1、第四章：硅太阳能电池的设计,&4.1基础太阳能电池设计&4.2光学设计&4.3复合效应的降低&4.4电阻损耗&4.5太阳能电池的结构,&4.1.1基础太阳能电池设计,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。,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
2、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，其在一个太阳照射下，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,&4.1.1基础太阳能电池设计,硅太阳能电池的最高效率为24.7%。理论值与实际测量值之间的差距主要来自两个方面因素。首先，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能量都被充分利用了，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。 第二个因素是假设入射光有高聚光比。并假
3、设温度和电阻效应对聚光太阳能电池的影响很小，而光强的增加能适当增加短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光强呈对数上升。再者，因为填充因子也随之VOC的提高而提高，所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额外上升的VOC和FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。 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.尽量减小黑暗前置电流。 4.提取不受电阻损耗的电流。,&4.2.1光学特性光的损耗,在电池表面铺上减反射膜表面制绒增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与pn结的距离
4、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）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,&4.2.1光学特性光的损耗,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子空穴对，因此它们都能被很好的吸收。,被顶端电极所阻挡,表面反射,被电池的背面反射,下面将介绍几种能减少光损失的方法：尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能导致串联电阻的增加）。这一点在串联电阻一节中有详细讨论,&4.2.2光学特性减反射膜,减反射膜的厚度经过
5、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 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进一步降低。即,尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为0.6m的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。,裸硅,覆盖玻璃的硅,覆盖了折射率为2.3的玻璃的硅,如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常宽。但是，对于多
6、数商业太阳能电池来说，这样的成本通常太高。,&4.2.2光学特性减反射膜,铺在太阳能电池上的减反射膜与在其他光学器件（如相机镜头）上的膜相似。它们包含了一层很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的光强为零。除了减反射膜，干涉效应还能在水面上的油膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。,破坏性干涉导致反射光为零,建设性干涉导致所有的光都被反射,使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。,&4.2.3光学特性表面制绒,在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到
7、减小反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小反射的效果。,完成表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成表面。我们在下图画出了一个这样的金字塔结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。这种制绒方式叫“随机型金字塔”制绒，通常在单晶硅电池制造上使用。,&4.2.3光学特性表面制绒,右图便是组成晶硅太阳能电池制绒表面的金字塔结构。,单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片。,另一种表面制绒方式叫“倒金字塔型”制绒。这种制绒方法是往硅表面下面刻蚀，而不是
8、从表面往上刻蚀。右图也展示了这种制绒表面的图片。刻蚀多晶硅表面时，上面讲到的两种方法都不能使用，因为只有在由晶体表面构成的表面才能完成有效的形态。而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有方向。但是多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯或激光把表面切割成相应的形状。,多晶硅制绒表面的电子显微镜照片,&4.2.4光学特性电池厚度,像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途径之一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数。下面的动画将展示，硅太阳能电池对光的吸收是如何随着电池厚度变化的。,对于厚度超过10mm的硅电池来说，入射光能量大于禁带宽度的部分基本全部被吸收
9、。总电流的100%指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。当硅材料厚度为10微米时，只有30%的可吸收光被吸收。损失的光子用橙色和红色表示。,&4.2.5光学特性光陷阱,最佳的电池厚度并不单单由吸收所有的光这一需要决定的。例如，如果光在与pn结距离小于扩散长度的区域被吸收，但产生的载流子却被复合了。此外，就像复合引起的电压损失一节所讲那样，如果电池的厚度变薄但是吸收的光线不变，开路电压将比厚电池的大。经过结构优化的太阳电池通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长度，所谓电池光路径长度是指没被吸收的光在射出电池前在电池内所走的距离。通常称它为器件厚度。举例说，一个没有光陷阱结构的电池，它的光路径长度可
10、能只相当于电池实际厚度，而经过光陷阱结构优化的电池的路径长度能达到厚度的50倍，这意味着光线能在电池内来回反弹许多遍。 通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子在电池内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。一个经过制绒的表面不仅能像前面所讲的那样减少反射，还能使光斜着入射电池，因此光的路径长度比厚度大。光入射到半导体的折射角度可以通过折射定律求得： n1sin1=n2sin 2 其中，12分别是入射角和折射角，而n1为光入射介质的折射率，n2光射出介质的折射率。,&4.2.5光学特性光陷阱,对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射的角度（即折射角）：,对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，
11、由于晶体表面的存在而使得角度1等于36，如下图所示,光在经制绒的太阳能电池上的反射和入射。,如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将有可能发生全反射。此时的入射角为临界角，在上面的方程中，设2为0，得：,利用全内反射，可以把光困在电池内面，是穿入电池的光成倍增加，因此厚度很薄的电池也能拥有很长的光路径长度。,&4.2.6光学特性朗伯背反射层,朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向随机化。电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的吸收和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的随机化使得许多反射光都被全反射回去。有些被反射回电池顶端表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次
12、被全反射回电池内。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因为光的路径长度能达到4n2，n为半导体的折射率。使光的路径长度长达电池厚度的50倍，因此这是一个十分有效的围困光线的技术。朗伯背反射层在下图有描述：,顶角小于临界角的光逃出电池。,光被全反射并围困在电池内。,入射光,在电池背面的随机反射,&4.3.1减少复合效应复合损耗,复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注入电流（即开路电压）的损失。人们通常依据发生在电池内的区域不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（表面复合）和电池体内（体复合）的复合是主要的复合形式。而耗尽区则是另外一个会发生复合的区域。,&4.3.2减少复合
13、效应复合引起的电流损失,为了让pn结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和体复合都要尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样的效果，所需条件为：载流子必须在与pn结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩散到pn结并被收集。对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶界），光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距离。相反，在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载流子可以与低复合区域距离更近些，因为它依然能扩散到pn结并被收集，而不会复合。 电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能量不同的光子将有不同的收集概率。蓝光的吸收率很高，并且在距离前表面非常近处被吸收，所以如果前表面是
14、个高复合区域的话，那么蓝光产生的载流子就不怎么可能被pn结收集。类似的，如果电池的被表面的复合效应很强，将主要影响由红外光产生的载流子（红外光在电池深处产生载流子）。太阳能电池的量子效率量化了复合效应对光生电流的影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。,&4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失,理想和现实太阳能电池的典型量子效率，描述了复合损失和光损失的影响，,前表面的反射和复合。,体内和背面的复合加上没被吸收的光。,三种不同类型的晶体硅太阳能电池的量子效率曲线。埋栅和丝网印刷曲线表示的是电池的内部量子效率，而PERL曲线则表示电池的外部量子效率。PERL电池对红外光的响应最好，因为被良好地钝
15、化，有高效率的背表面反射。,丝网印刷埋栅PERL,&4.3.3减少复合效应复合引起的电压损失,开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时的光电压。前置扩散电流的大小取决于pn结处复合效应的大小，即扩散电流随着复合的提高而上升。结果是，高复合提高了前置扩散电流反过来却降低了开路电压。能表示在前置电压下的复合大小的材料参数是“二极管饱和电流”。而复合的大小由pn结边缘的少数载流子的数量控制，即它们离开pn结的速度有多快，复合的速度就有多快。所以，黑暗前置电流以及开路电压将受到下面几个因素影响：Pn结边缘的少数载流子数量。从pn结另一边注入的少数载流子数量，等于在平衡状态下的少数载流子数量乘以一
16、个由电池电压和温度决定的指数因子。因此，尽量减少平衡少数载流子浓度将减少复合。而减少平衡少数载流子浓度可以通过增加掺杂来实现。材料的扩散长度。短的扩散长度意味着，少数载流子过复合在pn结边缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，提高前置电流。因此，必须有长的扩散电流才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度怎取决于电池材料的类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电压)与高电压之间的平衡。,&4.3.3减少复合效应复合引起的电压损失,与pn结距离小于扩散长度的区域存在局部复合区。靠近pn结的高复合区（通常为表面或晶界）使得载流子迅速的
17、移向它，接着被复合，因此大幅度提高复合电流。通过表面钝化能够降低表面复合的影响。 下图将显示对两种参数的权衡。,在假设表面钝化的前提下，掺杂对扩散长度和开路电压的影响。,扩散长度,开路电压,&4.3.4减少复合效应表面复合,表面复合强烈影响短路电流的同时，也强烈影响着开路电压。 电池前表面的高复合率对短路电流产生非常不利的影响，因为前表面是电池中一片载流子生成率非常高的区域。要降低此区域的高复合率，可以通过在表面镀上钝化层（通常为二氧化硅）的方式来减小硅表面的悬挂键。,二氧化硅使表面钝化并减少表面复合,在电极下面重掺杂，让载流子远离高复合率的电极,对电池背部进行重掺杂，让少数载流子（在这里为电
18、子）远离高复合率的背电极,降低表面复合影响的技术,因为硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，所以有金属电极的区域便不能被二氧化硅钝化。取而代之的，是在表面电极下面重掺杂，以减小表面复合的影响。尽管这样的重掺杂通常会严重减小扩散长度，但是由于电极区域并不参与载流子的生成，因此它对载流子的收集的影响并不大。此外，当高复合率的电池表面非常,&4.3.4减少复合效应表面复合,接近于pn结时，要使复合的影响达到最小，就必须尽可能的增加掺杂的浓度。类似的方法也使用在减少背表面复合率对电压和电流的影响上，如果背表面与pn结的距离小于扩散长度。“背电场”由电池背面的高掺杂区域组成。在高掺杂和低掺杂区的交界处形成了
19、类似pn结的场，相当于引入一个阻止少数载流子到背面的屏障。而低掺杂区域的少数载流子浓度也因此保持在了一个高水平，此背电场也取得了钝化背面的效果。,&4.4.1顶端电极的设计串联电阻,除了使吸收最大化和复合最小化之外，设计一个高效率太阳能电池的最后一个条件，便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。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
20、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。,母栅,子栅,网格线,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,&4.4.1顶端电极的设计串联电阻,“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。,子栅,母栅,&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
21、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，却可以通过电池的n型层表面很轻易地测量出来。对于掺杂均匀的薄层来说，表层电阻率被定义为： =/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/平方或/,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。,对于掺杂不均匀的n型层来说，的分布也是不均匀的，则：,&4.4.3顶端电极的
22、设计表层电阻率,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。,&4.4.4顶端电极的设计发射区电阻,基于前面的表层电阻率，作为顶端电极栅的间距的函数且由发射区电阻造成的功率损失便可计算出来。然而，在发射区的电流流动的距离并不都是相等的。如果电流刚好从电池内部流到电极附近，则因此路程很短。但是如果电流流到两个栅条之间的话
23、，则电阻路径刚好等于两个栅条距离的一半。,载流子从电池的产生点流到外部电极的理想效果图。需要注意的是，实际中的发射区要比图中的薄很多。,在y方向逐渐递增的功率损失为：dPloss=l2dR 其中dR=dy/A 式中y是两个栅条之间的距离。如下图所示：,右图为计算由电池表层的横向电阻造成的功率损失时用到的数据。,&4.4.4顶端电极的设计发射区电阻,表层横向电流的大小决定于y和I（y），在两栅条之间的中间点的大小为零，并沿着中间点到栅条的线逐渐增加。计算电流的方程为： I（y）=Jby J为电流强度，b为栅条的长度，而y是两栅条的间隔距离。 终上所述，在1/2单元电池中，顶层阻抗引起的功率损耗为
24、：,式中S同样为两栅间距。在最大功率输出点，这个区域内的功率为VmpJmpbs/2，则相对功率损耗为：,&4.4.5顶端电极的设计接触电阻,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。因此，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。,顶
25、端金属电极,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,&4.4.6顶端电极的设计金属网格的设计,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。,横纵比=高/宽,小的高宽横纵比,栅条的间距,大的高宽横纵比,发射区,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
26、区电阻。,&4.4.6顶端电极的设计金属网格的设计,网格电阻 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。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。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：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。宽度逐渐变小的栅条要比等宽的栅条所造成的损耗小。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
27、小。,&4.4.6顶端电极的设计金属网格的设计,顶端电极设计的示意图，展示了母栅和子栅的形状结构分布。,子栅,母栅,&4.5.1太阳能电池的结构硅太阳能电池的参数,对于硅太阳能电池来说，经过基本设计，在表面反射、载流子收集、载流子复合和寄生电阻这几方面进行优化后，转换效率能达到大约25%的理论值。下图将展示进过这样优化的太阳能电池。,制绒和镀减反射膜,表面掺杂,母栅,背电极,子栅,基础太阳能设计方法衬底材料（通常为硅）硅太阳能电池能在现代光伏市场占据统治地位，一部分是得益于硅材料在集成电,&4.5.1太阳能电池的结构硅太阳能电池的参数,路产业的杰出表现。而就像在二极管的制造材料中一样，硅材料的
28、参数并不是最好的。特别是，硅的禁带宽度对于最优的太阳能电池来说，还是稍微有点过低了，因为硅是直接带隙半导体，其吸收系数比较低。虽然低吸收系数的问题可以通过光陷阱来解决，但是很难把硅的表层制造的很薄。尽管如此，硅的资源却十分丰富，它在半导体制造行业的优势使得其它材料难以匹敌。 电池厚度（100-500m） 经过优化的伴有光陷阱和表面钝化的硅太阳能电池，厚度大概在100m。然而，200-500m的厚 度也是很常使用到的，部分原因是考虑到实际情况，如表面制造薄层或表面钝化。 基区的掺杂（1/m） 对基区进行高掺杂能获得高电压和低电阻,然而高掺杂也会导致晶体结构的破坏. 控制反射(前表面通常使用制绒技
29、术) 对表面进行制绒能提高电池捕捉光线的能力. 发射区掺杂(n型区) n型硅比p型硅的质量要好一些,所以被置于电池的表面,在这里吸收大多数的入射光.因此,电池的表面为负极,背面为正极.,&4.5.1太阳能电池的结构硅太阳能电池的参数,发射区的厚度(1m) 入射光中的绝大部分是在靠近电池表面处被吸收的.通过大幅度的降低表层的厚度,能让大部分的光生载流子被pn结收集. 发射区的掺杂水平(100/) 对发射区掺杂一定水平,使得光生电流不受电阻的阻碍.然而,过度的掺杂也会降低材料的质量,以致载流子在到达pn结之前就被复合了. 网格的排布(栅条宽在20-200m,间隔1-5mm) 硅的电阻率太高以至于不
30、能导通走所有的光生电流,所以在电池表面放置了电阻率更低的金属网格,以运走所有的电流.网格覆盖在表面会挡住一部分入射光,所以必须在收集光线和降低电阻值之间做个折中. 背电极 背电极比起顶端电极的重要性要低很多,因为它与pn结距离要远许多,不需要透明.但是,背电极在设计中的正变得越来越重要,因为总的效率正在提高,电池也变得越来越薄.,&4.5.2太阳能电池的结构设计的权衡:效率与成本,在实验室条件下，依靠当今最先进的技术，有可能把单晶硅太阳能电池的效率提高到25%。然而商业大规模制造的效率通常只为13%-14%。造成两者差别这么大的最主要原因为实验室使用的研究技术并不适用于现代商业制造中，因此低成本导致低效率。太阳能电池的研究不断提高着电池的效率，并朝着25%-30%的目标奋进。据估计，商业制造的电池也有可能达到20%。对于给定成本的电池板来说，效率更高代表成本效益更好，因为生产同等电力所需额外的成本减少了（比如运输成本、电路系统成本等）。最终，也意味着效率更高的太阳能电池对住宅用和工业用电流系统都更具吸引力。下图将显示电池效率对发电成本的影响。,电池板成本,平均发电成本,对于效率更高的电池来说，单位面积的成本可能高的更多，如果发电成本给定的话。例如，要获得10%的效率所花的成本可能为$10/m2，而要获得20%的效率，成本却能达到$75/m2.,
