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