晶硅太阳电池效率提升方向及影响各电性能参数的因素.docx

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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：

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。

I

ΔV

ΔI

ΔI

ΔV

Rsh=ΔV/ΔI

Rs=ΔV/ΔI

V

Isc

Im

VmVoc

Pm

；Pm=ImVm=IscVocFF

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）

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：

。

实际上是在有光照的I－V曲线内最大矩形面积的测量。

（FillfactordefinedasthemeasureofsquarenessoftheilluminatedI-Vcurveor

）

结果，能量转换效率

。

（TheenergyconversionefficiencyEff.

）

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））

*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,improveJscandincreaseη

Finalfingerwidth

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）（%）

150

6.3

34.4

16.7

17.3

120

5.0

34.8

16.9

17.5

100

4.2

35.3

17.2

17.8

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:

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,

这时,电池的功率输出P为:

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

=0,即太阳电池最大的功率输出Pmax为:

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:

式中,

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:

而Io与材料带隙Eg相关,由经验公式给出:

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Eg1.4eV.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：

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

=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，pNA和n

NA«p,式中NA是受主杂质浓度；而在n形材料中，nND和p

ND«n,式中ND是施主杂质浓度；离化了的受主

带有净负电荷，

NA，和离化了的施主

带有净正电荷，

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质浓度NA和ND。

但这样做也有反作用，杂质浓度不能太高。

当掺杂的杂质浓度NA和ND增加时，少数载流子寿命τ，少数载流子扩散长度L和载流子迁移率μ都会减少。

高掺杂的杂质浓度NA和ND趋于降低饱和电流Io而提高开路电压Voc。

硅片越薄，越会降低体内复合，降低饱和电流Io提高Voc。

但是光吸收减少了，导致短路电流下降了，这就需要引进光陷技术来补偿。

附录4：

影响电池性能Voc，Isc，FF的因素:

Voc:

硅（Si）基片性质（晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等）,p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等;

Isc:

硅基片性质（少子寿命等）,表面反射,光陷作用,硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等;

FF:

硅（Si）基片性质（电阻率,少子寿命等）,电池结构,电极接触,串联电阻，并联电阻等.

目的:

提高Voc,Isc,和FF,要有高效率，同时也要降低成本（采用便宜的材料与工艺方法）.

措施:

衬底材料质量，绒面,前场,浅结,细密栅和高纵横比,减反射膜,前面钝化,背场,背面钝化,体内吸杂,丝网印刷电极.（n型硅Si衬底片）等制作高效廉价的太阳能电池.（较高熔点的银浆可得较高的纵横比）。

丝网印刷电极太阳能电池与实验室高效率太阳能电池相比，高效电池有高的纵横尺寸比（电极的高/宽）,细的电极线宽,高电导率,与底下Si的接触电阻小.通常印刷20m高,烧结后只有10m高,对于150m条宽,电极条的高/宽比只有0.06,很低,很差;（p54我可以做到9m/20m＝0.45,是0.06的7.5倍）.电极条宽150m间距3mm遮光10－12％,而高效电池只有遮光3％.

附录5：

太阳能电池的理想因子n：

实际状态下的太阳能电池（二极管）理想因子n：

二极管理想因子n是一个处于1至2之间的数值。

n是衡量pn结好坏的最重要标志，它由半导体材料和制造技术决定。

（1）理想情况下，如果p区和n区的扩散电流起支配作用，那么，理想因子n=1；

（2）非理想情况下，pn结空间电荷耗尽区的复合电流起支配作用，那么，因子n=2。

对于太阳能电池，

（i）辐射复合限制条件下，理想因子n≡1，与电流的低注入或高注入无关；

（ii）俄歇复合限制条件下，低电流注入时理想因子n=1；高电流注入时n由小于1（<1）减少至2/3；

（iii）材料内部缺陷复合限制条件下，低电流注入时理想因子n=1；高电流注入时n由大于1（>1）增加至2；总之，理想因子n随着电流的减少而增加。

第十一节进一步提高效率的思路

在光伏企业中，流传着这样一种说法：

硅晶片太阳能电池的制造每提高一个百分点（1%）的效率，就等于节省了10%的成本。

虽然数据未必很准确，但宏观原理是毫无疑问的。

8.11.1进一步提高效率的要点

企业要想进一步提高太阳能电池的能量转换效率，必须考虑：

1．理论上的可能性

光伏有源材料的选取，电池结构的设计，工艺路线的现实性等等。

2．可得到的光伏有源材料的质量

例如：

目前由于硅（Si）片材料的紧缺，质量不合格的硅（Si）片也充当好硅（Si）片，造成技术上很大的混乱，电池性能不好找不出正确的原因。

3．技术管理层和技术人员及技术工人的水平

4．加工设备、加工环境、管理水平等等。

8.11.2进一步提高效率的措施

1．Si晶片太阳能电池，要提高效率η↑，同时减少每瓦产电的晶片重量的消耗Wg/Wp↓，增大每片的产能S/片↑。

2006年

2007年

Wg↓/Wp

10g/Wp

7g/Wp

Wp↑/片

>3.5W/片，多晶

>4.0W/片，多晶

国际产能

2.5GW

13GW

国内产能

0.45GW

4.6GW

2．Si晶片太阳能电池绒面

棱型金字塔应该小而均匀，大小一致。

大小约1至2μ。

3．PECVD平板式好或是管式好？

SiNx减反射膜PECVD装置：

多晶硅片太阳能电池用管式PECVD更好一些，因为PECVD管式更有力地把氢（H）原子打进体内和晶内，使H原子不容易挥发出去，起更好的钝化作用。

4．Si单晶片太阳能电池在线（In-line）或后测试分析

PVGS可做出18%±3%的高效率单晶Si片太阳能电池。

成品率97%。

每天投产4万片156×156mm。

栅线（finger）丝网印刷条宽90μm、25—30μm高。

18%高效率的电池是用平板式PECVD制减反射薄膜的。

（1）如何确定理想情况下的FF。

：

Rs=0，Rsh=∞，算出Voc。

（2）LBIC激光诱导电流（短波用激光波长633nm）；（长波用激光波长972nm）；

原材料片拉单晶时存在技术问题，材料质量有问题，这种测试后出现各种颜色圆圈；边缘也因电池加工过程不好而出现不正常斑点。

（3）量子效率（内量子效率IQE）、外量子效率EQE、光反射率测定

（4）光谱响应测定

（5）电极与Si片接触电阻分布的均匀性测定

电极AspectRatio（纵横比）；Texture高低差。

（6）铝背场

Si片留下180μm；背面铝膜厚37μm。

Si片减薄：

（a）不能减得太薄，减薄了效率降低；

（b）减薄后容易损伤、碎片、裂片。

200μm的片子约减薄10μm最合适。

（7）绒面

改善后的绒面棱型金字塔小而均匀。

（8）扩散

扩散炉口、中间、炉尾的分布；每个片子各个位置的分布。

（9）反射率比较的研究

（10）光谱响应及量子效率测量研究

不但要考虑能量转换效率，特别强调要有公司本身的特色。

在薄膜技术中，化合物薄膜技术将来会占有更多的市场份额。

8.11.3进一步提高丝网印刷太阳电池效率的路径

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：

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。

；Pm=ImVm=IscVocFF

2与能量转换效率η相关的参数：

（1）开路电压Voc

（2）短路电流密度Jsc

短路电流Isc：

理想状态下，应等于光生电流IL，即Isc＝IL。

（3）填充因子FF

填充因子FF：

。

实际上是在有光照的I－V曲线内最大矩形面积的测量。

2．有那些参数影响开路电压Voc的呢？

材料－光伏有源材料：

电阻率ρ，少子寿命τ，其它杂质等。

表面发射极掺杂层；

背面电场（BSF）；

漏电流－反向饱和电流Io；

理想因子n；

并联电阻Rsh；

钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化。

3．有那些参数影响短路电流Isc的呢？

绒面结构

正面减反射膜；

表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度；

减少遮光损失；

串连电阻Rs；

背面反射；

钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化。

4．有那些参数影响填充因子FF的呢？

表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度；

去除周边pn结和去磷硅玻璃；

串连电阻Rs（电极接触、金属指条宽度和纵横比大小）;

正面减反射膜；

金属电极接触的烘烤、烧结；

并联电阻Rsh。

5．有那些参数影响填充因子FF的呢？

等效电路（在光照下的太阳电池）

电池结构（损失的成分）

6．为了提高丝网印刷（SP）填充因子FF，必须解决下列问题：

（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；

（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；

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

最后的金属指条宽度

（μm）

遮光所占的面积

（%）

短路电流Jsc

（mA/cm2）

能量转换效率η

（%）

能量转换效率η（林洋的标准）

（%）

150

6.3

34.4

16.7

17.3

120

5.0

34.8

16.9

17.5

100

4.2

35.3

17.2

17.8

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:

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,

这时,电池的功率输出P为:

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

=0,即太阳电池最大的功率输出Pmax为:

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:

式中,

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:

而Io与材料带隙Eg相关,由经验公式给出:

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Eg1.4eV.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：

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

=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，pNA和n

NA«p,式中NA是受主杂质浓度；而在n形材料中，nND和p

ND«n,式中ND是施主杂质浓度；离化了的受主

带有净负电荷，

NA，和离化了的施主

带有净正电荷，

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质浓度NA和ND。

但这样做也有反作用，杂质浓度不能太高。

当掺杂的杂质浓度NA和ND增加时，少数载流子寿命τ，少数载流子扩散长度L和载流子迁移率μ都会减少。

高掺杂的杂质浓度NA和ND趋于降低饱和电流Io而提高开路电压Voc。

硅片越薄，越会降低体内复合，降低饱和电流Io提高Voc。

但是光吸收减少了，导致短路电流下降了，这就需要引进光陷技术来补偿。

附录4：

影响电池性能Voc，Isc，FF的因素:

Voc:

硅（Si）基片性质（晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等）,p/n结掺杂浓度