結(jié)晶硅太陽(yáng)電池效率的影響因素及優(yōu)化方案

結(jié)晶硅太陽(yáng)電池效率的影響因素及優(yōu)化方案本文基于結(jié)晶硅太陽(yáng)電池的構(gòu)造原理，理論上分析了影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素，并為提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，提出優(yōu)化方案。進(jìn)行電極優(yōu)化以減小表面電極所引起的功率損失是一種行之有效的方法。目前主要有減小電極柵線寬度、增加電極柵線高度、減少電極柵線電阻率、減小發(fā)射極與電極柵線之間的接觸電阻四種方法。其中第一種方法能夠減少太陽(yáng)電池的光學(xué)損失，后三種方法能夠減少太陽(yáng)能電池的電學(xué)損失。綜合考慮電池前表面的電學(xué)損失和光學(xué)損失，介紹了優(yōu)于單層電極結(jié)構(gòu)的雙層電極技術(shù)。對(duì)于俄歇復(fù)合與表面面積增加導(dǎo)致的電學(xué)損失，介紹了全背電極技術(shù)。關(guān)鍵詞：結(jié)晶硅太陽(yáng)電池、光學(xué)損失、轉(zhuǎn)換效率、雙層電極技術(shù)

第一章緒論1.1結(jié)晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，使中國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的3個(gè)小廠的幾百kW一下子提升到4個(gè)廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到2002年，產(chǎn)量則只有2MW左右。進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著歐洲市場(chǎng)的放大，特別是德國(guó)市場(chǎng)，以及橫空出世的無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在其超常規(guī)的發(fā)展中找到了前所未有的發(fā)展契機(jī)和機(jī)遇。目前，我國(guó)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成功超過歐洲、日本，成為全球主要的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó)，也是世界太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)。在產(chǎn)業(yè)布局方面，我國(guó)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)在環(huán)渤海、珠三角、長(zhǎng)三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢(shì)，衍生出了各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群。在技術(shù)方面，國(guó)外的太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展比國(guó)內(nèi)早了近二十多年，盡管最近幾年國(guó)家在太陽(yáng)能電池方面加大了投入，但國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能電池技術(shù)與國(guó)外差距依舊很大。想要有較大的發(fā)展，政府要給予政策上較大的引導(dǎo)和激勵(lì)，有效合理的解決太陽(yáng)能發(fā)電定價(jià)的問題和上網(wǎng)問題。與此同時(shí)要較多借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，要充分發(fā)揮政府的示范作用，可將太陽(yáng)能強(qiáng)制推廣到公共設(shè)施、政府辦公樓等應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)需求，促使太陽(yáng)能電池技術(shù)盡快起步和良性發(fā)展。晶體硅太陽(yáng)能電池是以結(jié)晶狀硅為基體材料的太陽(yáng)能電池。將高純度多晶硅料熔融再結(jié)晶后切割得到制備晶體硅電池所需片狀晶體硅材料，通常稱為硅片。太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)上生產(chǎn)所需硅片厚度在180μｍ左右，有125mm×126mm或156mm×156mm兩種規(guī)格。太陽(yáng)能電池所用晶體硅材料純度需達(dá)到6個(gè)9（即99.9999％）以上，純度越高，雜質(zhì)越少，電池轉(zhuǎn)換效率越高。晶體硅太陽(yáng)能電池可應(yīng)用于各類光伏系統(tǒng)中，包括大型地面光伏電站、屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)及太陽(yáng)能路燈、庭院燈等，是應(yīng)用范圍最廣泛的一種太陽(yáng)能電池。

毫無(wú)疑問，硅電池是促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的中堅(jiān)力量。而太陽(yáng)能電池組件中，大約80%的電力都來(lái)源于晶體硅組件。第一個(gè)晶體硅電池出現(xiàn)在1954年，恰賓和卡爾松等人在貝爾實(shí)驗(yàn)室用表面拋光的硅片制作PN結(jié)，然后分別在兩側(cè)蒸鍍上金屬電極，就制成了光伏轉(zhuǎn)換效率達(dá)6%的世界上第一塊實(shí)用性硅太陽(yáng)電池，成為現(xiàn)代硅太陽(yáng)電池時(shí)代的開始。經(jīng)過多年年的發(fā)展，經(jīng)歷了幾個(gè)快速發(fā)展期的晶體硅太陽(yáng)電池，從最初的8%提升至目前的25%（實(shí)驗(yàn)室效率），達(dá)到前所未有的攀升速度。1.2結(jié)晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展前景 豐富的太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的、廉價(jià)、無(wú)污染、人類能夠自由利用的資源，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，作為無(wú)污染且取之不盡的太陽(yáng)能光伏發(fā)電會(huì)逐漸占據(jù)能源消費(fèi)的重要位置，在替代部分常規(guī)能源的同時(shí)，還將成為主體形式來(lái)滿足世界能源供應(yīng)。預(yù)計(jì)到二十一世紀(jì)三十年代年，在世界總能源結(jié)構(gòu)中將有30%以上被可再生能源占有，而10%以上的世界總電力供應(yīng)將由太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生；到四十年代，將有總能耗的50%以上為可再生能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)電量將達(dá)到總電力的20%以上；到二十一世紀(jì)末，可再生能源將在總能耗中占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占總電力的60%以上。這些數(shù)據(jù)顯示出太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有良好的發(fā)展前景，且其在能源領(lǐng)域也將占據(jù)重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)前景廣闊。截止到2012年2月份光伏組件、系統(tǒng)及光伏電費(fèi)的成本截止到2012年2月，光伏組件的制造成本已經(jīng)達(dá)到5.3-5.6元rmb/Wp。二次配、支架、線材、人工等，其制造成本在3元rmb/Wp以內(nèi)，光伏電站裝機(jī)成本在8.6元rmb/Wp以內(nèi)。其中光伏組件成本下降空間極小。含利潤(rùn)，正常光伏系統(tǒng)的裝機(jī)成本應(yīng)在10元rmb/Wp。

在三類光照地區(qū)（沿海、東北、中原、華南），每年每Wp光伏系統(tǒng)可以發(fā)0.8千瓦時(shí)的電，發(fā)電系統(tǒng)每千瓦時(shí)的維護(hù)費(fèi)用為0.05元RMB，系統(tǒng)平均壽命在30年（質(zhì)保25年，一般大于40年的平均壽命），則每度電的成本10/24+0.05=0.47元/kwh。能源投入產(chǎn)出比為1:12。二類、一類光照地區(qū)電價(jià)更低，能源投入產(chǎn)出比更高。

制備太陽(yáng)能電池主要考慮的兩個(gè)主要因素是提高轉(zhuǎn)換效率與降低成本，對(duì)于目前的晶體硅太陽(yáng)能電池，其經(jīng)過多年的快速發(fā)展，若想要再進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率是非常困難的。所以，除了繼續(xù)開發(fā)新的電池材料，制備太陽(yáng)能電池未來(lái)研究的重點(diǎn)將集中在怎樣降低成本上來(lái)，現(xiàn)今的高度轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池，其是在質(zhì)量較高的硅片上制成的，這是硅太陽(yáng)能電池成本最高的部分。因此，不僅能保證轉(zhuǎn)換效率仍較高，還能降低襯底的成本的方法或材料就顯得極為重要。這同樣也是今后太陽(yáng)能電池發(fā)展中最值得關(guān)注的部分。近來(lái)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)中，國(guó)外將采用一些技術(shù)制造得到的硅條帶作為的基片，以達(dá)到降低成本的目的，獲得了比較現(xiàn)想的效果。第二章太陽(yáng)能電池基本理論2.1太陽(yáng)能電池工作原理2.1.1 p-n結(jié)在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了PN結(jié)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是指物質(zhì)從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，如下圖（a）所示，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴擴(kuò)散向N區(qū)，N區(qū)的多數(shù)載流子電子擴(kuò)散向P區(qū)，在P區(qū)與N區(qū)分別留下不能移動(dòng)的正電離子和負(fù)電離子，在交界面附近形成一層較薄的空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)方向如圖（b)所示，在薄層內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)，與空穴擴(kuò)散方向相反，空間電荷區(qū)在阻礙電子、空穴擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，有一部分空穴流向P區(qū)，電子流向N區(qū)，這是在電場(chǎng)力作用下，少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成了空間電荷區(qū)，而空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)阻止多數(shù)載流子擴(kuò)散，促使少數(shù)載流子漂移，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡是形成一定寬度的p-n結(jié)。2.1.2光生伏打效應(yīng)半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)是太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時(shí)，太陽(yáng)光其中一部分被器件表面反射，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光子有的和晶格作用轉(zhuǎn)變成熱能，光子也能夠和雜質(zhì)、缺陷作用。對(duì)于太陽(yáng)電池，最重要的是光子和價(jià)電子的作用，當(dāng)光子和價(jià)電子發(fā)生碰撞時(shí)，如果光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，就會(huì)在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，形成過剩載流子。在耗盡區(qū)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)，被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子流進(jìn)N區(qū)，光生空穴則流進(jìn)P區(qū)，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為0，即n=p=0。在N區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)，其空穴向耗盡層邊界擴(kuò)散，到達(dá)耗盡層邊界后，便受到內(nèi)建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引做漂移運(yùn)動(dòng)，最終越過耗盡層進(jìn)入P區(qū)，光生電子則留在N區(qū)。在P區(qū)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)，其光生電子先向耗盡層邊緣擴(kuò)散，到達(dá)耗盡層后由漂移作用進(jìn)入N區(qū)。這樣，最終在PN結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，在N區(qū)積累了過剩的電子，在P區(qū)積累了過剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)不僅抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)在外電路中接入負(fù)載后，光電流就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中便得到了功率輸出。如果將PN結(jié)兩端開路，可測(cè)的這個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱為開路電壓Uoc。對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，其兩邊電極的開路電壓的存在典型值，該值為0.5-0.6V。若此時(shí)將外電路做短路處理，得到外電路中出現(xiàn)與入射光能量成正比的光電流流過，此時(shí)短路轉(zhuǎn)態(tài)產(chǎn)生的電流Isc稱為短路電流。2.1.3影響光電流的因素光照在太陽(yáng)電池界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多，其產(chǎn)生的光電流也越大；太陽(yáng)電池的界面層吸收的光能越多，或者說(shuō)太陽(yáng)電池的受光面積越大，其產(chǎn)生的光電流也越大；太陽(yáng)能電池在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)三處都可以形成光生載流子，每個(gè)區(qū)的光生載流子必須是在發(fā)生復(fù)合之前越過耗盡層，才能對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。2.2太陽(yáng)能電池主要參數(shù)2.2.1等效電路為了描述電池的關(guān)注狀態(tài)，將太陽(yáng)電池和負(fù)載系統(tǒng)模擬為如下圖所示的等效電路。在光照恒定的情況下，太陽(yáng)電池工作產(chǎn)生的光電流不隨其工作狀態(tài)而發(fā)生，在此時(shí)模擬的等效電路中，我們可以把太陽(yáng)電池看做恒流源。太陽(yáng)電池產(chǎn)生光電流的其中一部分流經(jīng)負(fù)載，在負(fù)載RL兩端建立了端電壓U，然后，它同時(shí)又使PN結(jié)處于正向偏置，產(chǎn)生一股暗電流Ibk，其方向與光電流方向是相反的。這樣，我們繪制出PN同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的一個(gè)理想的的等效電路，如上圖所示。由于太陽(yáng)電池材料本身具有一定的電阻率，以及前面和背面存在的電極接觸，所以在基區(qū)和頂層我們引入了附加電阻。在等效電路中，我們用串聯(lián)電阻RS來(lái)表示它們的總效果，當(dāng)流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時(shí)，便以這個(gè)電阻來(lái)模擬其損耗。同時(shí)，由于電池邊沿的漏電以及制作金屬化電極時(shí)在微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分原本應(yīng)通過負(fù)載的電流產(chǎn)生短路現(xiàn)象，我們用一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh來(lái)模擬這種作用的大小。2.2.2輸出功率當(dāng)流進(jìn)負(fù)載RL的電流為I，負(fù)載RL的端電壓為U時(shí)，可得：式中的P就是太陽(yáng)能電池被照射時(shí)在負(fù)載RL上得到的輸出功率。當(dāng)負(fù)載RL從0變到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓U則從0變到U0C，同時(shí)輸出電流便從ISC變到0，由此即可畫出太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線。曲線上的任一點(diǎn)都稱為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱為負(fù)載線，負(fù)載線的斜率的倒數(shù)即等于RL，與工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)即為工作電壓和工作電流。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Um之積最大，即：Pm=ImUm一般稱M點(diǎn)為該太陽(yáng)能電池的最佳工作點(diǎn)（或稱最大功率點(diǎn)），Im為最佳工作電流，Um為最佳工作電壓，Rm為最佳負(fù)載電阻，Pm為最大輸出功率。2.2.3填充因數(shù)最大輸出功率與（Uoc×Isc）之比稱為填充因數(shù)（FF），填充因數(shù)也是用來(lái)衡量太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要指標(biāo)，其計(jì)算如下：填充因數(shù)可以表示太陽(yáng)能電池的優(yōu)劣，在收到光譜輻照度下一定的情況下，F(xiàn)F越大，其特性曲線表現(xiàn)出來(lái)就越方，同時(shí)輸出功率也就越高。第三章太陽(yáng)能電池的效率及其影響因素3.1太陽(yáng)能電池的效率太陽(yáng)能電池受照射時(shí)，太陽(yáng)能電池的效率由輸出電功率與入射光功率的比值來(lái)計(jì)算，用η表示，也將其稱為光電轉(zhuǎn)換效率。一般來(lái)說(shuō)，光電效率是外電路連接最佳負(fù)載電阻RL時(shí)所能達(dá)到的最大能量轉(zhuǎn)換效率。在上式中，如果把At換為有效面積Aa（也稱活性面積），即從總面積中扣除柵線圖形面積，從而算出的效率要高一些，這一點(diǎn)在閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)時(shí)應(yīng)注意。對(duì)太陽(yáng)能電池的理論效率進(jìn)行估計(jì)時(shí)，計(jì)算損耗要包括從入射光能到輸出電能期間所有可能發(fā)生的損耗。其中不僅有材料及工藝造成的損耗，還有一些則由基本物理原理所造成的。3.2效率的影響因素綜上所述，提高太陽(yáng)能電池效率，必須提高開路電壓Uoc、短路電流Isc和填充因子FF這三個(gè)基本參量，這三個(gè)參量與電池材料、幾何結(jié)構(gòu)及制備工藝密切相關(guān)。但三個(gè)參量之間互相牽制的，如果單方面提高其中一個(gè)，可能會(huì)因此而降低另一個(gè)，以至于總效率不僅沒提高反而有所下降。因而在選擇材料、設(shè)計(jì)工藝時(shí)必須全盤考慮，力求使三個(gè)參量的乘積最大。3.2.1材料能帶寬度開路電壓Uoc隨能帶寬度Eg的增大而增大，但另一方面，短路電流密度隨能帶寬度Eg的增大而減小。結(jié)果可期望在某一個(gè)確定的Eg處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。，為了達(dá)到最高效率，太陽(yáng)電池主要用禁帶寬度介于1.2～1.6eV的材料做成。作為直接帶隙半導(dǎo)體制成的薄膜電池是一種更好的選擇，因?yàn)槠溥€能在表面的附近吸收光子。3.2.2溫度少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度隨溫度的升高稍有增大，因此光生電流也隨溫度的升高有所增加，但UOC隨溫度的升高急劇下降。填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。3.2.3輻照度隨輻照度的增加短路電流線性增加，最大功率不斷增加。將陽(yáng)光聚焦于太陽(yáng)電池，可使一個(gè)小小的太陽(yáng)電池產(chǎn)生出大量的電能。3.2.4摻雜濃度對(duì)Uoc有明顯影響的另一因素是半導(dǎo)體摻雜濃度。摻雜濃度越高，Uoc越高。但當(dāng)硅中雜質(zhì)濃度高于1018/cm3時(shí)稱為高摻雜，由于高摻雜而引起的禁帶收縮、雜質(zhì)不能全部電離和少子壽命下降等等現(xiàn)象統(tǒng)稱為高摻雜效應(yīng)，也應(yīng)予以避免。3.2.5光生載流子復(fù)合壽命對(duì)于太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體而言，隨著少子壽命的增加，即光生載流子的復(fù)合壽命增加，短路電流會(huì)越大，同時(shí)Voc及FF均相應(yīng)增加，少子壽命對(duì)壓抑能電池器件的重要性不言而喻。少子壽命主要由非平衡載流子的復(fù)合決定，想要使少子壽命較長(zhǎng)，在材料制備與電池的生產(chǎn)過程中，要盡量避免材料形成復(fù)合中心。還有在加工過程中，可以適當(dāng)進(jìn)行相關(guān)工藝處理，將復(fù)合中心移走，從而延長(zhǎng)少子壽命。3.2.6表面復(fù)合速率低的表面復(fù)合速率有助于提高Isc，前表面的復(fù)合速率測(cè)量起來(lái)很困難，經(jīng)常假設(shè)為無(wú)窮大。一種稱為背電場(chǎng)（BSF）的電池設(shè)計(jì)為，在沉積金屬接觸前，電池的背面先擴(kuò)散一層P+附加層。一種全背電極太陽(yáng)能電池的制作方法及全背電極太陽(yáng)能電池，方法的步驟如下：對(duì)襯底硅片進(jìn)行前置處理，在硅片背面形成N、P相間的區(qū)域，并在前后表面分別形成第一、第二鈍化膜層；然后在第二鈍化膜層上形成多個(gè)點(diǎn)接觸孔；在襯底硅片背面位于點(diǎn)接觸孔的部位印刷金屬漿料，經(jīng)過燒結(jié)處理后，形成第一金屬電極和第二金屬電極，第一金屬電極具有第一點(diǎn)接觸部分和第一金屬部分，第一點(diǎn)接觸部分與N型區(qū)形成歐姆接觸，第一金屬部分與N型區(qū)間留有第二鈍化膜層；第二金屬電極具有第二金屬部分和多個(gè)第二點(diǎn)接觸部分，第二點(diǎn)接觸部分與P型區(qū)形成歐姆接觸，第二金屬部分與P型區(qū)間留有第二鈍化膜層。通過該方法不僅能夠?qū)⒔饘匐姌O與背面鈍化膜層保持良好的接觸，而且能夠降低金屬電極與硅片的接觸面積，從而減少?gòu)?fù)合，提高轉(zhuǎn)換效率。3.2.7串聯(lián)電阻和金屬柵線理論上說(shuō)，電極條越寬，電流收集能力越強(qiáng)，串聯(lián)電阻越?。欢姌O條的寬度對(duì)遮光影響卻很大，電極條過寬，因采光受到影響光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)嚴(yán)重降低，如何將金屬電極材料在電池表面進(jìn)行優(yōu)化布置，從而既將遮光影響降低又盡量減小串聯(lián)電阻是一對(duì)矛盾[3].串聯(lián)電阻來(lái)源于引線、金屬接觸柵或電池體電阻，而金屬柵線不