结晶硅太阳电池效率的影响因素及优化方案

结晶硅太阳电池效率的影响因素及优化方案本文基于结晶硅太阳电池的构造原理，理论上分析了影响太阳电池转换效率的主要因素，并为提高太阳电池的光电转换效率，提出优化方案。进行电极优化以减小表面电极所引起的功率损失是一种行之有效的方法。目前主要有减小电极栅线宽度、增加电极栅线高度、减少电极栅线电阻率、减小发射极与电极栅线之间的接触电阻四种方法。其中第一种方法能够减少太阳电池的光学损失，后三种方法能够减少太阳能电池的电学损失。综合考虑电池前表面的电学损失和光学损失，介绍了优于单层电极结构的双层电极技术。对于俄歇复合与表面面积增加导致的电学损失，介绍了全背电极技术。关键词：结晶硅太阳电池、光学损失、转换效率、双层电极技术

第一章绪论1.1结晶硅太阳电池的发展历史及现状中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。进入二十一世纪，随着欧洲市场的放大，特别是德国市场，以及横空出世的无锡尚德太阳能电力有限公司，中国光伏产业在其超常规的发展中找到了前所未有的发展契机和机遇。目前，我国在太阳能电池领域产业已经成功超过欧洲、日本，成为全球主要的太阳能电池生产国，也是世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局方面，我国的太阳能电池产业在环渤海、珠三角、长三角、中西部地区，已经形成了一定的集聚态势，衍生出了各具特色的太阳能产业集群。在技术方面，国外的太阳能电池技术发展比国内早了近二十多年，尽管最近几年国家在太阳能电池方面加大了投入，但国内的太阳能电池技术与国外差距依旧很大。想要有较大的发展，政府要给予政策上较大的引导和激励，有效合理的解决太阳能发电定价的问题和上网问题。与此同时要较多借鉴国外的成功经验，要充分发挥政府的示范作用，可将太阳能强制推广到公共设施、政府办公楼等应用领域，推动国内太阳能电池市场需求，促使太阳能电池技术尽快起步和良性发展。晶体硅太阳能电池是以结晶状硅为基体材料的太阳能电池。将高纯度多晶硅料熔融再结晶后切割得到制备晶体硅电池所需片状晶体硅材料，通常称为硅片。太阳能电池产业上生产所需硅片厚度在180μｍ左右，有125mm×126mm或156mm×156mm两种规格。太阳能电池所用晶体硅材料纯度需达到6个9（即99.9999％）以上，纯度越高，杂质越少，电池转换效率越高。晶体硅太阳能电池可应用于各类光伏系统中，包括大型地面光伏电站、屋顶光伏发电系统及太阳能路灯、庭院灯等，是应用范围最广泛的一种太阳能电池。

毫无疑问，硅电池是促进光伏产业前进的中坚力量。而太阳能电池组件中，大约80%的电力都来源于晶体硅组件。第一个晶体硅电池出现在1954年，恰宾和卡尔松等人在贝尔实验室用表面抛光的硅片制作PN结，然后分别在两侧蒸镀上金属电极，就制成了光伏转换效率达6%的世界上第一块实用性硅太阳电池，成为现代硅太阳电池时代的开始。经过多年年的发展，经历了几个快速发展期的晶体硅太阳电池，从最初的8%提升至目前的25%（实验室效率），达到前所未有的攀升速度。1.2结晶硅太阳电池的发展前景 丰富的太阳能是取之不尽、用之不竭的、廉价、无污染、人类能够自由利用的资源，其中太阳能光伏发电是利用太阳能的热点领域[1-2]。在不远的将来，随着环保意识的不断增强，作为无污染且取之不尽的太阳能光伏发电会逐渐占据能源消费的重要位置，在替代部分常规能源的同时，还将成为主体形式来满足世界能源供应。预计到二十一世纪三十年代年，在世界总能源结构中将有30%以上被可再生能源占有，而10%以上的世界总电力供应将由太阳能光伏发电产生；到四十年代，将有总能耗的50%以上为可再生能源，太阳能光伏发电的发电量将达到总电力的20%以上；到二十一世纪末，可再生能源将在总能耗中占到80%以上，太阳能发电将占总电力的60%以上。这些数据显示出太阳能光伏发电具有良好的发展前景，且其在能源领域也将占据重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。截止到2012年2月份光伏组件、系统及光伏电费的成本截止到2012年2月，光伏组件的制造成本已经达到5.3-5.6元rmb/Wp。二次配、支架、线材、人工等，其制造成本在3元rmb/Wp以内，光伏电站装机成本在8.6元rmb/Wp以内。其中光伏组件成本下降空间极小。含利润，正常光伏系统的装机成本应在10元rmb/Wp。

在三类光照地区（沿海、东北、中原、华南），每年每Wp光伏系统可以发0.8千瓦时的电，发电系统每千瓦时的维护费用为0.05元RMB，系统平均寿命在30年（质保25年，一般大于40年的平均寿命），则每度电的成本10/24+0.05=0.47元/kwh。能源投入产出比为1:12。二类、一类光照地区电价更低，能源投入产出比更高。

制备太阳能电池主要考虑的两个主要因素是提高转换效率与降低成本，对于目前的晶体硅太阳能电池，其经过多年的快速发展，若想要再进一步提高转换效率是非常困难的。所以，除了继续开发新的电池材料，制备太阳能电池未来研究的重点将集中在怎样降低成本上来，现今的高度转换效率的太阳能电池，其是在质量较高的硅片上制成的，这是硅太阳能电池成本最高的部分。因此，不仅能保证转换效率仍较高，还能降低衬底的成本的方法或材料就显得极为重要。这同样也是今后太阳能电池发展中最值得关注的部分。近来多晶硅薄膜太阳能电池设计中，国外将采用一些技术制造得到的硅条带作为的基片，以达到降低成本的目的，获得了比较现想的效果。第二章太阳能电池基本理论2.1太阳能电池工作原理2.1.1 p-n结在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。扩散运动是指物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动，如下图（a）所示，P区的多数载流子空穴扩散向N区，N区的多数载流子电子扩散向P区，在P区与N区分别留下不能移动的正电离子和负电离子，在交界面附近形成一层较薄的空间电荷区，空间电荷区方向如图（b)所示，在薄层内形成内建电场，与空穴扩散方向相反，空间电荷区在阻碍电子、空穴扩散运动的同时，在内建电场的作用下，有一部分空穴流向P区，电子流向N区，这是在电场力作用下，少数载流子的漂移运动。多数载流子扩散运动形成了空间电荷区，而空间电荷区产生的内建电场阻止多数载流子扩散，促使少数载流子漂移，在扩散运动与漂移运动达到动态平衡是形成一定宽度的p-n结。2.1.2光生伏打效应半导体PN结的光生伏打效应是太阳能电池能量转换的基础。当太阳光照射到半导体光伏器件上时，太阳光其中一部分被器件表面反射，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光子有的和晶格作用转变成热能，光子也能够和杂质、缺陷作用。对于太阳电池，最重要的是光子和价电子的作用，当光子和价电子发生碰撞时，如果光子能量大于半导体禁带宽度，就会在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子-空穴对，形成过剩载流子。在耗尽区产生的光生电子-空穴对，被内建电场分离，光生电子流进N区，光生空穴则流进P区，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即n=p=0。在N区中产生的光生电子-空穴对，其空穴向耗尽层边界扩散，到达耗尽层边界后，便受到内建电场作用，被电场力牵引做漂移运动，最终越过耗尽层进入P区，光生电子则留在N区。在P区产生的光生电子-空穴对，其光生电子先向耗尽层边缘扩散，到达耗尽层后由漂移作用进入N区。这样，最终在PN结两侧形成了正、负电荷的积累，在N区积累了过剩的电子，在P区积累了过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场不仅抵消势垒电场的作用，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生了电动势，这就是光生伏打效应。当在外电路中接入负载后，光电流就从P区经负载流至N区，负载中便得到了功率输出。如果将PN结两端开路，可测的这个电动势，称为开路电压Uoc。对于晶体硅太阳电池，其两边电极的开路电压的存在典型值，该值为0.5-0.6V。若此时将外电路做短路处理，得到外电路中出现与入射光能量成正比的光电流流过，此时短路转态产生的电流Isc称为短路电流。2.1.3影响光电流的因素光照在太阳电池界面层产生的电子-空穴对越多，其产生的光电流也越大；太阳电池的界面层吸收的光能越多，或者说太阳电池的受光面积越大，其产生的光电流也越大；太阳能电池在N区、耗尽区和P区三处都可以形成光生载流子，每个区的光生载流子必须是在发生复合之前越过耗尽层，才能对光电流有贡献。2.2太阳能电池主要参数2.2.1等效电路为了描述电池的关注状态，将太阳电池和负载系统模拟为如下图所示的等效电路。在光照恒定的情况下，太阳电池工作产生的光电流不随其工作状态而发生，在此时模拟的等效电路中，我们可以把太阳电池看做恒流源。太阳电池产生光电流的其中一部分流经负载，在负载RL两端建立了端电压U，然后，它同时又使PN结处于正向偏置，产生一股暗电流Ibk，其方向与光电流方向是相反的。这样，我们绘制出PN同质结太阳能电池的一个理想的的等效电路，如上图所示。由于太阳电池材料本身具有一定的电阻率，以及前面和背面存在的电极接触，所以在基区和顶层我们引入了附加电阻。在等效电路中，我们用串联电阻RS来表示它们的总效果，当流经负载的电流经过它们时，便以这个电阻来模拟其损耗。同时，由于电池边沿的漏电以及制作金属化电极时在微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分原本应通过负载的电流产生短路现象，我们用一个并联电阻Rsh来模拟这种作用的大小。2.2.2输出功率当流进负载RL的电流为I，负载RL的端电压为U时，可得：式中的P就是太阳能电池被照射时在负载RL上得到的输出功率。当负载RL从0变到无穷大时，输出电压U则从0变到U0C，同时输出电流便从ISC变到0，由此即可画出太阳能电池的负载特性曲线。曲线上的任一点都称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，负载线的斜率的倒数即等于RL，与工作点对应的横、纵坐标即为工作电压和工作电流。调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Um之积最大，即：Pm=ImUm一般称M点为该太阳能电池的最佳工作点（或称最大功率点），Im为最佳工作电流，Um为最佳工作电压，Rm为最佳负载电阻，Pm为最大输出功率。2.2.3填充因数最大输出功率与（Uoc×Isc）之比称为填充因数（FF），填充因数也是用来衡量太阳能电池的一个重要指标，其计算如下：填充因数可以表示太阳能电池的优劣，在收到光谱辐照度下一定的情况下，FF越大，其特性曲线表现出来就越方，同时输出功率也就越高。第三章太阳能电池的效率及其影响因素3.1太阳能电池的效率太阳能电池受照射时，太阳能电池的效率由输出电功率与入射光功率的比值来计算，用η表示，也将其称为光电转换效率。一般来说，光电效率是外电路连接最佳负载电阻RL时所能达到的最大能量转换效率。在上式中，如果把At换为有效面积Aa（也称活性面积），即从总面积中扣除栅线图形面积，从而算出的效率要高一些，这一点在阅读国内外文献时应注意。对太阳能电池的理论效率进行估计时，计算损耗要包括从入射光能到输出电能期间所有可能发生的损耗。其中不仅有材料及工艺造成的损耗，还有一些则由基本物理原理所造成的。3.2效率的影响因素综上所述，提高太阳能电池效率，必须提高开路电压Uoc、短路电流Isc和填充因子FF这三个基本参量，这三个参量与电池材料、几何结构及制备工艺密切相关。但三个参量之间互相牵制的，如果单方面提高其中一个，可能会因此而降低另一个，以至于总效率不仅没提高反而有所下降。因而在选择材料、设计工艺时必须全盘考虑，力求使三个参量的乘积最大。3.2.1材料能带宽度开路电压Uoc随能带宽度Eg的增大而增大，但另一方面，短路电流密度随能带宽度Eg的增大而减小。结果可期望在某一个确定的Eg处出现太阳电池效率的峰值。，为了达到最高效率，太阳电池主要用禁带宽度介于1.2～1.6eV的材料做成。作为直接带隙半导体制成的薄膜电池是一种更好的选择，因为其还能在表面的附近吸收光子。3.2.2温度少子的扩散长度随温度的升高稍有增大，因此光生电流也随温度的升高有所增加，但UOC随温度的升高急剧下降。填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。3.2.3辐照度随辐照度的增加短路电流线性增加，最大功率不断增加。将阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。3.2.4掺杂浓度对Uoc有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。掺杂浓度越高，Uoc越高。但当硅中杂质浓度高于1018/cm3时称为高掺杂，由于高掺杂而引起的禁带收缩、杂质不能全部电离和少子寿命下降等等现象统称为高掺杂效应，也应予以避免。3.2.5光生载流子复合寿命对于太阳电池的半导体而言，随着少子寿命的增加，即光生载流子的复合寿命增加，短路电流会越大，同时Voc及FF均相应增加，少子寿命对压抑能电池器件的重要性不言而喻。少子寿命主要由非平衡载流子的复合决定，想要使少子寿命较长，在材料制备与电池的生产过程中，要尽量避免材料形成复合中心。还有在加工过程中，可以适当进行相关工艺处理，将复合中心移走，从而延长少子寿命。3.2.6表面复合速率低的表面复合速率有助于提高Isc，前表面的复合速率测量起来很困难，经常假设为无穷大。一种称为背电场（BSF）的电池设计为，在沉积金属接触前，电池的背面先扩散一层P+附加层。一种全背电极太阳能电池的制作方法及全背电极太阳能电池，方法的步骤如下：对衬底硅片进行前置处理，在硅片背面形成N、P相间的区域，并在前后表面分别形成第一、第二钝化膜层；然后在第二钝化膜层上形成多个点接触孔；在衬底硅片背面位于点接触孔的部位印刷金属浆料，经过烧结处理后，形成第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极具有第一点接触部分和第一金属部分，第一点接触部分与N型区形成欧姆接触，第一金属部分与N型区间留有第二钝化膜层；第二金属电极具有第二金属部分和多个第二点接触部分，第二点接触部分与P型区形成欧姆接触，第二金属部分与P型区间留有第二钝化膜层。通过该方法不仅能够将金属电极与背面钝化膜层保持良好的接触，而且能够降低金属电极与硅片的接触面积，从而减少复合，提高转换效率。3.2.7串联电阻和金属栅线理论上说，电极条越宽，电流收集能力越强，串联电阻越小；而电极条的宽度对遮光影响却很大，电极条过宽，因采光受到影响光电转化效率会严重降低，如何将金属电极材料在电池表面进行优化布置，从而既将遮光影响降低又尽量减小串联电阻是一对矛盾[3].串联电阻来源于引线、金属接触栅或电池体电阻，而金属栅线不