晶硅太阳电池效率提升方向及影响各电性能参数的因素

提高丝网印刷太阳电池效率的路径RoadmaptoEnhancetheEfficiencyofaScreenPrintedSolarCell生产程序概况如下:1．初始表面处理与绒面成型(Etching，CleaningandTexturingSurfaces)↓2．磷扩散制p/n结与参数测试(PhosphorusDiffusionandTest)↓3．等离子周边刻蚀与表面腐蚀清洗(PlasmaEtchingandPSGChemicalEtching)↓4．减反射膜淀积，钝化与正面电场(Si3N4Anti-reflection-ARCoating)↓5．丝网印刷电极和烧结背场（ScreenPrinting,SinteringandBackSurfaceField）↓6．电池性能测试和分类(MeasurementandSorting)从1970年代至2003年左右，规模化生产太阳能电池的效率最高14％。低成本、高效率，相互联系，高效率是关键，现在生产18％。光－电能量转换效率η为：PPIVPIVFFPinmpmpinscocinmax在太阳能电池I-V特性曲线上作出Rs和Rsh(ΔV/ΔI=Rs，ΔV/ΔI=Rsh）的图示。作出最大功率点Pm及表示FF的方框图，写出用I,V表示FF和Pm的公式。ocscmmVIVIFF；Pm=ImVm=IscVocFFΔVΔIΔIΔVRsh=ΔV/ΔIRs=ΔV/ΔIVIscImVmVocPmI图p-n结的品质与FF、Rs和Rsh的关系1．与能量转换效率η相关的参数(TheComponentsofEfficiency)（1）开路电压Voc(OpencircuitvoltageVoc))1ln(oLocIIqnkTV式中,Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子.（2）短路电流密度Jsc(ShortcircuitcurrentdensityJsc)短路电流Isc：理想状态下，应等于光生电流IL，即Isc＝IL。(shortcircuitcurrent,Isc,whichideallyisequaltothelightgeneratedcurrentIL)（3）填充因子FF(FillfactorFF)填充因子FF：scocmpmpIVIVFF。实际上是在有光照的I－V曲线内最大矩形面积的测量。(FillfactordefinedasthemeasureofsquarenessoftheilluminatedI-VcurveorscocmpmpIVIVFF)结果，能量转换效率PPIVPIVFFPinmpmpinscocinmax。(TheenergyconversionefficiencyEff.PPIVPIVFFPinmpmpinscocinmax)2．有那些参数影响开路电压Voc的呢？(WhatparametersaffectVoc)材料－光伏有源材料：电阻率ρ，少子寿命τ，其它杂质等(Material－activematerial,ρτ…)。表面发射极掺杂层(Emitter)；背面电场（BSF）(Backsurfacefield)；漏电流－反向饱和电流Io(Leakagecurrents–reversesaturationcurrent)；理想因子n(Idealityfactorn)；并联电阻Rsh(Shuntresistance)；钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化(Passivation–surfaceandinner)。3．有那些参数影响短路电流Isc的呢？(Whatparametersaffecttheshortcircuitcurrents)绒面结构(SurfaceTexture);正面减反射膜(ARcoating)；表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度(Emitter–highorlowsurfacephosphorusconcentration)；减少遮光损失(Reduceshadingloss)；串连电阻Rs(Seriesresistance);背面反射(Backsurfacereflectance)；钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化(Passivation–surfaceandinner)。4．有那些参数影响填充因子FF的呢？(WhatparametersaffecttheFF)表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度(Emitter–highorlowsurfacephosphorusconcentration)；去除周边pn结和去磷硅玻璃(Removeedgejunctionandphosphorussiliconglass)；串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)(Seriesresistance(contact,fingeretc));正面减反射膜(ARcoating)；金属电极接触的烧结(Firing)；并联电阻Rsh(Shuntresistance)。5．有那些参数影响填充因子FF的呢？(WhatparametersaffecttheFF)等效电路(EquivalentCircuit)（在光照下的太阳电池）(IlluminatedSolarCell)电池结构（损失的成分）CellStructure(LossComponents)6．为了提高丝网印刷（SP）填充因子FF，必须解决下列问题：(ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined):（1）金属电极接触的烧结对总串连电阻Rs（特别是对rc）的影响；(effectofcontactfiringontheoverallRseries(especiallyonrc))（2）金属电极接触的烧结对pn结质量（并联电阻Rsh和J02）的影响；(impactofcontactfiringonjunctionquality(RshuntandJo2))n+-Sip-SibackcontactGridlineBusbarContactSheetBulkContactShunting/Leakage.1exp1exp202101shsssLRJRVkTnJRVqJkTnJRVqJJJWhatparametersaffecttheFFEquivalentCircuit(IlluminatedSolarCell).1exp1exp202101shsssLRJRVkTnJRVqJkTnJRVqJJJn+-Sip-SibackcontactGridlineBusbarContactSheetBulkContactShunting/LeakageVJo1Jo2RshuntRseriesJscJ.1exp1exp202101shsssLRJRVkTnJRVqJkTnJRVqJJJCellStructure(LossComponents)ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined:effectofcontactfiringontheoverallRseries(especiallyonrc)impactofcontactfiringonjunctionquality(RshuntandJo2)*减少遮光损失，提升了短路电流Jsc，从而提高了能量转换效率η*Reduceshadingloss,improveJscandincreaseηFinalfingerwidth最后的金属指条宽度(μm)Shading遮光所占的面积(%)Jsc短路电流Jsc(mA/cm2)Efficiency能量转换效率η(%)EfficiencySolarfunStd能量转换效率η（林洋的标准）(%)1506.334.416.717.31205.034.816.917.51004.235.317.217.8附录1：太阳能电池能量转换效率η太阳能电池能量转换效率η,是最大输出电功率与相应的输入光功率之比,公式表示为:PPIVPIVFFPinmpmpinscocinmax式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率.对于陆地上的应用,标准测试条件是:一个太阳,AM1.5G,1000W/m2(或100mW/cm2),25oC.因此,太阳电池的三个参数Voc,Isc和FF就能确定太阳电池的效率.为了获得高的效率,这三个参数应该尽可能高.(a)为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的正向暗电流Io,高的并联电阻Rsh.(b)为了获得高的光电流(短路电流Isc),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1.(c)为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的正向暗电流Io,理想因子”n”接近于1,串联电阻必须低(1),并联电阻Rsh必须大(102·cm2).附录2：太阳能电池的能量转换效率与有源材料的带隙宽度Eg和反向饱和电流Io的直接关系有电流I通过外电路负载并跨过负载的电压为V时,光电流IL和Isc=IL,那么,)1()1(0nkTqVscnkTqVoLeIIeIII这时,电池的功率输出P为:PIVIIeVscoqVnkT[()]1式中,Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子.令dPdV=0,即太阳电池最大的功率输出Pmax为:()11qVnkTeIImpqVnkTscomp式中,Vmp是相应于最大功率输出点的电压.由这个方程可以得到Isc,并代入前面一式,相应于最大功率输出点的电流Imp可得到为:IqVnkTIempmpoqVnkTmp式中,eqVnkTmp可以从前面一式得到,代入再上一式,再从上面的效率公式,则:qVnkTIqVnkTPIImpompinsco211()()而Io与材料带隙Eg相关,由经验公式给出:ICeoEnkTg式中,Cis是个常数.把它代入上面公式,可以看出效率,直接与反向饱和电流Io相关,也就是直接与材料带隙Eg相关.我们可以得出下面几点结论:(i)材料带隙Eg越宽,吸收的光子数越少,导致电池的光电流IL越低,短路电流Isc越低,则效率越低;但是,带隙Eg越宽,导致电池的反向饱和电流Io越小,因而开路电压Voc越大,则效率越高;(ii)材料带隙Eg越窄,电池的反向饱和电流Io越大,因而开路电压Voc越小,则效率越低;吸收了高能光子激发电子-空穴对后,能量的一部份转化为晶格振动的热能,浪费了光的能量;但是,材料带隙Eg越窄,可被吸收的光子数越多,因而光电流IL越大,短路电流Isc越大,则效率越高;(iii)最高的效率是处在材料带隙Eg1.4eV.能量转换效率与材料带隙Eg的关系已经有图像曲线表证.附录3：太阳能电池的反向饱和电流Io可表示为：IAqDnLNFqDnLNFoeieAphihDn(**)22式中，A为太阳能电池的横断面积；在括号内，第一项是对p形材料的，第二项是对n形材料的；q是电子电荷量，ni是本征浓度，在任何确定的半导体材料，平衡态下ni2=np，n是负电荷载流子浓度，p是正电荷载流子浓度；在p形材料中，pNA和nni2NA«p,式中NA是受主杂质浓度；而在n形材料中，nND和pni2ND«n,式中ND是施主杂质浓度；离化了的受主NA带有净负电荷，NANA，和离化了的施主ND带有净正电荷，NDND.Fp是p形材料一边的背面复合因子和Fn是n形材料一边的正面复合因子。从这个公式可知，要降低太阳能电池的饱和电流Io(也就是提高开路电压Voc),就需要提高掺杂的杂