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1、第四讲 太阳能电池的设计,主要内容：,4.1电池的输出参数4.2电池设计原则4.3电池表面光学设计4.4电池的电阻设计4.5金属网格的设计,4.1电池的输出参数,描述太阳电池的性能主要参数是：开路电压Voc、短路电流Isc、填充因子F F、光电转换效率和最大输出功率Pm。(1)开路电压 受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于pn结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号Voc表示。,图4.1.1太阳能电池有光照时输出特性,上图特性方程表达式：I=I0（e qv/(kT)-1）-Il,令I=0时，测得理想的开路电压:,式中：I0为饱和电流 K为波尔兹曼常
2、数 T为热力学温度,VOC由于与I0无关，因而取决于半导体的性质，取任一工作点的输出功率等于图4.1所示的矩形面积。存在某个特定的工作点(Vmp,Imp)会使输出功率达到最大值。,(2)短路电流 把太阳电池从外部短路，测得的最大电流，称为短路电流，用符号Isc表示。实际器件中，由于存在着体内复合和表面复合，所得的光生电流小于理想值。此外，短路电流还与材料性能、器件制备工艺密切相关。在理想情况下，短路电流Isc等于光生电流IL,(3)填充因子（Fill factor）太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比 FF是衡量太阳电池输出特性的重要指标，太阳电
3、池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化，将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线就得到太阳电池的伏安特性.,FF是输出特性曲线“方形”程度的量度，对就有适当效率的电池来说，其值在0.70.85范围内，理想情况下，它只是开路电压Voc的函数，如下图所示FF的理想（最大值）与归一化开路电压Uoc的关系。Uoc的定义为Voc/(kT/q)。,图4.1.2填充因子的理想值与通过热电压KT/q归一化的开路电压的关系,当Uoc10时，描述这个关系的经验公式：FF是代表太阳电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳电池的输出功率越大,FF的值始终小于1。影响FF的因素很多，串联电阻，
4、并联电阻对FF有直接影响。,一般的规律是：串阻越大，FF越小；并阻越小，FF越小。光照对填充因子也有影响。在其他因数基本相同的情况下，在一定范围内随着光强（E）的减小，填充因子相应增加。,(4)转换效率（）太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的输出功率与入射到太阳电池表面的能量之比，结合FF经验公式可得：,实际太阳电池的转换效率是光电转化过程中各分程的总和。常规硅太阳电池光电转化各分过程的效率损失如下：1.各种光损失，因为反射和投射，上电极的遮光，照射到电池表面的太阳光不能全部进入电池。2.热转化损失，当一个能量大于Eg的光子只能产生一对电子空穴对
5、，多余的能量以热能的形式传给了晶格的内能。,3.收集损失，所产生的电子空穴对由于没有全部扩散到结区而不能全部被收集。4.最大工作电压小于开路电压。5.串联电阻和旁路电阻的影响。在太阳电池的制造过程中，优化工艺减少各转化分过程的损失可以提高其转换效率。,(5)最大输出功率（Pm）把太阳电池接上负载，负载中便有电流流过，该电流称为太阳电池的工作电流，也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Vm和Im表示，Pm=ImVm。,我
6、们给出理想电路和实际电路，我们知道,在太阳电池中,Rs 是串联电阻，其值为四部分之和,即基片的体电阻(Rb)、扩散薄层电阻(Rt)、金属半导体的接触电阻(Rms)和金属电极本身的电阻(Rm)。,由漏电流引起的电阻叫并联电阻，所以其值影响因素较多，沿着位错和晶界的不规则扩散或电极金属化处理后，沿着微观裂缝，晶界和晶体缺陷等形成的细小桥路而产生的。所以以上参数假设为理想串联电阻很大，并联电阻很小情况下而得到的。,4.2电池设计原则,太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数以使转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件,这些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如，如果用于商业，即以生产最具价格优势的
7、电池为目标，则需要着重考虑制造电池的成本问题。然而，如果只是用于以获得高转换效率为目标的实验研究，则主要考虑的便是最高效率而不是成本。,图4.2 硅太阳能电池效率的演变,理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上。然而，这一数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实际上很难或根本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和对器件物理的理解上很难达到。,对于硅太阳能电池来说，在太阳照射下，比较实际的理论最高效率值大约为26%-28%。现今实验室测得的硅太阳能电池的最高效率为24.7%(澳大利亚新南威尔士大学)。,理论值与实际测量值之间的差距主要来自:在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能
8、量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽度与其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人们想出一种由无限多层材料禁带宽度不同的电池叠加在一起的模型，每一层都只吸收能量与其禁带宽度相等的光子。,为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，因注意几项原则：（1）提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。（2）提高pn结收集光生载流子的能力。（3）提取不受电阻损耗的电流。,4.3电池表面光学设计,4.3.1光损耗 光的损耗主要以降低短路电流的方式影响太阳能电池的功率。被损耗的光包括本来有能力在电池中产生电子空穴对，但是被电池表面反射走的光线。对于大多数太阳能电池来说，所有的可见光都能产生电
9、子空穴对，因此它们都应该被很好的吸收。,通过对电池表面合理设计可以降低电池片对光的反射率，从而提高电池片对光的吸收，改善电池性能。,图4.3.1 电池片对光的反射,4.2.2减少光损耗途径1.在电池表面铺上减反射膜（SiNx）减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1薄膜材料，入射光波长为0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1：d1=0/4n1,2.表面制绒,图4.3.2单晶硅片表面的金字塔状绒面,利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌，就称为表面织构化，角锥体四面全是由111
10、面包围形成。反应式为：Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2,3.增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与pn结的距离大于扩散长度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短路电流没有贡献）4.通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度,5.合理设置电池顶端电极覆盖的面积（对于对光的吸收要求顶端电极覆盖面积越小越好，但随着面积减小的同时，其串联电阻增加，所以综合两者之间矛盾，选择最佳的电极覆盖面积）,4.4.1顶端电极的设计串联电阻 除了使吸收最大化之外，设计一个高效率太阳能电池的另外一个条件，是使寄生电阻造成的损耗降到最低。并联电阻和串联电阻都会降低电池的填充因子和效率。,4.4
11、电池的电阻设计,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。然而，由顶端电极电阻和发射区电阻组成的串联电阻就跟并联电阻有所不同，必须小心设计电池结构的类型和尺度以优化电池的效率。,电池的串联电阻有几个部分组成，如下图所示。在这些成分中，发射区和顶端电极（包括子栅电阻和母栅电阻）对串联电阻的贡献最大，因此也是最必须优化的区域。,4.4.1 电池上电极结构,金属顶端电极是用来收集电池产生的电流的。“母栅”直接与外部电路连接，而“子栅”负责从电池内部收集电流并传送到母栅。在顶端电极的设计中，关键的是要取得一个平衡，即窄的电极网线所造成的高电阻与宽电极网线造成的遮光面积增加的平衡。,图4.4
12、.2 电池正面图形,4.4.2顶端电极的设计体电阻 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。电池体内的电阻和电流被假设为一个常数。电池的体电阻被定义为：Rb=bw/A 考虑到电池的厚度。式中 b为电池的体电阻率（电导率的倒数）（硅电池通常为0.5-5.0cm）A为电池面积 w为电池主体区域的宽度,4.4.3顶端电极的设计表层电阻率,对于发射（区）层，其电阻率和厚度都是不知道的，使得人们很难通过电阻率和厚度来计算表层的电阻大小。然而，“表层电阻率”，一个取决于电阻率和厚度的参数，可以通过电池的n型层表面很轻易地测量出来。对于掺杂均匀的薄层来说，表层
13、电阻率被定义为：n=/t 其中，为n型层的电阻率，t为表层的厚度。表层电阻率的通常表示为欧姆/平方,只要仍然保持正方形，则无论尺寸多大，方形导电片的电阻都是一样大的。,注明：对于掺杂不均匀的n型层来说，的分布也是不均匀的，则：,发射区的表层电阻率可以使用“四点探针法”非常容易的测出来。电流流到探针，并在中间两个探针之间产生压降。N型区与p型区之间的pn结扮演着绝缘层的角色，使得测量表层电阻时不受影响，此外，测量时电池必须处在黑暗环境中。,利用实验测得的电压和电流，可算得：,式中/ln2=4.53 一般硅太阳能电池的表层电阻率在30-100/之间。,图4.4.3 四探针测试电阻,4.4.4顶端电
14、极的设计接触电阻,接触电阻损耗发生在硅电池与金属电极的交界处。要降低接触电阻的损耗，就必须对n型层的顶层进行重掺杂。然而，重掺杂水平也会引起不良后果。即如果高浓度的磷被扩散到硅中，当温度下降时，多余的磷会被析出电池表层，形成一层“死层”，在这层中光生载流子的收集几率非常低。许多商用电池因为死层的出现而导致对蓝光的响应很差。,解决的办法是，对金属电极的下面部分进行重掺杂，而表层的其余部分则需控制在一个平衡值，也就是在获得低发射区饱和电流和高发射区扩散长度之间达到平衡。(选择性发射电池),金属与硅界面的高接触电阻,对界面重掺杂以减小接触电阻,N型发射区,顶端金属电极,图4.4.4 电池上电极电阻分
15、布,4.5金属网格的设计,4.5.1金属网格的设计考虑因素 顶端电极的优化设计不只有子栅和母栅电阻的最小化，还包括与顶端电阻有关的总的损耗的最小化，即包括发射区的电阻损耗、金属电极的电阻损耗和阴影损耗。一些设计的因素决定了损耗规模的大小，它们包括子栅和母栅的间距、金属的宽高横纵比、金属栅条的最小宽度以及金属的电阻率。如下图所示。,图4.5.1电池正面图形,图4.5.2电池剖面图,横纵比=高/宽,大的高宽横纵比,栅条的间距,小的高宽横纵比,a.栅间距对发射区电阻的影响 正如我们在发射区电阻一节所讲的那样，来自发射区的能量损耗大小取决于金属网格的间距，因此，短的栅间距有利于降低发射区电阻。b.网格
16、电阻 网格电阻的大小取决于金属的电阻率、网格的排列布局和金属栅条的横纵比。低的电阻率和高的横纵比对电池比较有利，但也会受到制造技术的限制。c.阴影损失 阴影损失是覆盖在电池表面的金属栅条阻挡光线射入电池引起的损失。,4.5.2金属网格设计原则,虽然顶端电极的设计方案众多，但基于现实原因，大多数的电池表面金属网格设计都是相对简单和十分匀称的。匀称的网格把电池分成均等的几部分。设计时有几个重要的原则要注意：a.最优的母栅宽度WB，此时母栅的电阻损耗大小等于它的阴影损耗。b.宽度逐渐变小的栅条要比等宽的栅条所造成的损耗小。c.电池的面积越小、栅条的宽度越小以及栅条间隔越小，则损耗越小。,总结 电池上电极的设计中决定功率损失的关键参数是电极的布局，电极金属的薄层电阻和经扩散形成的电池顶层的薄层电阻，以及确定电极几何形状的工艺所允许的最小线宽。四分之一波长的减发射膜能使太阳能电池的输出电流增加35%-45%，有助于电池性能的提升。,
