第七章硅太阳能电池设计

第七章

硅太阳能电池的设计南京理工大学材料科学与工程学院12内容:讨论太阳能电池的设计细节7.1主要考量7.3背面场7.2衬底的掺杂7.4顶层的限制7.5上电极的设计7.6光学设计7.7光谱响应27.1主要考量7.1.1光生载流子的收集几率7.1.2结深7.1.3顶层的横向电阻37.1.1光生载流子的收集几率

收集几率表示光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率。456收集几率

收集几率是位置的函数，取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。73.如果载流子是在靠近电池表面区域产生，表面区域复合率较高，载流子极易被复合，收集几率几乎为零。1.在耗尽区，光生载流子的收集几率相同，这是由于该区域的电子空穴对被内电场迅速分开；2.随着离耗尽区边缘的距离增加，收集几率呈指数衰减，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。X’X8钝化处理

要降低表面区域的高复合率，可在表面镀上钝化层（通常为二氧化硅SiO2），中和硅表面的悬挂键。

硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，金属电极区域不能钝化，所以在表面电极下面重掺杂n++，以减小表面复合的影响。9背面场（BackSurfaceField）金属电极和半导体之间的界面一般也是高复合速度区。在电池背面，P区下方掺杂更多III族元素，形成重掺杂区P++，可以降低表面的复合速度。10处理后的收集几率背面场提高了背电极处的光生载流子收集几率;钝化处理提高了电池表面的收集几率;两者最终增加了短路电流Isc。117.1.2结深

假设减少的光能量全部用来产生电子-空穴对，那么对光强公式进行微分可以得到半导体中任何一个电子-空穴对的产生率G：产生率表示单位体积单位时间产生的电子-空穴对数目，单位为m-3s-1。当入射光谱为AM1.5时，Si材料内的产生率G。电池表面的产生率最高12pn结的深度结尽可能靠近电池表面，以获得较大的短路电流。电池表面的收集几率较低13太阳能电池的设计要素吸收最大化复合最小化降低寄生电阻的影响串联电阻串联电阻由顶端电极电阻和发射区电阻组成，必须对电极进行设计和优化。并联电阻和串联电阻都会降低电池的填充因子和效率。有害的低并联电阻是一种制造缺陷，而不是参数设计的问题。157.1.3顶层的横向电阻（薄层电阻）体电流：电池体内电流方向一般垂直于电池的表面。横向电流：电池表面的栅状电极引出电流时，电流须横向流过电池材料的顶层。对于均匀掺杂的n型层，其电阻率为：横向电阻：，t为n型层的厚度（结深），单位为Ω/□

(ohms/square)。结深t横向电阻ρs掺杂ND横向电阻ρs体电阻

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。

定义电池的体电阻为：

Rb=ρbw/A式中ρb为电池的体电阻率，A为电池面积，w为电池主体区域的宽度。17横向电阻引起的电流变化横向电流电流流动的距离不相等。如果体电流刚好从电池内部流到电极附近，路程短，电阻较小，电流较大。如果电流流到两个栅条正中间，则电阻刚好等于两个栅条距离的一半，电流为零。18横向电阻带来的功率损耗最大功率为VmpJmpbS/2，相对功率损耗p失为：式中S表示栅极间隔，b表示栅条的长度。为控制功率损耗p，当ρs较大时，S应设计的较小，反之亦然。例题P94当p失上限确定19为控制功率损耗p，当ρs较大时，S应设计的较小，反之亦然。结深t横向电阻ρs掺杂ND横向电阻ρs栅极间隔S的确定网印技术决定了S的最小值决定了ρs的最大值决定了结深t的最小值207.2衬底的掺杂NA讨论掺杂浓度NAIsc大小X’X扩散长度Le结深t少子寿命τe随掺杂浓度NA增加而减小浓度NA电流Isc21衬底的掺杂NA与开路电压Voc的关系掺杂浓度NA电压Voc掺杂ND横向电阻ρs22掺杂浓度NA电压Voc电流Isc为了获得最大的能量转换效率，存在一个最佳衬底掺杂浓度NA。掺杂浓度NA与转换效率η的关系237.3背面场(BackSurfaceField)在电池背面场（重掺杂区P++）收集几率增加，使得短路电流Isc增加。随着掺杂浓度NA减小，Voc几乎保持不变，Isc增加，所以最大转换效率η对应了较低的掺杂浓度NA。247.4顶层的限制7.4.1死层7.4.2高掺杂效应7.4.3对饱和电流密度的影响讨论表面高掺杂带来的一系列问题257.4.1死层为提高收集几率，需降低结深t为降低表面横向电阻带来的功率损耗，就要降低ρs

，所以t不能无限制降低，需要提高掺杂浓度ND。20世纪60年代的电池中，t为0.5μm26死层过量的掺杂使的少数载流子寿命显著降低磷(P)扩散到硅内，固定扩散温度下，随着扩散时间的增加：在硅内的磷浓度增加；硅表面磷的浓度达到饱和（上限），上限值等于该温度下磷在硅内的固溶度。表面区域附近的收集几率降为零，出现死层。27死层的解决方法

对金属电极的下面部分进行重掺杂，而表层的其余部分杂质则需控制在一个平衡值。存在接触电阻287.4.2高掺杂效应电池表面的高掺杂将导致：少数载流子的寿命较低；半导体的禁带宽度变窄，影响了本征浓度ni的有效值。297.4.3对饱和电流密度的影响掺杂浓度NA、ND开路电压Voc高掺杂效应的存在ND不能无限制增加饱和电流I0开路电压达到上限307.5上电极的设计与上电极有关的功率损失机制：电池被金属栅线屏蔽所引起的损失。电池顶部横向电流引起的损耗；各金属线的串联电阻（发射电极电阻）以及这些金属线与半导体之间的接触电阻引起的损耗；31发射电极电阻损耗比率：副栅线主栅线BAWF、WB为单元电池副栅线和主栅线的平均宽度。发射电极电阻损耗当电极线性变细时，m=4。当电极宽度均匀时，m=3。副栅线主栅线金属层薄层电阻2023/10/732遮光损耗由栅线遮光引起的功率损失比率是：副栅线主栅线33接触电阻损耗接触电阻损耗仅是由副栅线所引起，相应的功率损失比率为：式中：ρc为接触电阻率。主栅线带来的功率损失34主栅线带来的功率损失=发射电极损耗+遮光损耗将上式对WB求导，当导数为零时，得到最佳主栅线宽度：及功率损失最小值：当用逐渐变细（锥形）的主栅线（m=4）代替等宽度的主栅线（m=3）时，功率损失大约降低13%。副栅线带来的功率损失35副栅线带来的功率损失=发射电极损耗+遮光损耗+横向电阻损耗+接触电阻损耗最佳主栅线宽度：功率损失最小值：7.6光学设计7.6.1减反射膜7.6.2绒面367.6.1减反射膜37波长为λ0光束垂直入射中厚度为d1的透明层材料当时，反射率有最小值：当时，反射率R=0。针对某一特定波长的光，选用相应厚度、折射率膜，能使反射的光减少到零。减反射膜38设计薄膜的厚度和反射率，使波长为0.6μm的光的反射率达到最小。因为太阳光谱能量的峰值出现在0.6μm附近。每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常宽。但成本通常太高。快速判断膜层厚度的方法39用Si3N4制成的减反膜7.6.2绒面40在硅表面制绒，可以增加光束入射到硅表面的次数，从而减小反射。单晶硅绒面的刻蚀41一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面<111>刻蚀便能达到制绒效果。OACDEFG单晶硅绒面的刻蚀42另一种表面制绒方法：OACDE