应用光伏学第4章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2022-4-291 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使转换效率达到最大，以及设置一定的以使转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件限制条件。这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如，如果用于例如，如果用于商业商业，即以生产最具价格优势的，即以生产最具价格优势的电池

2、为目标，则需要着重考虑制造电池的电池为目标，则需要着重考虑制造电池的成本成本问题。问题。然而，如果只是用于以获得高转换然而，如果只是用于以获得高转换效率效率为目标的实验为目标的实验研究，则主要考虑的便是最高效率而不是成本。研究，则主要考虑的便是最高效率而不是成本。2022-4-292 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，这一数字的获得是以几个

3、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。对器件物理的理解上很难达到。对于对于硅太阳能电池来说硅太阳能电池来说，其在一个太阳照射下，比较，其在一个太阳照射下，比较实际的理论最高效率值大约为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%。 4.1.1 基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 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

4、要来自主要来自两个方面因素两个方面因素。首先首先，在计算理论最大效率时，人们，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子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，并且是被禁带宽度与其能量相等的材料吸收了宽度与其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人们想出一种由无限多层材料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的模型，每一层都只吸收能量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。与其禁带宽度相等的光子。 第二第二个因素是个因素是假设入射光有高聚光比

5、。并假设温度和电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。加短路电流。因为开路电压因为开路电压VOC受短路电流的影响，受短路电流的影响，VOC随着光强呈对数随着光强呈对数上升。再者，因为填充因子也随着上升。再者，因为填充因子也随着VOC的提高而提高，所以填的提高而提高，所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额外上升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。 2022-4-29

6、UNSW新南威尔士大学6 4.1.1 基础太阳能电池设计基础太阳能电池设计 为获得最高效率为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，在设计单节太阳能电池时，应注意几项原则：应注意几项原则： 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。2022-4-29UNSW新南威尔士大学7 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

7、面反射被电池的背面反射光的损耗主要光的损耗主要以降低短路电以降低短路电流的方式影响太阳能电池的流的方式影响太阳能电池的功率。功率。被损耗的光包括本来有能力被损耗的光包括本来有能力在电池中产生电子空穴对，在电池中产生电子空穴对，但是但是被电池表面反射走的光被电池表面反射走的光线线。对于大多数太阳能电池。对于大多数太阳能电池来说，所有的可见光都能产来说，所有的可见光都能产生电子空穴对，因此它们都生电子空穴对，因此它们都能被很好地吸收。能被很好地吸收。2022-4-29UNSW新南威尔士大学8 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：1、尽量使电

8、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（后述）串联电阻（后述）一节一节中有详细讨论中有详细讨论 。2、在电池上表面加减反射膜、在电池上表面加减反射膜3、表面制绒、表面制绒4、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）5、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

9、与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度2022-4-29UNSW新南威尔士大学9 4.2.1 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。它们包含了一层了一层很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设计计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体，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

10、性干扰，导致被反射出电池的光强为零光强为零。2022-4-29UNSW新南威尔士大学10 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，刚好减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光波长的为入射光波长的四分之一四分之一。计算过程如下：对于折射率

11、为计算过程如下：对于折射率为n1的薄膜材料，入射光的薄膜材料，入射光真空中的波长为真空中的波长为0 0，则使反射最小化的薄膜厚度为，则使反射最小化的薄膜厚度为 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102nn n 2022-4-2912 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 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，

12、能使反射的光减少到零，但是膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每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。在光伏应用中在光伏应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，人们设计薄膜的厚度和反射率，以以使波长为使波长为0.6m的光的反射率达到最小的光的反射率达到最小。因为这个。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。波长的能量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

13、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. 在硅在硅表面制绒表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都用，都能达到减小反射的效果能达到减小反射的效果。因为任何。因为任何表面的缺陷表面的缺陷都能增都能

14、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。2022-4-29UNSW新南威尔士大学15 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。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话，硅表面的晶体结果。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。下图画出了一个这样的金字塔构将变成由金字塔构成的表面。下

15、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硅表面制绒。这种制结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。这种制绒方式叫绒方式叫“随机型金字塔随机型金字塔”制绒制绒，通常在单晶硅电池制造上使，通常在单晶硅电池制造上使用。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，

16、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 像减小表面反射一样，像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途径之一效率的必要途径之一。而。而吸收光的多少则取决于光路径的长度吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数和吸收系数。下面的动画展示了硅太阳能电池对光的吸收是如。下面的动画展示了硅太阳能电池对光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。2022-4-29UNSW新南威尔士大学18 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

17、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，如果光不是在与定的。例如，如果光不是在与pn结距离小于扩散长度的

18、区域结距离小于扩散长度的区域被吸收，产生的载流子就会被复合。此外，就像被吸收，产生的载流子就会被复合。此外，就像复合引起的复合引起的电压损失电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线不变，开路电压将比厚电池的大。 2022-4-29UNSW新南威尔士大学19 4.2.5 光学特性光学特性 光陷阱光陷阱经过结构优化的太阳电池通常拥有比电池实际厚度长几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，所谓倍的光路径长度，所谓电池光路径长度电池光路径长度是指是指没被吸收的光在没被吸收的光在射出电池前在

19、电池内所走的距离射出电池前在电池内所走的距离。通常称它为器件厚度。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，而经过光陷阱结构优化的电池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的路径长度能达到厚度的50倍，这意味着光线能在电池内来倍，这意味着光线能在电池内来回反弹许多遍。回反弹许多遍。 2022-4-29UNSW新南威尔士大学20 4.2.5 光学特性光学特性 光陷阱光陷阱 通常，通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子使光子入射在倾斜面上，随之改变光子在电池内运

20、动的角度，便能达到光陷阱的效果在电池内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。一。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。厚度大。光入射到半导体的折射角度可以通过折射定律光入射到半导体的折射角度可以通过折射定律求得：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

21、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）： 12112sinn sin/ n 2022-4-2922 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 光陷阱光陷阱121 -1nnsin 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

22、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

23、池底部的随机散射电池底部的随机散射顶角等顶角等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 朗伯朗伯背反射层背反射层是一种特殊的背反射层，它是一种特殊的背反射层，它能使反射能使反射光的方向随机化光的方向随机化。电池背反射层的电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的吸收和光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。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，则又再次被回电池顶端表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次

24、被全反射回电池内全反射回电池内。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因此这是一个十分有效的围困光线的技术。因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 复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和开路电压的复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和开路电压的损失。人们通常依据发生在电池内的损失。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不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（类。一般来说，发生在电池表面（表面复合表面复合）和电池体内（）和电池体内（体体复合复合）的复合是主要的复合形式。而）的复

25、合是主要的复合形式。而耗尽区耗尽区则是另外一个会发则是另外一个会发生复合的区域。生复合的区域。26 4.3.1 减少复合效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： 载流子载流子必须在与必须在与pn结距离结距离小于扩散长度的区域产生小于扩散长度的区域产生，才能扩，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

26、区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶界），界），光生载流子与光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距结的距离必须小于与高复合区域的距离离。相反，在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载。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。 2022-4-29UNSW新南威尔士大学27 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

27、前表面和背表面存在局部复合区域，意味着电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能能量不同的光子将有不同的收集概率量不同的光子将有不同的收集概率。1、蓝光的吸收率很高，并且在距离前表面非常近处被吸收，、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合区域的话，那么蓝光产生的载流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子就不怎么可能被pn结收集。结收集。2、类似的，如果电池的背表面的复合效应很强，将主要影、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子）。响由红外光产生的载流子（红外光在电

28、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影响。太阳能电池的量子效率量化了复合效应对光生电流的影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。下图描述了太阳能电池的量子效率。2022-4-29UNSW新南威尔士大学29理想和实际太阳能电池的典型量子效率，描述了复合损失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

29、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 开路电压的损失取决于开路电压的损失取决于pn结处复合效应的大小。能表示结处复合效应的大小。能表示复合大小的材料参数是复合大小的材料参数是“二极管饱和电流二极管饱和电

30、流”。而复合的大小由而复合的大小由pn结边缘的少数载流子的数量控制。所结边缘的少数载流子的数量控制。所以，黑以，黑暗饱和电流以及开路电压将受到下面几个因素影响暗饱和电流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。结边缘的少数载流子数量。 从从pn结另一边注入的少数载流子数量，等于在平衡状态下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池电压和温度决定的指数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，因子。因此，尽量减少平衡少数载流子浓度将减少复合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而减少平

31、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。材料的扩散长度。 长的扩散长度才能尽量减少复合并获得高电压。长的扩散长度才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长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。情况。 高掺杂导致低扩散长度高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同它同时影响着电流和电压时影响着电流和电压)与高电压之间的平衡。与高电压之间的平衡。 与与pn结距离小于扩散长度的区域存在局部复

32、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。 2022-4-29UNSW新南威尔士大学32 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（ND）对扩散长度）对扩

33、散长度和开路电压的影响。和开路电压的影响。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。电压。 1、电池前表面的高复合率对短路电流产生非常不利的影、电池前表面的高复合率对短路电流产生非常不利的影响，因为响，因为前表面是电池中载流子生成率非常高的区域前表面是电池中载流子生成率非常高的区域。要降低。要降低此区域的高复合率，可以通过在此区域的高复合率，可以通过在表面镀上钝化层表面镀上钝化层（通常为二氧（通常为二氧化硅）的方式来减小硅表面的悬挂键。化硅）的方式来

34、减小硅表面的悬挂键。 4.3.4 减少复合效应减少复合效应表面复合表面复合 二氧化硅二氧化硅“钝化钝化”表面并减少表面复合表面并减少表面复合 降低表面复合影响的技术降低表面复合影响的技术pn结的电场结的电场 2、因为硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，所以有金属、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域便不能被二氧化硅钝化。取而代之的，是电极的区域便不能被二氧化硅钝化。取而代之的，是在表面电在表面电极下面重掺杂，以减小表面复合的影响极下面重掺杂，以减小表面复合的影响。尽管这样的重掺杂通常会严重减小扩散长度，但是由于电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

35、与载流子的生成，因此它对载流子的收集的影响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。并不大。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 4.3.4 减少复合效应减少复合效应表面复合表面复合3、如果背表面与、如果背表面与pn结的距离小于扩散长度，类似的方法也结的距离小于扩散长度，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。使用在减少背表面复合率对电压和电流的影响上。“背电场

36、背电场”由电池背面的高掺杂区域组成。由电池背面的高掺杂区域组成。在高掺杂和低掺杂区在高掺杂和低掺杂区的交界处形成了类似的交界处形成了类似pn结的场结的场，相当于引入一个阻止少数载流，相当于引入一个阻止少数载流子到背面的屏障。而子到背面的屏障。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在了一个高水平，此背电场也取得了钝化背面的效果。，此背电场也取得了钝化背面的效果。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，

37、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 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。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，而不是参数设计的问题。然而，由顶端

38、电极电阻和发射是参数设计的问题。然而，由顶端电极电阻和发射区电阻组成的区电阻组成的串联电阻串联电阻就跟并联电阻有所不同，必就跟并联电阻有所不同，必须小心设计电池结构的类型和尺度以须小心设计电池结构的类型和尺度以优化优化电池的效电池的效率。率。 2022-4-29UNSW新南威尔士大学37 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，分中，发射区和顶端电极（包括子栅电阻和母栅电阻）对串发射区和

39、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”直接直接与外部电路连接，而与外部电路连接，而“子栅子栅”负责从电池内部收集电流并传送到负责从电池内部收集电流并传送到母栅。母栅。在顶端电极的设计中，关键是要取得一个平衡，即在顶端电极的设计中，关键是要取得一个平衡，即窄的电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平极网线所造成的高电阻与宽电极网线造成的遮

40、光面积增加的平衡。衡。2022-4-29UNSW新南威尔士大学39子子栅栅母栅母栅 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，通常，光生电流从电池体内垂直移动到电池表面，然后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。电池体内的电阻和电流被假设为一个常数。电池的体电电池的体电阻阻被定义为：被定义为： Rb=bw/A 考虑到电池的厚度

41、。考虑到电池的厚度。 式中式中b为电池的体电阻率（电导率的倒数）（硅电池通常为电池的体电阻率（电导率的倒数）（硅电池通常为为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。2022-4-29UNSW新南威尔士大学40 4.4.2 顶端电极的设计顶端电极的设计体电阻体电阻母母栅栅子栅子栅网格线网格线 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，一个取决于电

42、阻率和厚度取决于电阻率和厚度的参数，的参数，却可以通过电池的却可以通过电池的n型层表面很轻易地测量出来。型层表面很轻易地测量出来。对于掺杂均匀的薄层来说，对于掺杂均匀的薄层来说，表层电阻率表层电阻率（方块电阻，或膜电阻，）定义为：定义为： 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表层电阻率通常表示为欧姆欧姆/sq/sq或或/2022-4-29UNSW新南威尔士大学41 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 只要仍然保持正方形，则无论尺寸多大，方形导电

43、片的只要仍然保持正方形，则无论尺寸多大，方形导电片的电阻都是一样大的电阻都是一样大的。 在计算块材电阻的时候，我们就可以利用方块电阻乘以长宽比例得到，计算过程与维度无关：R=R=* * L/WL/W(L为块材长度，W为块材宽度） 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

44、必须处在黑暗环境中。池必须处在黑暗环境中。2022-4-29UNSW新南威尔士大学43 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 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。 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： 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

45、且由发射区电阻造成的功率损失便可计算出来。发射区电阻造成的功率损失便可计算出来。然而，在然而，在发射区的电流流动的距离并不都是相等的发射区的电流流动的距离并不都是相等的。如果。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间的话，则电阻路径刚好等于两个栅条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。距离的一半。45 载流子从电池的产载流子从电池的产生点流到外部电极的理生点流到外部电极的理想效果图。需要注意的想效果图。需要注意的是，实际中的发射区要是，实际中的发射区要比图中的薄很多。比图中

46、的薄很多。 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=I2dR其中其中 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。b 计算电流的方程为：计算电流的方程为： I（y）=Jby J

47、为电流密度，为电流密度，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，终上所述，在在1/2单元电池中，顶层阻抗引起的功率损耗单元电池中，顶层阻抗引起的功率损耗为：为： 2022-4-29UNSW新南威尔士大学47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，产生的功率为在最大功率输出点，产生的功率为 ，则，则顶层顶层 电阻引起的相对功率损耗为：电阻引起的相对功率损耗为： 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2022-4-29UNSW新南威尔士大学48顶层阻抗引起的顶层阻抗引起的相对功率损耗：相对功率损耗： 4.4.

48、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 对于一个典型的市售硅电池，40/,为了使由于顶层横向电阻影响而引起的功率损耗小于4%，要求：可以看到：方块电阻较小的电池，栅线间隔较大；而方块电阻较大的电池，栅线间隔较小。mVVcmmAJmpmp450,/302mpmplossJVPS12mmS403. 04045. 004. 01221 接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处。要降低。要降低接触电阻的损耗，就必须对接触电阻的损耗，就必须对n型层的型层的顶层进行重掺杂顶层进行重掺杂。然而，重掺杂水平也会引起不良后果。即如果高浓度的磷然而，重掺杂

49、水平也会引起不良后果。即如果高浓度的磷被扩散到硅中，当温度下降时，多余的磷会被析出电池表层，被扩散到硅中，当温度下降时，多余的磷会被析出电池表层，形成一层形成一层“死层死层”，在这层中光生载流子的收集几率非常低在这层中光生载流子的收集几率非常低。2022-4-29UNSW新南威尔士大学49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 顶端电极的设计顶端电极的设计接触电阻接触电阻许多商用电池因为死层的出现而导致许多商用电池因为死层的出现而导致对蓝光的响应很差对蓝光的响应很差。解决的办法是

50、，解决的办法是，对金属电极的下面部分进行重掺杂，而表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层的其余部分则需控制在一个平衡值，也就是在获得，也就是在获得低发射区低发射区饱和电流和高发射区扩散长度之间达到平衡饱和电流和高发射区扩散长度之间达到平衡。如果忽略由半导体到主栅线的电流，接触电阻损耗仅仅是如果忽略由半导体到主栅线的电流，接触电阻损耗仅仅是由于子栅线所引起。则由于子栅线所引起。则接触电阻引起的功率损失比率接触电阻引起的功率损失比率一般可近一般可近似为：似为：其中：其中：c为接触电阻率，为接触电阻率，WF为为子栅线宽为为子栅线宽2022-4-2950顶端金属电极顶

51、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 顶端电极的设计顶端电极的设计接触电阻接触电阻FmpmpccfWSVJP接触电阻引起的功率损失比率接触电阻引起的功率损失比率：2022-4-2951FmpmpccfWSVJP顶层阻抗引起的顶层阻抗引起的相对功率损耗：相对功率损耗：tlP子栅和母栅线的电阻功率损失比率子栅和母栅线的电阻功率损失比率：FmpmpsmfrfWSVJBmP21BmpmpsmbrbWVJBAmP112其中：为电极子栅线和母栅的金属层薄层电阻。 是单元电池上子栅和母栅的平均宽度。S是子

52、栅线的线距。AB是单元电池的面积。 如果电极各部分是线性地逐渐变细的，则m值为4；如果宽度是均匀的，则m值为3.smbsmf,BFWW ,2022-4-2952子栅和母栅线的电阻功率损失比率子栅和母栅线的电阻功率损失比率：FmpmpsmfrfWSVJBmP21BmpmpsmbrbWVJBAmP112子栅和母栅线遮光引起的功率损失比率子栅和母栅线遮光引起的功率损失比率：SWPFsfBWPBsb 顶端电极的优化设计不只有顶端电极的优化设计不只有子栅和母栅电阻的最小化子栅和母栅电阻的最小化，还包括还包括与顶端电阻有关的总的损耗的最小化与顶端电阻有关的总的损耗的最小化，即包括：发射，即包括：发射区的电

53、阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。区的电阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。一些一些设计的因素决定了损耗规模的大小设计的因素决定了损耗规模的大小，它们包括：，它们包括：子栅和母栅的间距、金属的高宽横纵比、金属栅条的最小宽子栅和母栅的间距、金属的高宽横纵比、金属栅条的最小宽度以及金属的电阻率。如下图所示。度以及金属的电阻率。如下图所示。2022-4-29UNSW新南威尔士大学53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

54、电极的设计金属网格的设计金属网格的设计1、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，量损耗大小取决于金属网格的间距，因此，短的栅间距有利于短的栅间距有利于降低发射区电阻降低发射区电阻。2、网格电阻、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。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

55、到制造技术的限制。3、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。tlP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。数的电池表面金属网格设计都是相对简单和十分匀称的。匀匀称的网格把电池分成均等的几部分称的网格把电池分成均等的几部分。2022-4-29UNSW新南威尔士大学55 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2022-4-29设计时有几个设计时有几个

56、重要的原则重要的原则要注意要注意(Serreze, 1978) ： 最优的母栅宽度最优的母栅宽度，WB，此时，此时母栅的电阻损耗大小等于它的阴母栅的电阻损耗大小等于它的阴影损耗。影损耗。此时，由母栅引起的功率损失比率为：此时，由母栅引起的功率损失比率为： 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。2022-4-29UNSW新南威尔士大学56 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mpm

57、psmbBVJmABWmpmpsmbsbrbVJmAPP2)(min 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值。下图是进行过这样优化的太阳能电池。的太阳能电池。2022-4-29UNSW新南威尔士大学57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

58、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最好的。管的制造材料中一样，硅材料的参数并不是最好的。特别是，硅的特别是，硅的禁带宽度禁带宽度对于最优的太阳能电池来说，还是稍对于最优的太阳能电池来说，还是稍微微有点过低有点过低了，因为硅是直接带隙半导体，其了，因为硅是直接带隙半导体，其吸收系数比较吸收系数比较低低。虽然低

59、吸收系数的问题可以通过光陷阱来解决，但是很。虽然低吸收系数的问题可以通过光陷阱来解决，但是很难把硅的表层制造的很薄。尽管如此，硅的资源却十分丰富难把硅的表层制造的很薄。尽管如此，硅的资源却十分丰富，它在半导体制造行业的优势使得其它材料难以匹敌。，它在半导体制造行业的优势使得其它材料难以匹敌。 2022-4-29UNSW新南威尔士大学58 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