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

1、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Roadmap to Enhance the Efficiency of a Screen Printed Solar Cell生产程序概况如下:1初始表面处理与绒面成型(Etching， Cleaning and Texturing Surfaces)2 磷扩散制p/n结与参数测试(Phosphorus Diffusion and Test)3 等离子周边刻蚀与表面腐蚀清洗(Plasma Etching and PSG Chemical Etching)4 减反射膜淀积，钝化与正面电场(Si3N4 Anti-ref

2、lection - AR Coating)5 丝网印刷电极和烧结背场（Screen Printing, Sintering and Back Surface Field）6电池性能测试和分类(Measurement and Sorting)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。光电能量转换效率为：在太阳能电池I-V 特性曲线上作出Rs 和 Rsh (V/I = Rs，V/I = 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。IVIIVRsh=V/IRs=V/IVIsc

3、ImVm VocPm ； Pm = ImVm = IscVocFF 图 p-n结的品质与FF、Rs 和Rsh的关系1与能量转换效率相关的参数(The Components of Efficiency) （1）开路电压Voc(Open circuit voltage Voc) 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(Short circuit current density Jsc) 短路电流Isc：理想状态下，应等于光生电流IL，即 IscIL 。 (short circuit current, Is

4、c, which ideally is equal to the light generated current IL)（3）填充因子FF (Fill factor FF)填充因子FF：。实际上是在有光照的IV曲线内最大矩形面积的测量。(Fill factor defined as the measure of squareness of the illuminated I-V curve or )结果，能量转换效率。(The energy conversion efficiency Eff. )2有那些参数影响开路电压Voc的呢？(What parameters affect Voc)材料光

5、伏有源材料：电阻率，少子寿命，其它杂质等(Materialactive material, )。表面发射极掺杂层(Emitter)；背面电场（BSF）(Back surface field)；漏电流反向饱和电流 Io (Leakage currents reverse saturation current)；理想因子 n (Ideality factor n)；并联电阻 Rsh (Shunt resistance)；钝化技术电池材料的表面和内部的钝化(Passivation surface and inner)。3有那些参数影响短路电流Isc的呢？(What parameters affect

6、 the short circuit currents)绒面结构(Surface Texture);正面减反射膜(AR coating)；表面发射极掺杂层高或低的磷浓度(Emitter high or low surface phosphorus concentration)；减少遮光损失(Reduce shading loss)；串连电阻Rs(Series resistance);背面反射(Back surface reflectance)；钝化技术电池材料的表面和内部的钝化(Passivation surface and inner)。4有那些参数影响填充因子FF的呢？(What para

7、meters affect the FF)表面发射极掺杂层高或低的磷浓度(Emitter high or low surface phosphorus concentration)；去除周边pn结和去磷硅玻璃(Remove edge junction and phosphorus silicon glass)；串连电阻Rs(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)( Series resistance (contact, finger etc);正面减反射膜(AR coating)；金属电极接触的烧结(Firing)；并联电阻 Rsh (Shunt resistance)。5有那些参数影响填充因子

8、FF的呢？(What parameters affect the FF)等效电路(Equivalent Circuit) （在光照下的太阳电池）(Illuminated Solar Cell) 电池结构（损失的成分）Cell Structure (Loss Components) 6为了提高丝网印刷（SP）填充因子FF，必须解决下列问题： (To improve SP fill factors, the following must be determined): （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； (effect of contact firing on the

9、 overall Rseries (especially on rc)（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；(impact of contact firing on junction quality (Rshunt and Jo2)*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*Reduce shading loss, improve Jsc and increase Final finger width最后的金属指条宽度(m)Shading遮光所占的面积(%)Jsc短路电流Jsc(mA/cm2)Efficiency能量转换效率(%)Effici

10、ency Solarfun Std能量转换效率（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太阳能电池能量转换效率, 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), 25 oC. 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

11、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( 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

12、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, C is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

13、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 1.4 eV. 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

14、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， p NA 和n NA p, 式中NA 是受主杂质浓度；而在n形材料中， n ND 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

15、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，少数载流子扩散长度L和载流子迁移率都会减少。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(

16、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1

17、50m条宽, 电极条的高/宽比只有0.06,很低,很差; (p54我可以做到 9m/20m0.45,是0.06的7.5倍). 电极条宽150m间距3mm遮光1012,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n1，与电流的低

18、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）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

19、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1Si 晶片太阳能电池，要提高效率，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/ Wp10g/ Wp7g/ WpWp/片 3.5W/片，多晶 4.0W/片，多晶国际产能2.5 GW13 GW国内产能0.45 GW4.6 GW2Si 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2。3PECVD平板式好或是管式好？ SiNx减反射膜PECVD装置：

20、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。4Si 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156156 mm。栅线（finger）丝网印刷条宽90m、2530m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

21、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Aspect Ratio （纵横比）；Texture高低差。（6）铝背场 Si片留下180m；背面铝膜厚37m。 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。 200m的片子约减薄10m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

22、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。光电能量转换效率为：在太阳能电池I-V 特性曲线上作出Rs 和 Rsh (V/I = Rs，V/I = 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与能量转换效率相关的参数：（1）开路电压Voc （2）短路电流密度

23、Jsc 短路电流Isc：理想状态下，应等于光生电流IL，即 IscIL 。 （3）填充因子FF 填充因子FF：。实际上是在有光照的IV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，少子寿命，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

24、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最后的金属指条宽度(m)遮光所占的面积(%)短路电流Jsc(mA/cm2)能量转换效率(%)能量转换

25、效率（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太阳能电池能量转换效率, 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), 25 oC. 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

26、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( 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

27、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, C is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,

28、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 1.4 eV. 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

29、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， p NA 和n NA p, 式中NA 是受主杂质浓度；而在n形材料中， n ND 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，少数载流子扩散长度L和载流子迁移率都会减少。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