光电器件基础 第五章 太阳能电池.pdf

1、 83光电器件基础 第五章 太阳能电池 5.1 太阳光辐射 5.2 太阳电池的特性 5.3 太阳电池的设计 5.4 硅太阳电池 5.5 化合物太阳电池 5.6 薄膜太阳电池 5.7 太阳电池阵 随着世界能源需求的不断增加和宇宙开发的需要，以及日益加剧的温室效应对人类生存环境的威胁，利用可再生能源的呼声越来越高。太阳能 直接转换为电能的技术是当前发展最快与最成熟的物理电源技术，而太阳电池及其系统在空间和地面都已经广泛得到应用。太阳电池是利用半导体光伏效应直接把太阳能转换成电能 的器件。利用太阳电池，人类可以展翅高飞，飞离生存的地球，飞向那神奇的天空；宇航员可以在飞船上探索宇宙的奥秘，也可以实现登

2、陆月球和星际飞行。已有几千颗卫星利用太阳电池的供电系统，遨游于太空，这些卫星有通讯卫星、科学实验卫星、空间站、侦查卫星 、气象卫星等等。利用太阳电池供电系统，可以与给边远地区供电照明，使边远地区的人 们能够看到电视，听到广播。利用太阳电池组建卫星电站，可以为人类未来的能源展示出美好的前景。 从 1839 年发现光生伏特效应，到 1954 年第一个硅太阳电池问世，太阳电池以其独特的优点和强大的生命力，随着科学技术的进步得以飞速发 展。目前太阳电池的种类很多，应用领域很广，已经形成了专门的光伏科学和光伏工程。 太阳电池的应用已经比较广泛，小的毫瓦量级，大的有几兆瓦的供电系统。它可以比一个 硬币还小

3、，也可以比一个足球场还大，可以为一个手表提供电力，也可以为一个小城镇供 电，而它所需要的能源仅仅是太阳光。其空间应用主要在各种卫星、飞船和空间站上。在 地面上的应用有家庭照明和家用电源，无线通信系统电源，电池充电器，光伏水泵系统电 源，海洋航行辅助电源，医用和冷藏用设备电源，乡村蓄电池充电站，甚至光伏动力运输 ，太阳能汽车等等。光伏系统的诸多优点，结合它简洁的工作方式，使之成为适用于许多 独立特殊应用的能源，前景尤为吸引人。 随着太阳电池研制和应用的发展，太阳电池已发展形成很多不同的种类，按电池应用、结构、材料晶型等可以分为很多种类型，归纳如下： 按应用分类：可分为空间电池和地面电池两大类。空

4、间电池要求高效率、轻质量、高可靠、耐辐射，材料、工艺、质量控制严格；地面电池 侧重于低成本、高效率、适合市场需求、具有竞争力。 按材料分类：可分为硅太阳电池和化合物太阳电池（包括 III-V 族、 II-VI 族、多元化合物 GaAlAs/GaAs、 InP、 GdS/Cu2S、 CuInSe2等）及染料敏化太阳电池等。 按 PN 结结构分类：按 PN 结结构分，有同质结、异质结、平面结、垂直结和背场电池；按 PN 结数量分，有单结电池、双结电池、三结电池、多结电池等。 按材料晶型分：可分为单晶太阳电池、多晶太阳电池、非晶太阳电池和微晶太阳电池。 太阳电池的种类多样，应用广泛，前景诱人，在设计

5、和建造光伏系统时，最重要的参数是它的成本和光电转换效率。空间电池最注重光电转换 效率，民用电池在注重效率的同时，最注重成本。 845.1 太阳光辐射 5.1.1 太阳辐射光谱 太阳是一个通过其中心核聚变反应产生热量的气体球，内部温度为 2107K。如图 5.1所示，内部强烈的辐射被靠近太阳表面的一层氢离子所吸 收。能量以对流的形式穿过这层光阻，然后在太阳的外表面的光球层重新向外辐射，这个辐射强度接近于温度为 6000K 的黑体辐射，如图 5.2 示出了温度为 6000K 的黑体辐射和太阳辐射的光谱分布。 虽然太阳表面的辐射水平几乎恒定，但是当太 阳辐射到达地球表面时，太阳光受地球大气层的吸收和

6、散射作用的强烈影响，因而成为变量。 当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳光在大气中 经过的光程最短时，到达地球表面的太阳辐射最强，目前公认的太阳光垂直界面上的标准值为 1367W/m2。如图 5.3 所示，太阳辐射穿过大气层到达地球表面的光程可以用 1/cosz近似，其中 z是太阳光与本地垂线之间的夹角， 这个光程一般定义为太阳辐射到达地球表面必须经过的大气光学质量 AM（ air mass） ： zAM cos/1= (5.1) 太阳光在地球的大气层外，在地球绕太阳的平 均距离上，太阳光的强度变化非常小，可以将其视为定值，此时所对应的光谱分布用大气光学质量 AM0 表示，如图 5.2 中标出。当

7、z= 0 ，大气光学质量等于 1 或称 AM1；当 z= 60 时，则大气光学质量是 2 或 AM2；AM1.5（相当于太阳光与垂直方向成 48.2 角）为光伏业界的标准。 任何地点的大气光学质量可以由下式来估算： ()2/1 hsAM += (5.2) 其中 s 是高度为 h 的竖直杆的投影长度，如图 5.4 所示。 图 5.1 太阳内部的不同区域 图 5.2 温度 6000K黑体和太阳辐射的光谱分布图图 5.3 太阳辐射穿过大气层的厚度取决于太阳在天空中的位置 图 5.4 利用已知高度的物体估算大气光学质量 855.1.2 直接辐射和漫射 当到达地球表面时，穿过地球大气 层的太阳光被减少或

8、削弱了大约 30%，其中的影响因素有： 大气中分子的瑞利散射，对短波长尤为明显； 烟雾和尘埃粒子的散射； 大气中气体的吸收，如臭氧、水蒸气、二氧化碳等。 大气气体造成的吸收光谱如图 5.5 所示。臭氧强烈吸收波长低于 0.3m 的光波。大气层中臭氧的损耗使得更多的这种短波长的光到达地球表面，而这将对生物系统产生有害影响。1m 左右的吸收光谱带，是通过水蒸气吸收产生的， CO2吸收更长波长的光波，而大气中CO2成分的改变也会对气候和生物系统造成影响。 如图 5.6 所示，大气的散射作用导致了从天空中不同方向射来的漫射太阳光。由于大部分的有效散射发生在短波长范围内，漫射散射在自然光谱 的蓝端起主导

9、作用。因此，天空呈现蓝色。 AM1 辐射（太阳在头顶直射时的辐射）在天空晴朗时大约有 10%漫射辐射成分。漫射所占的百分比随着大气光学质量或者天空的阴云程度的增加而增加。 当然，云层是太阳光在大气中衰减和产生散射的一个要因，如图 5.7 所示。积云，或处于低空体积较大的云层能够有效地阻挡太阳光。然而，大 约有一半被积云阻挡的直接辐射能够以漫射辐射的形式重新回到地面。卷云，或稀薄的高 处云层，对阳光的阻挡就不是那么有效了，大约 2/3 被阻挡的直接辐射能够转换为漫射辐射。在完全阴云的天气，没有直接的日照，达到地球表面的辐射大部分是漫射辐射。 图 5.5 在大气层外 AM0 和地球表面 AM1.5

10、 时太阳光的光谱功率密度，反映出不同的大气成分的吸收 图 5.6 由大气散射导致的漫射辐射 图 5.7 云层覆盖对阳光辐射的影响 86除此之外，太阳光辐照在一年中也有很大变化。图 5.8 给出了太阳的视运动，以及它在正午时相对于一名观察者的位置，太阳的路径在一年中变 化，最具代表性的几个季候包括夏至冬至及二分点（春分秋分）的路径也如图所示。 5.1.3 温室效应 为了保持地球的温度，地球从外界获得的能量必须与地球向外辐射的能量相等。与阻碍入射辐射类似，大气层也阻碍向外的辐射。水蒸气强烈吸收波长为 4 7 m 波段的光波，而二氧化碳吸收 13 19 m 波段的光波，大部分的出射辐射（ 70%）从

11、 7 13 m 的窗口逃逸。 如果我们居住的地球像月球一样没有大气层，地表温度将大约是- 18，然而，大气层中有天然背景水平为 270ppm（浓度单位：百万分之一）的二氧化碳，这使得地表温度平均为 15，比月球表面平均温度高出 33。图 5.9 给出了地球上如果没有大气层且地球和太阳都被视为理想黑体时，地球吸收和向外辐射的波长能谱分布。 人类活动增加了大气中的 “人造气体 ”的排放，这些气体吸收波长范围的 7 13 m 辐射，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化合物、氯氟碳合物（ CFC）等。这些气体阻碍了能量的正常逃逸，破坏了地球的自我平衡体系，被认为是地表平均温度升高的原因。 据 McCar

12、thy 等一些研究者的论述，在 20 世纪里地球表面的平均温度已经升高了 0.60.2。根据模型预测，全球平均的表面大气温度 2010年比 1990 年高出 1.45.8。模拟结果并且表明了升温过程可能随地区的不同而变化，同时伴随着降水量 的增减变化。除此之外，气候的多变性也会有所差异，并改变一些极端天气现象的频率和 强度。有迹象表明，洪水和干旱日益频繁。可以预见，温室效应对人类和自然环境将产生大范围的严重影响。 毫无疑问，现今人类的活动已达到了能够影响地球的自我平衡体系的程度。由此造成的副作用是具有破坏性的，具有低环境影响和低温室气体 排放等特征的技术将在未来的几十年内变得愈加重要。由于燃烧

13、矿物燃料的能源产业是产 生温室气体的主要源头，因此能够取代化石燃料的技术，例如光伏技术，应当被大力推广使用。 图 5.9 地球吸收和向外辐射的能谱分布 图 5.8 观察者在南纬或北纬 35时所观察到的太阳的视运动 875.2 太阳电池的特性 5.2.1 工作原理 太阳电池的工作原理基于半导体的光生伏特效应将太阳能转换为电能。大部分太阳电池结构中都包含 PN 结。在第一章第 4 节我们讲过， P 型半导体和 N 型半导体接触后，由于两者费米能级的差异， N 型区的电子通过界面扩散到 P 型区， P 型区的空穴通过界面扩散到N 型区，结果在两区界面 N 区一侧出现了带正电荷的施主离子层， P 区一

14、侧出现了带负电荷的受主离子层，施主离子层 和受主离子层共同组成 PN 结的空间电荷区。 由于界面处两侧的离子带电类型不同，使得空间电荷层中存在着从 N 型区一侧指向 P 型区一侧的电场，这个电场称为内建电场。当光照射到太阳电池 上时，电池内吸收光能后将产生电子空穴对。 在 PN 结内建电场的作用下，电子向 N 区迁移，空穴向 P 区迁移，电子空穴对分开， 在 PN 结两边出现异种电荷的积累，从而产生光生电动势，即 光生电压，这就是所谓的光生伏特效应。 若在 PN 结两侧引出电极并接上负载，则在负载中就有光 生电流流过，从而获得功率输出，把光能转换为电能。 如图 5.11 所示， 光照射到电池上

15、有多种不同的情形。情形 1 表示光线照射到太阳电池的上电极上被反射和吸收；情形 2 表示光线照射到太阳电池的上表面被反射；情形 3 表示光线照射到太阳电池内部被吸收；情形4 表示光线照射到太阳电池的底部又被反射出太阳电池；情形 5 表示光线照射到太阳电池的底部被反射后再体内吸收；情形 6 表示背电极处的吸收。在以上 6 中情形中，只有 3（直接吸收）和 5（反射后吸收）是有用的。为了尽可能将太阳电池的能量转化效率最大化，必须设计使之得到最大的直接吸收和反射后吸收。 不是所有光生电子空穴对都能被电极收集。图 5.12 示出了在理想短路情形下电子和空穴的流动情况。在光生电子和光生空穴迁移的过程中，

16、 也可能相遇而复合，有体内复合和表面复合等多种情形。这些复合毫无疑问地降低了太阳 电池的光电转换效率，因此在太内建电场图 5.10 光生电子空穴对的产生与分离图 5.11 光线照射到太阳电池上的情形 图 5.12 短路情况下电子和空穴的流动图 5.13 电子与空穴复合与收集的情形88阳电池设计时也要考虑如何增大光生电子和空穴的收集效率。一般地说， PN 结越近的地方产生的电子空穴对越容易被收集。 如果电子空穴对在 PN 结附近小于一个扩散长度范围内产生，收集的几率就比较大。 5.2.2 伏安特性 在没有光照的情况下， 描述二极管电流对电压的函数关系称为二极管方程， 如公式 (1.16)和图 1

17、.17 所描述。光线的照射对太阳能电池的作用，可以认为是在原有的二极管暗电流基础之上添加一个电流增量，于是二极管电流公式变为： LBITnkeVII = 1exp0(5.3) 这里 IL为光生电流。 光照使得电池的 I-V 特性曲线向下平移到第四象限， 如图 5.14 所示，于是二极管的电能可以被获取。其输出功率等于第四象限中曲线的内接长方形面积。为了便于讨论，通常将 I-V 特性曲线上下翻转，将输出曲线置于第一象限。如图 5.15 所示。 用于衡量在一定照射强度、 工作温度和面积条件下， 太阳能电池电力输出的两个主要参量为： 短路电流 Isc：当电压为零时，电池输出的最大电流。在理想情况下

18、V = 0， Isc= IL， Isc与接收的光照强度成正比。 开路电压 Voc：当电流为零时，电池输出的最大电压。 Voc随辐射强度的增加呈对数方式增长。 这个特性使得太阳能电池特别适用于为蓄电池充电。 注意，当 I = 0 时， += 1ln0IIeTnkVLBoc(5.4) 对于 I-V 曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的乘积，以反映此工作状态下的输出电功率。太阳能电池的效能也可以用 “最大功率点 ”来描述。在最大功率点， Vmp Imp达到电流电压乘积的最大值。 太阳能电池的最大输出功率 可以用图形方式表示，即在 I-V曲线下绘制一个矩形，使其面积最大。 从图 5.15 看出，最

19、大功率处的导数为零，即 ()0=dVIVd于是得出 ()+= 1/lneTnkVeTnkVVBmpBocmp(5.5) 例如，如果 n = 1.3， Voc= 600 mV，对于典型的太阳电池， Vmp比 Voc大约小 93mV。 5.2.3 填充因子 填充因子（ FF， Fill Factor）是衡量电池 PN 结质量以及串联电阻的参数。它的定义式为 图 5.14 光照对 PN 结电流电压关系的影响 图 5.15 I-V 曲线：短路电流、开路电压和最大输出功率 (Vmp， Imp) 89ococmpmpIVIVFF = (5.6) 因此有 FFIVPscocmp= (5.7) 填充因子是能很

20、好的表明太阳电池光电转换效率的参量。 很明显， 填充因子越接近于 1，太阳能电池的质量就越好。在理想情况下，它仅是开路电压的函数，经验计算公式为 ( )172.0ln0+=ocococvvvFF (5.8) 在这里 voc定义为“归一化的 Voc” ，即 eTnkVvBococ/= (5.9) 以上表达式只适用于计算理想情况下的填充因子 FF0，它忽略寄生电阻造成的损耗，针对理想情况下的计算结果可以非常精确。 5.2.4 光谱响应 当单个光子的能量（ Eph）比构成电池的半导体材料的禁带宽度（ Eg）大时，太阳能电池就能吸收这个光子并产生电子空穴对。在这种情况下，太阳能电池对入射光子产生响应，

21、光子能量超出禁带宽度的部分迅速以热量形式散失掉，如图 5.16 所示。 太阳能电池的量子效率定义为： 假设照射到太阳能电池上的光子流为 nph，这些光子在电池内部产生电子空穴对 (ne = IL/q)， 最终这些载流子对太阳电池输出电流产生贡献的比率。在通常情况下，没有特别说明，量子效率指外部量子效率，外部量子效率通过一系列易于测量的实验， 例如电池的输出电流大小和实验用光源的照射强度等数值计算得到。定义式为 phscphLpheexenIenInn= (5.10) 其中， IL为光生电流，假设太阳能电池在理想的短路情况下工作时， IL可以用实验测得的短路电流 IscL代替。 ne是在上述短路

22、情况下，单位时间内通过外电路的电子流量， nph是单位时间内波长为 的入射光子的流量。 太阳能电池响应的最大波长被半导体材料的禁带宽度所限制。当禁带宽度在 1.01.6eV范围时，入射阳光的能量才有可能被最大限度地利用。单 独考虑这个因素，就将太阳能电池可能转换效率限制在 44%以下。硅的禁带宽度为 1.1eV，与理想值接近，而禁带宽度为1.4eV 的砷化镓，就理论而言更加适合光伏应用。带隙对量子效率的限制可由下列公式给出 )m()eV(24.1ggCEEhc= (5.11) 波长 C是带隙为 Eg的半导体材料吸收光子的长波极限。 另一个值得注意的物理量是太阳能的光谱响应 度，用每瓦特功率入射

23、光所产生的电流强度表示。理想情况下，这个值随着波长的增加而增加。 然而，在短波长辐射下，电池无图 5.16 电子空穴对的产生与热量形式的散失 90法利用光子的全部能量；在长波长辐射下，电池对光线的 吸收作用很弱，导致大部分光子在远离 PN 结的区域被吸收， 而构成电池的半导体材料有限的扩散长度限制了电池对光的响应。 光谱的响应度可根据下式计算： ()inexpheinschcRqhcqnhcnqPIS =1(5.12) 其中 Pin是入射光功率， in是内部量子效率，与外部量子效率 ex不同的是内部量子效率的运算将电池顶部的反射 R 排除在外，即 ex = (1-R)in。当 趋向于零时， S

24、 趋向于零，因为每瓦特的入射光中包含的光子数随波长的减小而减少。 电池光谱响应对入射光波长的强烈依赖关系，使得太阳能电池的性能与太阳光的光谱成分密切相关。再者，光学损失和载流子复合损失等一系 列因素，也表明了太阳能电池的性能与计算中的理想值存在差距。 5.2.5 温度的影响 太阳能电池的工作温度是由环境温度、封装电 池的组件特性、照射在组件上的日光强度等因素综合决定的，还有其他因素比如风速的影响。根据下列等式，暗饱和电流 I0随着温度的上升而增加， =TkEBTIBg00exp(5.13) 其中 B 是与温度无关的系数， Eg0是通过线性外推导温度为零时，构成太阳能电池的半导体材料的带隙， 包

25、含了其余用于确定 I0的与温度相关的参量。 短路电流 Isc随着温度上升而增加，由于带隙能量变小，有更多的光子产生电子空穴对，短路电流增大，但这仅是一个微弱的影响。更重要的是温度升高会导致开路电压和填充因子的下降，从而是输出功率降低。这些影响从图 5.17 中可以看出来。 对于硅太阳电池而言，温度对最大输出功率的影响如下 ()1)05.004.01 CdTdPPmpmp(5.14) Voc越高，受温度影响越小。 5.2.6 寄生电阻的影响 太阳能电池通常伴随着寄生串联电阻和分流电阻， 如图5.18 所示，两种电阻都会导致 FF 下降。 串联电阻 Rs主要来源于半导体材料的体电阻、金属接触与互联

26、、载流子在顶部的扩散输运，以及金属和半导体材料之间的接触电阻等。串联电阻的影响如图 5.19 所示。 分流电阻 Rsh是由于 PN 结的非理想性和结附近的杂质造成的，它引起结的局部短路，尤其在电池边缘。分流电阻的影响如图 5.20 所示。 由于填充因子决定了太阳能电池的功率输出，最大输图 5.17 温度对太阳电池伏安特性的影响 图 5.18 太阳能电池等效电路中的寄生串联电阻和分流电阻 91出功率与串联电阻有关，其关系式大致如下： socscmpmRVIPP 1 (5.15) 如果太阳能电池的特征电阻定义为 scocchIVR = (5.16) 那么可以定义一个“归一化”的 Rs为 chssR

27、Rr = (5.17) 因此填充因子近似写为 ()srFFFF 10(5.18) 或者根据更加准确的经验公式 ()4.51.1120sssrrFFFF + (5.19) 它对于 rs10 有效。 同样的，对于分流电阻，也可定义 chshshRRr = (5.20) 类似的，有 shrFFFF110(5.21) 或者根据更加准确的经验公式 +shococsrvFFvFFFF0077.01 (5.22) 它对于 rs 0.4。 图 5.19 串联电阻对填充因子的影响 图 5.20 分流电阻对填充因子的影响 图 串联电阻对填充因子的影响 图 分流电阻对填充因子的影响925.3 太阳电池的设计 如果在

28、实验室条件下，采用目前最先进的技术，单晶硅太阳能电池的转换效率可能超过 24%。然而，工业上大批量生产的电池的效率普遍只有 13%14%。造成这种情况的原因有很多，最重要的是实验室在生产电场时可以把效率当成 最主要的目标，而不考虑费用、工艺的复杂性或生产量。幸运的是，通过不断提出的新的 设计技术，太阳能电池的效率一直在持续提高。 5.3.1 光学损失 光学损失和复合损失会使电池的输出效率 低于理论值。太阳能电池的光学损失如图5.21 所示。 有许多方法可以减少这些损失： 将电池表面顶层的电极面积减少到最小（虽然这将导致串联电阻的增加） 。 在电池表面使用减反膜。如果一层透明的四分之一波长减反膜

29、的厚度为 d1，折射率为 n1，那么 1014nd= (5.23) 这层膜通过干涉作用，理论上将从膜的上表面反射的光和 从膜与半导体界面处反射回来的光相互抵消，两者相位相差 180。如图 5.22 所示。 为了将反射进一步最小化，可以将减反膜的折射率设计为膜两边材料（玻璃和半导体，或空气和半导体）的几何平均值： 201nnn = (5.24) 在这种条件下表面反射可以减小到零。如图 5.23 所示。 通过表面制绒也可以减少反射。任何粗糙的 表面能增加反射光再弹回表面的几率，而不是直接将光反射到空气中。这样就减少了反射。 晶体硅表面通过沿着晶面的腐蚀（蚀刻）而被 均匀地绒化。如果晶体硅的表面是按

30、照内在原子排列规律适当的排列而成，表面就会形成金字塔 结构。经绒化的硅表面的电子显微照片如图 5.24 所示。 绒化的或粗糙的表面的另外一个好处是光按照斯涅尔定律倾斜地耦合进硅体中 2211sinsin nn = (5.25) 1和 2是光在界面处相对于法线的夹角， n1和 n2分别是界面两边媒质的折射率。 电池背表面（也称后表面）的高反射减少了 电池背电极的吸收，使到达背表面的光图 5.22 使用四分之一波长的减反膜抵消表面反射。 图 5.21 太阳能电池的光学损失源：顶电池的遮光，表面反射和背电极反射。93线被弹回，再度进入电池而有可能被吸收。如果背面反射 能够完全随机式打乱反射光的方向，

31、光线可能因为电池内部的全反射而被 捕获在电池内。通过这种陷光方式（ “陷光 ”指光被捕获） ，最可可以将入射光的路径长度扩大至 4n2（ 50）倍，因此光线被吸收的可能性将显著地增加。背表面反射如图 5.25 所示。 太阳能电池对更大波长辐射的转换效率（或红光响应）可以通 过增加电池“背电场”的方式来改善，也就是降低背表面的复合速率。背电场通常通过加入一个重掺杂的区域来实现。比如在电池背面丝 网印刷一层铝。这层金属（相当于重掺杂层） 与硅体中相对轻掺杂区之间形成了一个低复合 速率界面。背电场示意图如图 5.26 所示。 5.3.2 复合损失 太阳能电池的效率也会因为电子空穴对在被有效利用之前复

32、合而降低。 一些复合的场所如图 5.27 所示。 复合可以通过以下几种机理发生： 辐射复合吸收的反过程。 电子从高能态回到低能态，同时释放光能。这种复合方式在半导体激光器和发光二极管中适用，但是对太阳能电池来说并不显著。 俄歇复合 “碰撞电离” 的反过程。电子和空穴复合释放出多余的能量， 这些多余的能量被另一个电子吸收，随后，这个电子弛豫返回原先的能态并释放出声子。 俄歇图 5.23 使用四分之一反射膜的太阳电池在不同波长照射下的表面反射率 图 5.24 绒化表面电子显微镜照片 图 5.25 背表面反射 (a)和随机式陷光结构的无规则反射导致光捕获 (b) 图 5.26 利用背电场减少背表面的

33、复合速率 图 5.27 光电池中电子空穴对的可能复合过程94复合在掺杂较重的材料中尤为显著。当杂质浓度超过 1017cm-3时， 俄歇复合成为最主要的复合过程。 通过陷阱复合当半导体中的杂质或表面的界面陷阱在禁带中产生允许的能级时，这个复合就能发生。电子分两个阶段完成与空穴的复合，首先电子跃迁到缺陷能级，然后在跃迁到价带。 在实际的电池中，以上复合损失因素的共同作用结果造成了如图 5.28 所示的光谱响应，导致光电转换效率的损失。电池设计者的任务是克服这些损失，从而改善电池的性能。 5.3.3 顶电极设计 要收集太阳电池产生的电流， 金属顶电极 （或称顶部接触）是必需的。主栅线（ busbar

34、）和外部导线直接相连，而副栅线（ finger）是更细的金属化区域，用来收集电流传输给 主栅线。一个简单的顶电极设计如图 5.29 所示。顶电极设计的目标是通过优化电流收集来减少由 于内部电阻和电池而产生的损失。 电池中产生的电流一般从电池的内部垂直地流向电池的表面，然后横向地 通过顶部掺杂层，最后在顶层表面的接触处被收集， 如图 5.30 所示。 电池的主体部分的电阻或称体电阻的定义为 AwAlRb 0= (5.25) 考虑材料的厚度， l 是传导路径（有电阻）的长度， b是体电池材料的体电阻率（硅太阳电池的典型值为 0.55.0 cm， A 是电池面积， w 是体电池区域的宽度，如图 5.

35、31 所示。硅太阳能电池的方块电阻通常在 30100/。 薄层电阻的重要性在于它决定了顶电极栅线之间的理想间隔，图 5.31 给出了计算顶层横向电阻引起的功率损失所需要的参数。如果一个硅太阳电池的方块电阻 = 40 /， Jmp= 30 mA/cm2， Vmp= 450 mV，那么要使横向电阻引起的功率损失小于 4%，就必须使栅极间隔小于 4 mm。 图 5.28 考虑到复合损失的外量子效率 图 5.29 太阳电池的顶电极设计 图 5.30 电子从产生点到外部电极的流动 图 5.31 顶层横向电阻的计算 95除前面讨论的横向损失，主栅线和副栅线也是 导致多种损失的原因。这些损失包括遮光损失、电

36、阻损失以及接触电阻损失。图 5.32 是一种对称式的设计方案，并可以分解成数个单元电池。 大体上，可以认为：当主栅线电阻损失等于 其遮光损失时，主栅线宽度最佳；渐缩（一端逐渐变细）的主栅线比宽度恒定的主栅线所引起 的损失小；单元电场的尺寸，副栅线宽度及副栅线间距越小，引起的损失就越小。很显 然，由于必须允许光进入电池以及实际的制造的限制，对于第三点必须折中考量。 如图 5.33 是澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心开发的一款新颖的电极设计，它是利用激光刻槽来规划上表面金属电极位置并确定其横截面 形状。这种新颖的电池结构被称为“激光刻槽埋栅太阳能电池” （ BSBC, Laser Grooved

37、, Buried Contact Solar Cell） 。激光刻槽埋栅太阳能电池太阳电池的制造工艺如下：表面制 绒；表面磷扩散和氧化；激光刻槽；化学清洗；槽壁磷重扩散；背表面铝金属化与烧结； 顶电极、背电极同时进行无电镀（镍-铜-银） ；边缘结隔绝。 (a) (b) 图 5.32 (a)顶电池设计示意图，图中标明了主栅线和副栅线的位置； (b)一个典型的单元电池的重要尺寸参数 图 5.33 激光刻槽埋栅太阳能电池的截面图 965.4 硅太阳电池 硅太阳电池按基体材料分类可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三大类。按应用分类可分为地面太阳电池和空间太阳电 池。本节主要介绍空间用

38、单晶硅太阳电池，常称为空间硅太阳电池。 一般而言，空间用硅太阳电池需要具备如下特性，才能满足空间飞行器电源系统的应用要求。由于应用面积和质量严格限制，所以必须具备 高效率；良好的抗自然辐射带性能和抗可能的人造辐射性能；由于热量只能以热辐射 方式散发，所以必须进行温度控制；抗极端紫外辐射，抗原子氧衰降，抗带电积累造成 的静电损伤；坚固和高可靠，尤其是能够经过多次严重的温度冲击。 空间硅太阳电池经过几十年的发展，基本可以分为常规硅太阳电池、背反射器背场硅太阳电池和高效硅太阳电池三类，这三类空间硅太阳电池 的区别在于太阳电池效率水平、吸收系数和抗带电粒子辐照能力不同，常规硅太阳电池的 AM0 效率在

39、 12%左右，背反射器背场硅太阳电池在 15%左右，而高效硅太阳电池在 17%左右。 5.4.1 常规硅太阳电池 常规硅太阳电池指的是具备基本的结构并采用普通工艺制备的硅太阳电池，该类太阳电池是太阳电池发展的初级阶段，可以分为早期常规硅太阳电池和改进型常规硅太阳电池。 硅太阳电池的本质是一个大面积的 PN 结， 它利用半导体硅材料的光生伏特效应把光能转变为电能。这个转换过程可以分为三个子过程：吸收 具有一定能量的光子，激发处平衡载流子（光生载流子）电子空穴对；这些电性相反的光生载流子被 PN 结内建电场分离；分离的光生载流子被电池的两个电极收集，在外电路产生电流，从而获得电能。 图 5.34

40、是一个以基体材料为 P 型，电阻率为 8 cm 12 cm 、晶向（ 100）制成的N+/P 型结构的硅太阳电池（对空间太阳电池而言， P 型材料衬底比 N 型材料衬底抗辐射性能好） ，电池厚度为 0.2 mm 0.25 mm， P 型基区上面是 N+型发射区，它是在同一块材料的表面用高温掺杂扩散方法制得的表面层，称为扩散层。 N+扩散层的结深为 0.12m 0.3m。P 层和 N 层的界面处是 PN 结，扩散层位于电池的正表面，该表面是接受光照的面，称为受光面。 在扩散层上表面有与之形成欧姆接触的上电极 ，上电极由主栅线和若干细条副栅线组成。栅线设计的原则，一是占据面积要小（即遮光面要小）

41、；二是串联电阻足够小；三是满足太阳阵的组装工艺要求。基区下面由与之形成欧姆接触 的下电极。一般而言，下电极全部由金属覆盖。在硅太阳电池的受光面上，还制备减反膜 ，其作用是减少在太阳电池上表面的反射，使硅太阳电池能够接收更多的光，有利于提高光电转换效率。 太阳电池的结构特性是影响电池光电转换效率的主要因素， PN 结是硅太阳电池的关键。制结过程包括制结前的硅表面准备、液态源扩散、固 态源扩散和离子注入等方法，其中应用得最广泛的方法是用三氯氧磷（ POCl3）液态源气体携带扩散法，用这种方法获得的PN 结均匀性好，工艺成本低，但工艺控制难度大。 电极除了影响电池电性能外，主要关系到硅太 阳电池的可

42、靠性和寿命。上、下电极是图 5.34 常规硅太阳电池的基本结构97用真空蒸镀法制备的。空间用硅太阳电池上、下电极一般采用钛-钯-银三层金属电极。 如果没有采用任何措施的太阳电池表面由于光在硅表面上的反射， 可使光的损失达 30%左右。为了减少入射光损失，一般在太阳电池表面上制备 一层或多层合适的光学薄膜，利用薄膜的干涉原理，便可使光的反射大为减少，电池的短路电流和功率输出就能大大增加，这种薄膜称为太阳电池的减反射膜。减反射膜一般是用真空蒸镀法实现的。 为了提高太阳电池的短波响应和抗辐照特性， 在制结过程中采用了浅结工艺，同时为了提高太阳电池的长波响应，在电池背表面制备了铝反射 层，采用了这些措

43、施的常规太阳电池称为改进型常规太阳电池，即 BSR（ Back Surface Refector）电池。 在 BSR 电池中，太阳电池的背表面和电池背面接触之间用真空蒸镀的方法沉积一层高反射率的金属（一般为铝） ，形成背表面反射器，它能反射透过电池到达背表面的光，从而增加光的利用率。 通过背表面反射器，可增加电池对长波长光的 吸收，使短路电流增加。它还能把到达背面的波长大于电池光谱响应截止波长的红外光反射出去 ，从而降低了太阳电池对红外光饿吸收，这就减轻了红外光的有害影响，因为这部分红外 光不仅不能产生光生载流子，而且会产生热效应，使电池温度升高，导致电池效率下降。图 5.35 和 5.36

44、分别给出了常规硅太阳电池和改进型硅太阳电池在背表面反射率和光谱响应特性的比较。 5.4.2 背反射器背场硅太阳电池 BSFR （ Back Surface Field and Reflection）太阳电池最显著的特点就是背表面场技术的应用，是在 BSR 太阳电池基础上，即在浅结、密栅、背表面反射、双层减反射膜的基础上，通过增加制备背表面场的工艺步骤而得到的电池结构。 BSFR 太阳电池的背表面场是在电池背表面制备重掺杂的 P 区， 由于硅片表面与内部存在显著的 P 型原子浓度差，形成了浓度梯度。 P 型杂质原子离化后在表面形成了负电中心富集的区域，硅片表面呈带负电的性质。由于施主离子浓 度梯

45、度的存在，形成了由硅片内部指向表面（自 P 区指向 P+区）的内电场，该电场在硅片表面形成了一个势垒，阻拦电子向硅片表面的迁移。此时光照产生的电子、空穴在硅片内 部不仅仅是作扩散运动，在运动到硅片表面区域时还受到该内建电场的作用，使得到达表 面处的电子数减少，从而减少了电子与空穴的复合速率，达到了钝化表面的目的。目前， 太阳能电池行业中常用的铝背场和 P 型背场技术，就是采用了高低结构钝化的原理。 通过应用场效应表面钝化技术，太阳电池的长 波长响应得到了明显的提高，开路电压可以增长 50 mV， 短路电流略有上升， 光电转换效率从没有背场的 BSR 的 12%上升到 BSFR的 15%左右。如

46、图 5.37 分别给出了 BSFR 硅太阳电池的伏安特性曲线和光谱响应曲线。 5.4.3 空间高效硅太阳电池 空间用高效硅太阳电池最显著的特点就是应用 了表面钝化技术和表面织化技术，使得太阳能电池的效率得到大幅度提高。澳大利亚新威尔士大学研制的 PERL 太阳电池达到了图 5.35 常规硅太阳电池和改进型硅太阳电池背表面反射率的比较 图 5.35 常规硅太阳电池和改进型硅太阳电池光谱响应特性的比较 98目前最高的 AM1.5 下最高效率为 24.7%。 太阳电池上表面织化技术就是根据需要制作降低表面反射的微结构， 这有着非常重要的意义。一方面，织化结构可以使入射 光在太阳电池上表面形成多次反射

47、，使入射到太 阳电池内部的光能增加，同时入射到太阳电池内 部的光线经背反射器反射后再经上表面的微结构 全反射后形成多次反射，增加了长波光子的利用 ；另一方面，表面微结构有利于提高太阳电池的 耐辐照性能，这是因为该结构使载流子的表面收 集更有效，降低辐照后少数载流子扩散长度降低的影响。图 5.38 所示的倒金字塔结构就是空间用高效硅太阳电池经常采用的表面织化结构。图 5.39 给出了该类电池与 BSFR 太阳电池上表面反射率的比较。 表面钝化，顾名思义，就是使活泼的半导体表面变得不活泼， 其最根本的方法就是尽量消除半导体表面态的影响， 针对由于晶格不连续造成的表面态， 可以通过饱和悬挂键的方法来实现钝化， 一般钝化方法是在半导体表面生长或沉积一层介质膜，并通过一定的方式处理，例如，半导体行业应用得最广泛的二氧化硅表面钝化技术，当硅片表面被氧化后， 在硅片表面覆盖了一层二氧化硅层， 使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅图 5.37 BSFR 硅太阳电池的伏安特性曲线（左图）和光谱响应曲线（右图） 图 5.40 空间硅太阳电池的结构示意图 图 5.38 倒金字塔表面织化结构 图 5.39 高效薄硅太阳电池和 BSFR 太阳电池的上表面反射率的比较 99的氧原子饱和，表面态密度大大降低。 图5.40 示出了空间用高效