(整理)太陽能電池各電性能參數(shù)-草稿.

1、太陽能電池各電性能參數(shù)的本質(zhì)及工藝意義 武宇濤電性能參數(shù)主要有：Voc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irevl-電性能參數(shù)在生產(chǎn)過程中尤其是在實(shí)時(shí)的生產(chǎn)控制現(xiàn)場，非常及時(shí)地反映了整個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝尤其是后道工序的動(dòng)態(tài)變化情況，為我們對產(chǎn)線的控制及生產(chǎn)設(shè)備工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)起到了非常重要的參考作用。從可控性難易角度來說，Voc,Rs,Rsh，主要和原材料及生產(chǎn)工藝的本身特征相關(guān)，與工藝現(xiàn)場的調(diào)控波動(dòng)性關(guān)系不是特別緊密，可稱之為長程可控參數(shù)。而Isc,FF,Irevl與工藝現(xiàn)場的調(diào)控聯(lián)系緊密，對各調(diào)控參數(shù)比較敏感，可稱之為短程可控參數(shù)。當(dāng)然我們最關(guān)心的是效率Eff。而Eff則是以上所有參數(shù)

2、的綜合表現(xiàn)。太陽能電池的理論基礎(chǔ)建立在以下幾個(gè)經(jīng)典公式之上:Voc=(KT/q>dn(lsc/Io+1)V0C=(KT/q)xln(NaNd/ni2)卩+虞R-11精品文檔FF=Pm/(VocxIsc)=VmxIm/(VocxIsc)R盤r=oEff=Pm/(APin)=FFxVocxIsc/APin=FFxVocxJsc/Pin5法ssTx亠！-圖-2太陽能電池等效電路從上面5式我們可以看到，與效率直接相關(guān)的電性能參數(shù)主要有：FF,Voc,Isc。在生產(chǎn)中我們還比較關(guān)心暗電流情況:Irevl,由1式可以看出，它與Voc有比較緊密地聯(lián)系（實(shí)際也是這樣的）。為了更好地說明各參數(shù)間的聯(lián)系，這

3、里先錄用幾組數(shù)據(jù)如下：表-1線別Uo(:IscFFRsRshEFFIre、>>16%sc>8o2>FF0P156CQ)6188.2!177.2.0()388i16.11%1.778.7356豳.1%.P156(50)6168.2!176.(6.0()433!15.92Ui356.0655.2%B.10.E-CELL0.Y；277.2!978.0.0()329)14.68%2!340.0320.33©.8%5.以上P156均系LDK片源。783%4%8%1,Voc由于光生電子-空穴對在內(nèi)建場的作用下分別被收集到耗盡層的兩端，從而形成電勢。所以我們認(rèn)為Voc是內(nèi)建

4、電場即PN結(jié)掃集電流的能力的直觀表現(xiàn)。由上面公式1所反映，Voc主要與電池片的參雜濃度(Nd)相關(guān)。對于寬AEg的電池材料，相對會(huì)有比較高的。心但厶Eg過高，又會(huì)導(dǎo)致光吸收效率的迅速下降(主要是長波段響應(yīng)降低)，使Isc是降低，所以需要找到一個(gè)最佳摻雜深度值。另一方面，高參雜又會(huì)引入更多的復(fù)合中心，使復(fù)合電流增加，同樣也降低了Voc。所以在沒有引起復(fù)合電流增加或者其增量比較小的前提下，參雜濃度的提高對Voc總是有益的。在上表所示的三種成品電池片中,P156的片子與E-CELL片子Voc有著顯著的不同，這顯然是由于冶金級硅的雜質(zhì)濃度過大導(dǎo)致的。而對于62柵線和71柵線的電池片，由于其總體參雜濃度

5、并沒有顯著的改變，所以其開壓并沒有顯著差別。從上表還可以看出,E-CELL電池的Isc已經(jīng)比比另兩者有顯著降低，我們可以認(rèn)為對于P156的正常多晶硅電池片其Voc在620mv左右達(dá)到了峰值。另外通過對高Voc電池片（如E-CELL）進(jìn)行QE掃描發(fā)現(xiàn)其長波長響應(yīng)顯著降低。在現(xiàn)在既定工藝背景下，在沒有大的工藝改動(dòng)下，對產(chǎn)線的技術(shù)參數(shù)調(diào)整對Voc影響不會(huì)太大。在生產(chǎn)中，我們曾對各種能夠調(diào)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行了大量的調(diào)整，尤其是背電場和燒結(jié)溫度參數(shù)方面，但結(jié)果總是很不理想，比如P156的LDK的片子其整體平均值變化范圍也就是618mv±2mv左右。基本上不可能達(dá)到像E-CELLGP156那樣整體平均

6、630mv的水平?？梢?，Voc對后道工序的參數(shù)調(diào)節(jié)并不十分敏感。一句話，關(guān)于Voc，這是電池片子本身質(zhì)量素質(zhì)及現(xiàn)定工藝所共同決定的，從整體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看它是一個(gè)比較穩(wěn)定的不易發(fā)生較大波動(dòng)的工藝參數(shù)，比如：煜輝和洛陽以及LDK各廠家的電池片都有各自明顯的電性能特征，尤其表現(xiàn)在Voc和Isc上。所以，在日常的生產(chǎn)過程中，我們應(yīng)該更多地關(guān)注其他比較容易波動(dòng)且操控性更強(qiáng)的參數(shù)，比如FF,Isc.2，F(xiàn)F如上面大名鼎鼎的太陽能電池的I-V曲線圖-1所示，F(xiàn)F的直觀意義為上圖中矩形與曲線所圍成面積之比。它的本質(zhì)意義如式3所示,即輸出的有用功與產(chǎn)生的總體功率之比它表現(xiàn)了電池片本身輸出有用功的能力，也即其本身

7、的內(nèi)耗情況；對于高的FF,電池片本身對所產(chǎn)生電能的消耗比例較小。而Eff如式所示,則是表現(xiàn)了電池片在吸收了一定太陽能量后能夠輸出有用功的能力.另外，此曲線的兩邊的斜率也直觀地展現(xiàn)了Rsh與Rs的大小，正如式4所示。所以在電性能參數(shù)中，我們認(rèn)為，F(xiàn)F，Rsh,Rs這三個(gè)參數(shù)是緊密相連的一組。一般通過Rs和Rsh我們來直觀地判斷FF的好壞。即Rs和Rsh主要影響FF，當(dāng)然當(dāng)他們性能很差時(shí)對Voc和Isc的影響也是很顯著的。如上表所示：雖然UMG電池片的效率很低，但是這并不妨礙它可以達(dá)到比正常電池片還要高很多的FF。再對比單晶的情況，雖然單晶具有比多晶更高的效率，但也不影響它只具有和ECELL相當(dāng)?shù)?/p>

8、FF。相對于VocF更容易波動(dòng)衛(wèi)波動(dòng)幅度有時(shí)也是很大的一般情況下，在工藝過程中對FF影響比較大比較直接的主要是印刷工藝，再具體地說主要是正面電極的印刷,而正面電極的印刷又是一個(gè)非常細(xì)致的工藝，影響其質(zhì)量的參數(shù)及因素又是相當(dāng)多（相對于前道各工序來說），主要有印刷資料的選取,印刷網(wǎng)版的設(shè)計(jì)及印刷參數(shù)的調(diào)節(jié)由于前兩項(xiàng)因素已經(jīng)由工程師們設(shè)計(jì)選擇好，所以對于工藝人員，主要的工作是保證印刷出高質(zhì)量的圖形及確保各項(xiàng)參數(shù)在工藝范圍內(nèi)可控.另外FF對燒結(jié)的調(diào)節(jié)不是很敏感而通常當(dāng)FF較低時(shí)，我們也并不太多地懷疑燒結(jié)是否匹配.正常情況下，F(xiàn)F的降低表明電池片本身的內(nèi)耗或漏電的增加，而這也必然會(huì)在Rs或Rsh上反映出

9、來。但是，我們也確實(shí)遇到了這樣的情況:印刷圖形堪稱完美，基本上沒有虛印，柵線高度也正常,Rs及Rsh也都正常，而FF就是比平常低了將近0.5左右!其原因到目前仍然不是很清楚.2.1Rs硅太陽能電池等效串聯(lián)電阻會(huì)影響其正向伏安特性和短路電流，而對開路電壓沒有影響，當(dāng)然，對FF也有很大影響，當(dāng)串聯(lián)電阻取不同值時(shí)太陽能電池的I-V特性如下圖-4所示11:串聯(lián)電阻變化時(shí)太陽能電池的I-V特性曲線太陽能電池的串聯(lián)電阻由以下四部分組成：Rs=Rb+Rd+Rc+RmRb為基體材料本身的體電阻；Rd為太陽能電池?cái)U(kuò)散層的薄層電阻，也可以理解為電池表面細(xì)柵線兩旁的橫向電阻；Rc為金屬半導(dǎo)體的接觸電阻；Rm為電極材

10、料電阻。Rm、Rd可以統(tǒng)一看為發(fā)射區(qū)電阻，Rc、Rb可以統(tǒng)一看為基區(qū)電阻。良好的電極材料、圖形和制備工藝可以減小薄層電阻對Rs的影響及減小Rc、Rm的大小。一般來說我們希望Rs越小好好。從上表數(shù)據(jù)右以看出，采用新網(wǎng)版工藝的電池片比之前的電池片Rs有了一定的改善，但不是很大，不過畢竟有了改善。由于采用了密柵設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為此改善主要來自于橫向電阻的改善，當(dāng)然，使用新漿料所帶來的接觸電阻的改善也是可以肯定地，但畢竟比較小。另外，相對于E-CELL電池片，前兩者的Rs明顯差很多，而E-CELL電池片,不論是體電陰率還是方塊電阻都要比另外兩者差很多。由以上比較，我們可以得出以下結(jié)論：在組成串聯(lián)電阻Rs的

11、四個(gè)因素中，它們對總體Rs的影響順序依次為:體電阻Rb,接觸電阻Rc,橫向電阻Rd和電極電阻Rm。Rs的改善對FF影響主要表現(xiàn)在：隨著Rs減小，電池片本身的內(nèi)耗也隨之減小，從而使FF得到提高。2.2RshRsh在I-V曲線圖上的直觀意義是當(dāng)V=0時(shí),I-V曲線斜率的倒數(shù)的絕對值，如式4所示。而其本質(zhì)是則是由于材料本身及生產(chǎn)工藝等原因造成的種種漏電通道。所以，理論上講我們希望其越大越好。由工藝過程引入的漏電通道主要有以下六種：1>Linearedgeshunts2>Nonlinearedgeshunts3>Cracksandholes4>Schotty-typeshunt

12、s5>Scratches6>Aluminumshunts由材料本身引入的漏電通道主要有以下三種:1>Stronglyrecombinativecrystaldefects2>Inversionlayeratprecipitates3>MacroscopicSi3N4inclusionsRsh是與Io緊密聯(lián)系在一起的。實(shí)際上它們描述的是同一個(gè)現(xiàn)象：光生電流的非常規(guī)復(fù)合損失。只是Rsh具有更豐富的內(nèi)涵及更直觀的表現(xiàn)。在日常生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)相對于Rsh,Rs的調(diào)控性更好些，即Rs對燒結(jié)及其他工藝參數(shù)比如印刷質(zhì)量更敏感些。更實(shí)際的情況是這樣的：在日常的工藝過程中，對于Rs

13、h并沒有十分明確的調(diào)節(jié)對象（就像細(xì)柵線的高寬比一樣），工藝人員往往束手無策。采用新柵線工藝（71柵線）后,Voc,Isc,Rs只得到了些微的改善,FF的改善比較明顯。唯獨(dú)Rsh下降了很多，說明由于采用新工藝,我們引入了更多的漏電通道，而這些漏電通道吞掉了很多本應(yīng)由新工藝帶來的電流改進(jìn)。由于我們的新工藝只是對PECVD以后的程序進(jìn)行了改進(jìn)，而正面電極柵線遮光面積前后并沒有太大的變化，所以PECVD工序的可能性最大，至少在目前看來是這樣的。另外我個(gè)人認(rèn)為跟正面電極漿料也有一定的關(guān)系：在沒有使用PV159漿料之前我們的Rsh基本都是50以上，作到100也是常有的事，只是UMG的電池片Rsh比較低，但

14、即使這樣，也比現(xiàn)在的要高很多。理論上,往往我們都認(rèn)為是Rs和Rsh共同表現(xiàn)了FF的優(yōu)劣，而實(shí)際上只有Rs更具體更充分地表現(xiàn)出了它的這個(gè)職能。3，Isc理論上，描述電流的經(jīng)典公式如式4所示;直觀上，I-V曲線如上圖-1所示。太陽能電池的一切根源則是由PN結(jié)所搜集的由光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的光生載流子，而載流子的聚集又產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢Voc,從而行成太陽能電池工作的基本構(gòu)架。我們在對太陽能電池的研究與生產(chǎn)中所作的努力絕大部分是間接地為了提高Isc（直接地為了提高Eff）。如：表面織構(gòu)化與淀積ARC膜是為了提高光的吸收利用率從而從源頭體高Isc；改進(jìn)PN結(jié)深與參雜提高方塊電阻，采用細(xì)柵線等提高光生電流收集

15、幾率從而從過程中減少光生電流的損失間接提高Isc；而采用各種更精細(xì)的工藝制程,如各種不同的表面織構(gòu)及正面電極則是為了能更細(xì)致更專業(yè)地從源頭及過程中優(yōu)化Isc。我們可以將Voc與Isc并稱為太陽能電池的兩大最主要電性能參數(shù)，而轉(zhuǎn)換效率Eff則是其優(yōu)劣最直接的展現(xiàn)。一般來說，整個(gè)產(chǎn)線從制絨到絲網(wǎng)印刷的各個(gè)工序都可以對Isc產(chǎn)生直接而顯著的影響。而他們的影響方式不外乎兩種：影響光的吸收效率或影響光生載流子的吸收幾率。而每道工序都有相應(yīng)的工藝控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)也都體現(xiàn)了如上面所說的影響。如：1,制絨工序的減薄量。它本質(zhì)上反映的是表面織構(gòu)化的質(zhì)量，即倒金字塔的幾何結(jié)構(gòu)包括其寬度和高度，而正是這些參數(shù)直接

16、地影響了光的吸收效率，此工序?qū)sc的影響主要體現(xiàn)在對光的吸收效率方面,而此工序由于清洗不徹底或污染則在后續(xù)工序中影響載流子的收集幾率。2,擴(kuò)散工序的方塊電阻及不均勻度。它們主要是用來描述擴(kuò)散式PN結(jié)的質(zhì)量,本質(zhì)上反映的是擴(kuò)散雜質(zhì)在PN結(jié)中的分布情況,包括雜質(zhì)的總量，雜質(zhì)分布的深度和雜質(zhì)分布的均勻度。由于PN結(jié)是最主要的生成電子-空穴對及收集電流的場所，所以方塊電阻及不均勻度所影響的主要是載流子的收集幾率。這些都突出表現(xiàn)在我們對高方塊電阻及小不均勻度電池的執(zhí)著追求上。3,PECVD工序的膜厚及折射率。氮化硅薄膜的重要作用主要體現(xiàn)在減反射和鈍化上。其減反射作用主要是提高電池對光的吸收效率，而其鈍

17、化作用主要是減少載流子的表面復(fù)合從而提高其收集幾率。實(shí)際上，膜厚及折射率也正是從提高光的吸收效率的目地出發(fā)的，至于其鈍化作用雖然也相當(dāng)明顯,但我們也可以認(rèn)為它是一個(gè)美麗的巧合。后面我們還會(huì)看到，在整個(gè)工藝過程中有很多TRADE-OFF,而氮化硅膜是少有的將兩種重要優(yōu)點(diǎn)集于一身的制程。4絲網(wǎng)印刷中背電場的濕重，正面電極的濕重及細(xì)柵線的高寬比。如果說擴(kuò)散工序制作的pn結(jié)的主要作用是產(chǎn)生電流，那么絲網(wǎng)印刷則負(fù)責(zé)修建輸出電流的線路，顯然，運(yùn)輸質(zhì)量與道路是緊密相關(guān)的。我們要做的是在運(yùn)輸過程中盡量高效地運(yùn)輸并減少無端的損耗。對于鋁背場濕重的控制主要是為了提高對載流子的收集幾率，同時(shí)它對提高開路電壓也是很有

18、效的。對于正面點(diǎn)極濕重的控制主要是為了得倒優(yōu)質(zhì)的細(xì)柵線圖形，而優(yōu)質(zhì)的細(xì)柵線既能明顯地提高電流的收集幾率，也能有效地降低本身的損耗（低的串聯(lián)電阻，高的填充因子），對細(xì)柵線高寬比的追求同樣是為了得倒優(yōu)質(zhì)的柵線。另外通過對網(wǎng)版的設(shè)計(jì)及漿料的選擇，我們已經(jīng)大大地提高了電流的收集幾率及運(yùn)輸效率，如表-1參數(shù)FF及Rs所示?？傊?，在絲網(wǎng)印刷中我們對各線參數(shù)的控制主要地是為了體高電流的收集及運(yùn)輸效率。5,燒結(jié)。這是完成電池片制作的最后的工序，而根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，好的燒結(jié)條件對Isc及Rs的優(yōu)化是相當(dāng)明顯的。顯然，對燒結(jié)條件的控制是我們所能做的最后一件提高電流收集幾率的努力。以上，我們從正個(gè)工藝進(jìn)程說明了Isc

19、的重要性，并通過說明它與各道工藝參數(shù)的因果關(guān)系展示了其巨大的工藝窗口。由于Isc本身就對各工藝參數(shù)比較敏感，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，我們主要是通過調(diào)節(jié)印刷質(zhì)量與燒結(jié)參數(shù)來更直接地把控Isc。4,Eff它直接地表明了其他所有電性能參數(shù)的綜合水平。由式5所示，F(xiàn)F，Voc,Isc是影響Eff的最主要的參數(shù)，而他們又分別被其他參數(shù)所影響，所以基本上所有的電性能參數(shù)都能或大或小地影響Eff,這也是Eff的波動(dòng)范圍非常廣泛的原因。另外由于Voc的差可控性，我們對Eff的調(diào)節(jié)也更多地落在了FF和Isc上。從長遠(yuǎn)來看，在擴(kuò)散工序中對低不均勻度的高方塊電阻的追求，以及絲網(wǎng)印刷工序中對更優(yōu)質(zhì)細(xì)柵線及電極漿料的追求為我們轉(zhuǎn)換效率的提