晶體硅太陽電池的基本原理和制造工藝流程

第一章晶體硅太陽電池的根本原理和制造工藝流程晶體硅太陽電池已經(jīng)成為當(dāng)今光伏工業(yè)的主流，隨著單晶硅、多晶硅太陽電池工廠的新近投資，這種作用還將持續(xù)下去[1]MartinA.Green，PresentandFutureofCrystallineSiliconSolarCells，TechnicalDigestoftheInternationalPVSEC-14,Bangkok,Thailand,2004PL-4[1]MartinA.Green，PresentandFutureofCrystallineSiliconSolarCells，TechnicalDigestoftheInternationalPVSEC-14,Bangkok,關(guān)于太陽電池的根本特性，Hovel已作出了全面的論述[2]H.J.Hovel,SolarCells,inR.K.WillardsonandA.C.Beer,Eds.,SemiconductorsandSemimetals.Vol.11.Academic,NewYork,1975:“[2]H.J.Hovel,SolarCells,inR.K.WillardsonandA.C.Beer,Eds.,SemiconductorsandSemimetals.Vol.11.Academic,NewYork,1975:“PhotovoltaicMaterialsandDevicesforTerrestrialApplications.”IEEETech.Dig.Int.ElectronDeviceMeet.,1979.p.3.晶體硅太陽電池的器件結(jié)構(gòu)晶體硅太陽電池的根本結(jié)構(gòu)見圖1.，它由擴(kuò)散法在外表形成的淺PN結(jié)，正面歐姆接觸柵格電極，覆蓋于整個反面的歐姆接觸電極以及正面減反射膜構(gòu)成。圖1.硅PN結(jié)太陽電池根本結(jié)構(gòu)圖2.PERT太陽電池結(jié)構(gòu)高效率晶體硅太陽電池那么有著更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制造流程，如鈍化發(fā)射極太陽電池PESC(passivatedemittersolarcell)，鈍化發(fā)射極和反面太陽電池PERC(passivatedemitterandrearcell)，鈍化發(fā)射結(jié)反面點(diǎn)接觸太陽電池PERL(passivatedemitter,rearlocally-diffused)cells，鈍化發(fā)射極反面全擴(kuò)散太陽電池PERT(passivatedemitter,reartotally-diffused)cells，具有本征層的(a-Si)/(c-Si)異質(zhì)結(jié)太陽電池(HITTM電池)，傾斜蒸發(fā)電極MIS-n+p太陽電池OECO〔obliquely-evaporated-contact〕，V型機(jī)械刻槽埋柵電極太陽電池(BuriedContactSolarCellwithV-groovedsurface)，反面接觸電極太陽電池(BacksideContactSolarCell)等等。這些高效率晶體硅太陽電池，主要特點(diǎn)是充分考慮到引起光電轉(zhuǎn)換效率損失的因素，在器件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了仔細(xì)的設(shè)計。圖2.、圖3.所示分別為PERT太陽電池、PERL太陽電池結(jié)構(gòu)。圖3.PERL太陽電池結(jié)構(gòu)目前商業(yè)化生產(chǎn)的大多數(shù)晶體硅太陽電池，采用1970年代開發(fā)出的絲網(wǎng)印刷電極結(jié)構(gòu)，見圖4。這種結(jié)構(gòu)的太陽電池具有制造過程簡單，設(shè)備產(chǎn)能較高的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是采用絲網(wǎng)印刷的正面電極在解決金屬—半導(dǎo)體接觸電阻和PN結(jié)的光電特性以及遮光問題之間不能令人滿意。激光刻槽埋柵電極太陽電池，見圖5，是澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏研究中心MartinA.Green教授及其研究團(tuán)組，在1980年代將實驗室高效晶體硅太陽電池技術(shù)低本錢應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的一個范例。這種太陽電池的優(yōu)點(diǎn)是正面兼有輕摻雜的受光區(qū)域和重?fù)诫s的電極接觸區(qū)域〔激光刻槽〕，因此，在改善金屬—半導(dǎo)體接觸電阻時，不必犧牲正面受光區(qū)域的PN結(jié)光電特性，同時可以最大限度地減小電極的遮光面積。缺點(diǎn)是設(shè)備產(chǎn)能較低。圖3.激光刻槽埋柵電極太陽電池結(jié)構(gòu)圖4.絲網(wǎng)印刷選擇性發(fā)射極示意絲網(wǎng)印刷選擇性發(fā)射極太陽電池，在器件結(jié)構(gòu)上與激光刻槽埋柵電極太陽電池相似，在制造工藝上更加簡化，電極接觸的“重”摻雜區(qū)和接收光照的“輕”摻雜區(qū)使用絲網(wǎng)印刷磷漿在一次擴(kuò)散步驟中形成，見圖4.。太陽輻射[3][3]施敏.著，黃振崗譯，半導(dǎo)體器件物理，電子工業(yè)出版社，1987年12月第一版。太陽發(fā)出的輻射能來自核聚變反響。每秒鐘約有6×1011kg的H2轉(zhuǎn)變?yōu)镠e，凈質(zhì)量損失約為4×103kg，這一質(zhì)量損失通過愛因斯坦關(guān)系〔E=mc2〕轉(zhuǎn)變?yōu)?×1012μm在日—地平均距離的自由空間內(nèi)的同樣輻射強(qiáng)度定義為太陽常數(shù)，其值[4]C.E.Backus,Ed.,SolarCells,IEEEPress,NewYork,1976.4][5]M.P.Thekaekara,“DateonIncidentSolarEnergy.[4]C.E.Backus,Ed.,SolarCells,IEEEPress,NewYork,1976.[5]M.P.Thekaekara,“DateonIncidentSolarEnergy.”Suppl.Proc.20thAnnu.Meet.Inst.Environ.Sci.,1974.p.21.[5]〔單位波長單位面積的功率〕相關(guān)的四條曲線。上部的曲線代表地球大氣層以外的太陽光譜，是大氣質(zhì)量為零的狀態(tài)〔AM0〕。此狀態(tài)可用5800K的黑體近似。AM0譜是與人造衛(wèi)星和宇宙飛船應(yīng)用相關(guān)的光譜。AM1譜代表太陽位于天頂時地表的陽光；入射功率約為925W/m2。AM2譜是對于θ=60而言的，其入射功率約為691W/m2。大氣質(zhì)量1.5的狀態(tài)〔太陽與地平線成45°[6][6]C.H.Henry,“LimitingEfficiencyofIdealSingleandMultipleEnergyGapTerrestrialSolarCells,”J.Appl.Phvs.514494(1980)〔1〕AM1.5情形的總?cè)肷涔β蕿?44W/m2。圖5.與太陽光譜相關(guān)的四條曲線〔引自Thekaekara的參考文獻(xiàn)[5]〕圖6.及相關(guān)半導(dǎo)體材料的帶隙、理論光電轉(zhuǎn)換效率〔引自Henry的參考文獻(xiàn)[6]〕要進(jìn)行太陽能發(fā)電，還必須了解在不同地點(diǎn)預(yù)計全年有多少太陽能。光譜響應(yīng)[3]當(dāng)波長為λ的單色光入射到太陽電池正面時，光電流和光譜響應(yīng)〔在各波長下每個入射光子所收集的載流子數(shù)〕可推導(dǎo)如下。在距半導(dǎo)體外表x處的電子—空穴對產(chǎn)生率示于圖8.〔a〕，表達(dá)式可以寫成：〔2〕圖8.〔a〕對于長波和短波光，電子—空穴對產(chǎn)生率與到半導(dǎo)體外表距離的關(guān)系。〔b〕太陽電池尺寸和少數(shù)載流子擴(kuò)散長度?！瞔〕太陽電池的假設(shè)突變摻雜分布。式中為吸收系數(shù)，為單位帶寬每cm2每s的入射光子數(shù)，為這些光子的外表反射率[2]。硅的光吸收系數(shù)見圖9.。圖9.晶體硅的光吸收系數(shù)在小注入條件下，對p型半導(dǎo)體中的電子，一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程為〔3〕對n型半導(dǎo)體中的空穴，為〔4〕電流密度方程為〔5〕〔6〕對于結(jié)每側(cè)為恒定摻雜的突變p—n結(jié)太陽電池，在圖8.〔b〕和〔c〕耗盡區(qū)以外沒有電場，在有n型正面和p型底面的p-n結(jié)的情形，可將方程〔2〕、〔4〕、〔6〕聯(lián)立解得到接上側(cè)的表達(dá)式：〔7〕此方程的一般解為〔8〕式中，，為擴(kuò)散長度。有兩個邊界條件。在外表，有復(fù)合速度為的外表復(fù)合：〔9〕在耗盡層邊緣，因受耗盡區(qū)電場的作用，過剩載流子密度很低：在處〔10〕在方程〔8〕中代入這些邊界條件，得到空穴密度為〔11〕最終得到耗盡區(qū)邊緣的空穴光電流密度為〔12〕假定該p-n結(jié)太陽電池的正面區(qū)域在壽命、遷移率和摻雜濃度等方面都是均勻的，在給定波長下，這一光電流就可以從電池的正面被收集到。為了求得從電池底面收集到的電子光電流，要采用方程式〔2〕、〔3〕、〔5〕，其邊界條件為：在處〔13〕在處〔14〕式中，W為耗盡層寬度，H為整個電池的寬度。方程〔13〕說明，在耗盡層邊緣，過剩少數(shù)載流子密度接近于零，而方程〔14〕說明，背外表復(fù)合在歐姆接觸處發(fā)生。引用這些邊界條件后，在均勻摻雜p型底面的電子分布為〔15〕在耗盡區(qū)邊緣處被收集到的電子所產(chǎn)生的光電流為〔16〕式中為圖8.(b)所示的p型底面中性區(qū)。方程〔16〕是在假定底面區(qū)域在壽命、遷移率和摻雜濃度都是均勻分布的情況下推導(dǎo)出來的。假設(shè)這些量是距離的函數(shù)，就必須應(yīng)用數(shù)值分析。在耗盡區(qū)內(nèi)也產(chǎn)生一些光電流。該區(qū)內(nèi)的電場通常很高，光生載流子在能夠復(fù)合之前就受到加速而被掃出耗進(jìn)區(qū)。單位帶寬的光電流等于被吸收的光子數(shù)?！?7〕于是，在給定波長下的總光電流為方程〔15〕、〔16〕、〔17〕之和：〔18〕對于從外部觀察到的光譜響應(yīng)，此光譜響應(yīng)〔SR〕等于方程〔18〕除以qF；對于內(nèi)部光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)等于方程〔18〕除以qF〔1－R〕?！?9〕對于能隙為Eg的半導(dǎo)體，理想的內(nèi)部響應(yīng)是一階躍函數(shù)，在時等于零，在時等于1〔如圖9.〔a〕的點(diǎn)劃線所示〕。對于Sin/p太陽電池，計算得到的逼真的內(nèi)部光譜響應(yīng)示于圖9.(a)，此光譜響應(yīng)在高光子能量下大大偏離理想化階躍函數(shù)[2]。此圖還示出了三個區(qū)域各自對光譜響應(yīng)的奉獻(xiàn)。器件參數(shù)為ND=5×1019cm-3，NA×1016cm-3，τpμs，τn=10μs，xjμm，H=450μm，S〔正面〕=104cm/s和S〔反面〕=∞。當(dāng)光子能量低時，由于硅的吸收系數(shù)低，在底面區(qū)域產(chǎn)生大局部載流子，當(dāng)光子能量增加到2.5eV以上，正面區(qū)域的載流子產(chǎn)生占優(yōu)勢，超出3.5eV時，變得大于106cm-1，光譜響應(yīng)完全來自正面區(qū)域，因為假設(shè)Sp〔20〕外表復(fù)合速度Sp在光子能量高時對光譜響應(yīng)尤有顯著的影響，對于與圖9.(a)有同樣參數(shù)〔只是Sp從102變化到106cm/s〕的器件，外表復(fù)合速度效應(yīng)示于圖9.(b)。隨著Sp的增加，光譜響應(yīng)劇烈下降。方程〔20〕還說明，當(dāng)Sp給定時，可通過增加擴(kuò)散長度Lp來改善光譜響應(yīng)。一般來說，為了增加有用波段的SR值，應(yīng)同時增加Lp和Ln并同時降低Sp和S圖9.(a)Sip-n結(jié)太陽電池經(jīng)計算得到的內(nèi)部光譜響應(yīng)，圖中示出了三個區(qū)域各自的奉獻(xiàn)〔點(diǎn)劃線是對于理想響應(yīng)而言的〕?！瞓〕Sip-n結(jié)太陽電池當(dāng)有不同的外表復(fù)合速度時經(jīng)計算得到的內(nèi)部光譜響應(yīng)〔引自Hovel的參考文獻(xiàn)[2]〕F〔λ〕得到的總光電流密度為〔21〕式中為對應(yīng)于半導(dǎo)體帶隙的最長波長。為了得到最大的JL值，應(yīng)使波段的R(λ)值增至最大。I-V特性晶體硅太陽電池的等效電路可以表示成圖10.所示的形式。Rse表示來自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻，Rsh表示來自泄漏電流的旁路電阻，RL表示負(fù)載電阻，ID表示二極管電流，IL表示光生電流。圖10.晶體硅太陽電池的等效電路根據(jù)等效電路，可以寫出p—n結(jié)太陽電池的I—V特性方程如下：〔22〕將p-n結(jié)二極管電流方程〔23〕代入方程〔22〕可以得到輸出電流為：〔24〕式中q為電子電量，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，n為二極管質(zhì)量因子。對于實際的太陽電池，二極管正向電流的數(shù)值由中性區(qū)的擴(kuò)散電流和耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流組成。當(dāng)復(fù)合電流占優(yōu)勢時，因子n=2，當(dāng)擴(kuò)散電流占優(yōu)勢時，n=1，當(dāng)兩種電流可以比較時，n介于1到2之間。當(dāng)Rsh足夠大，并聯(lián)電阻引起的旁路電流可以忽略不記時。輸出功率可以表示為：〔25〕圖11所示為絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽電池典型的I—V曲線和P—V曲線。短路電流Isc表示太陽電池輸出端短路情況下能夠輸出的電流，開路電壓Voc表示輸出端負(fù)載電阻無窮大—即輸出端開路狀況下的輸出電壓，最大功率Pm表示輸出的最大功率，Vpm和Ipm分別表示與最大功率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓和輸出電流。填充因子FF定義為〔26〕光電轉(zhuǎn)換效率定義為〔27〕式中Pin為輸入太陽電池的光功率。要獲得最高的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)使FF、Isc和Voc都最大。提高FF和Voc的途徑是減小復(fù)合電流；改善電極歐姆接觸，減小串聯(lián)電阻Rse；提高并聯(lián)電阻，減小旁路漏電流。提高Isc的途徑是提高太陽電池對陽光的