，提高了短波光谱在顶区的光电效应。多激发电子空穴对浅结工艺 制备浅结的器件能够相当可观的提高制备浅结的器件能够相当

17、可观的提高光电流，附加漂移场又能进一步增大光电流光电流，附加漂移场又能进一步增大光电流。多激发电子空穴对浅结工艺计算出短路电流与结深的关系计算出短路电流与结深的关系多激发电子空穴对浅结工艺 当结深减少时，由于降低了复合损失，当结深减少时，由于降低了复合损失，此外基区提供的光电流比顶区提供的大，因此外基区提供的光电流比顶区提供的大，因此顶区中高的表面复合速度和低的少子寿命此顶区中高的表面复合速度和低的少子寿命对光电流的影响显得没那么重要了。对光电流的影响显得没那么重要了。 增加基区的电阻率，减少电离杂质的散增加基区的电阻率，减少电离杂质的散射，有利于增大扩散长度和少子寿命，从而射，有利于增大扩散

18、长度和少子寿命，从而改善了光电流。改善了光电流。短路电流影响降低暗电流提高短路提高短路电流电流提高吸光提高吸光多激发电多激发电子空穴对子空穴对降低暗电降低暗电流流隧道电流隧道电流注入电流注入电流复合电流复合电流降低暗电流 通过前面讨论知道降低暗电流可以有通过前面讨论知道降低暗电流可以有效的提高开路电压和短路电流。效的提高开路电压和短路电流。 暗电流分为注入电流，隧道电流和复暗电流分为注入电流，隧道电流和复合电流三种。合电流三种。 电池片的暗电流密度是注入电流密度电池片的暗电流密度是注入电流密度，隧道电流密度和复合电流密度三者之和。，隧道电流密度和复合电流密度三者之和。 一般通过减少复合电流的方

19、法来减少一般通过减少复合电流的方法来减少暗电流。暗电流。降低暗电流什么是注入电流 在非平衡在非平衡PN结中，有载流子越过势垒结中，有载流子越过势垒高度从高度从N区注入区注入P区或从区或从P区注入区注入N区而形成区而形成的电流，称为注入电流。的电流，称为注入电流。降低暗电流什么是隧道电流 他相当于载流子不必越过势垒高度，他相当于载流子不必越过势垒高度，可以直接穿过禁带进入另一区域形成的电流可以直接穿过禁带进入另一区域形成的电流。这种电流称为隧道电流。这种电流称为隧道电流。降低暗电流复合电流 实际上在势垒中，存在着电子和空穴实际上在势垒中，存在着电子和空穴的复合，产生复合电流。的复合，产生复合电流

20、。 降低暗电流复合电流 工艺端能通过适当工艺手法减少复合工艺端能通过适当工艺手法减少复合电流的大小。电流的大小。 前清洗通过去除机械损伤层，减少硅前清洗通过去除机械损伤层，减少硅片的表面态，能适当的减少表面复合。片的表面态，能适当的减少表面复合。 切片油污，金属离子等是较强的复合切片油污，金属离子等是较强的复合中心，中心， 去除油污，金属离子等能适当的改去除油污，金属离子等能适当的改善复合电流，表面的洁净度对扩散有很大的善复合电流，表面的洁净度对扩散有很大的帮助。帮助。降低暗电流复合电流 PECVD的钝化能很好的减少硅片的表的钝化能很好的减少硅片的表面态，减少硅片的晶格缺陷等，它的表面钝面态，

21、减少硅片的晶格缺陷等，它的表面钝化及体钝化大大减少了复合中心，很好的减化及体钝化大大减少了复合中心，很好的减少了暗电流，提升了开路电压及短路电流。少了暗电流，提升了开路电压及短路电流。降低暗电流复合电流 丝网端的背场，利用杂质在金属中的丝网端的背场，利用杂质在金属中的溶解度大于在硅中的溶解度。背场有很好的溶解度大于在硅中的溶解度。背场有很好的吸杂作用，进一步减少了复合中心的存在，吸杂作用，进一步减少了复合中心的存在，同时，背场的存在能很好的进行再次钝化，同时，背场的存在能很好的进行再次钝化，很好的去除悬挂键，减少了复合电流。很好的去除悬挂键，减少了复合电流。 所以，铝背场对电池的暗电流有很大影

22、所以，铝背场对电池的暗电流有很大影响，同时影响了开路电压及短路电流。响，同时影响了开路电压及短路电流。降低暗电流复合电流少子寿命 较长的少子寿命和扩散长度能提高电较长的少子寿命和扩散长度能提高电子空穴对的分离时间，能减少电子空穴对的子空穴对的分离时间，能减少电子空穴对的复合。复合。降低暗电流复合电流少子寿命 很薄的扩散层通常用扩散法制备，其很薄的扩散层通常用扩散法制备，其少子寿命和扩散长度依赖于参杂剂的类型，少子寿命和扩散长度依赖于参杂剂的类型，表面浓度以及扩散之前的表面处理情况。表面浓度以及扩散之前的表面处理情况。降低暗电流复合电流少子寿命 少子寿命和扩散长度与晶体生长方法少子寿命和扩散长度

23、与晶体生长方法，基区制备工艺，基区电阻率，复合中心杂，基区制备工艺，基区电阻率，复合中心杂质（如氧，铜等）的含量，退火温度和退火质（如氧，铜等）的含量，退火温度和退火时间等有着密切联系。时间等有着密切联系。少子寿命一般少子寿命一般有以下因素影有以下因素影响响杂质能级和杂杂质能级和杂质浓度的影响质浓度的影响热处理的影响热处理的影响表面复合及晶表面复合及晶粒间界的影响粒间界的影响杂质能级和杂质浓度的影响1，存在着大量的，存在着大量的“有害有害”杂质杂质-深陷阱能级深陷阱能级杂质，如铜，铁和金等杂质，如铜，铁和金等2，存在着浓度高的浅杂质能级的杂质，虽然，存在着浓度高的浅杂质能级的杂质，虽然他们的俘

24、获截面小，但浓度高，因此俘获也他们的俘获截面小，但浓度高，因此俘获也显著。显著。3，通过能带间的俄歇复合作用，使少子寿命，通过能带间的俄歇复合作用，使少子寿命按掺杂浓度的平方成反比的衰减。按掺杂浓度的平方成反比的衰减。4，重掺杂引起晶格畸变，能带收缩，增大复，重掺杂引起晶格畸变，能带收缩，增大复合。合。热处理的影响在在450度左右退火，能使硅材料少子寿命增长很多度左右退火，能使硅材料少子寿命增长很多。热处理的影响 在太阳能电池的制备过程中，须经相当在太阳能电池的制备过程中，须经相当的高温退火的高温处理，所以可以预计成品的高温退火的高温处理，所以可以预计成品器件的少子寿命低于材料的寿命。器件的少

25、子寿命低于材料的寿命。 寿命随着退火温度，冷却速度，表面处寿命随着退火温度，冷却速度，表面处理和晶体生长方法而异，与硅中粗存在的氧理和晶体生长方法而异，与硅中粗存在的氧的状态也有密切关系。的状态也有密切关系。表面复合及晶粒间界的影响 半导体表面由于存在着各种表面状态，半导体表面由于存在着各种表面状态，所以会造成光生载流子的复合损失。这些表所以会造成光生载流子的复合损失。这些表面态可能是由面态可能是由“悬挂键悬挂键”化学残留物，金属化学残留物，金属沉积和自然氧引起的。沉积和自然氧引起的。 表面复合及晶粒界间的影响 由于光照表面的复合速度大，因此顶区由于光照表面的复合速度大，因此顶区少子寿命短，为

26、了减少载流子的复合，一般少子寿命短，为了减少载流子的复合，一般采用浅结工艺。可以通过对硅晶体的腐蚀，采用浅结工艺。可以通过对硅晶体的腐蚀，降低表面复合速度。降低表面复合速度。PECVD的钝化等都能的钝化等都能有效的降低表面态。有效的降低表面态。 由于硅材料的电子激发多在基区内，因此，由于硅材料的电子激发多在基区内，因此，对于硅材料背面复合十分重要，所以，背场对于硅材料背面复合十分重要，所以，背场的吸杂等背场处理对电池性能影响较大。的吸杂等背场处理对电池性能影响较大。表面复合及晶粒界间的影响 对于多晶器件来说，晶粒界间的复合对于多晶器件来说，晶粒界间的复合速度十分重要，若晶粒大小比掺杂浓度相同速

27、度十分重要，若晶粒大小比掺杂浓度相同的单晶的扩散长度小的多，那么多晶电池的的单晶的扩散长度小的多，那么多晶电池的有效寿命和扩散长度将大大的低于单晶中的有效寿命和扩散长度将大大的低于单晶中的值。值。64开路电压开路电压短路电流短路电流填充因子填充因子填充因数的影响填充因数填充因数填充因数并联电阻并联电阻串联电阻串联电阻影响FF的因素影响FF的主要因素是Rs和Rsh，Rs越小FF越大，Rsh越大，FF越大。串联电阻对FF的影响并联电阻对FF的影响串联电阻影响因素 串联电阻是指材料的体电阻，薄层电串联电阻是指材料的体电阻，薄层电阻，电极接触电阻以及电极本身传导电流所阻，电极接触电阻以及电极本身传导电流所构成的总串联电阻。构成的总串联电阻。 串联电阻的影响Rs主要有以下几个组成部分：主要有以下几个组成部分： P型基体电阻：主要与基体的掺杂浓度型基体电阻：主要与基体的掺杂浓度和基体厚度有关。和基体厚度有关。 N型重掺层电阻：主要与扩散浓度有关型重掺层电阻：主要与扩散浓度有关，在太阳电池掺杂