硅太阳能电池的设计

2020/4/2应用光伏学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2020/4/2应用光伏学2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。§4.1.1基础太阳能电池设计2020/4/2应用光伏学3§4.1.1基础太阳能电池设计硅太阳能电池效率的演变2020/4/2应用光伏学4§4.1.1基础太阳能电池设计理论上，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。2020/4/2应用光伏学5第二个因素是假设入射光有高聚光比。并假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，因为填充因子也随着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，应注意几项原则：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。§4.1.1基础太阳能电池设计2020/4/2应用光伏学6被顶端电极所阻挡表面反射被电池的背面反射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地吸收。§4.2.1光学特性光的损耗2020/4/2应用光伏学7有很多减少光损失的方法：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。在电池上表面加减反射膜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2020/4/2应用光伏学8加在太阳能电池上表面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。§4.2.2光学特性减反射膜2020/4/2应用光伏学9§4.2.2光学特性减反射膜使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。(a)破坏性干涉导致反射光为零(b)建设性干涉导致所有的光都被反射所有光传入半导体没有光传入半导体2020/4/2应用光伏学10减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光波长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1的薄膜材料，入射光真空中的波长为λ0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1=λ0/(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102nnn§4.2.2光学特性减反射膜2020/4/2应用光伏学11§4.2.2光学特性减反射膜尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率的膜和相应波长的光，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0.6μm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。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，对于多数商业太阳能电池来讲，这样的成本通常太高。2020/4/2应用光伏学12§4.2.2光学特性减反射膜裸硅覆盖有折射率为2.3的最优化抗反射膜玻璃的硅（仅）覆盖玻璃的硅Comparisonofsurfacereflectionfromasiliconsolarcell,withandwithoutatypicalanti-reflectioncoating.2020/4/2应用光伏学13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。§4.2.3光学特性表面制绒2020/4/2应用光伏学14§4.2.3光学特性表面制绒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的表面。下图画出了一个这样的金字塔结构，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。右图便是组成单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2020/4/2应用光伏学15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，而不是从表面往上刻蚀，如图所示。§4.2.3光学特性表面制绒单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片2020/4/2应用光伏学16§4.2.3光学特性表面制绒多晶硅制绒表面的电子显微镜照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111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111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。2020/4/2应用光伏学172020/4/2应用光伏学18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。下面的动画展示了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。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。§4.2.4光学特性电池厚度2020/4/2应用光伏学19§4.2.5光学特性光陷阱最佳的电池厚度并不单单是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，产生的载流子却被复合了。此外，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。2020/4/2应用光伏学20§4.2.5光学特性光陷阱通常，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：n1sinθ1=n2sinθ2其中，θ1θ2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。2020/4/2应用光伏学21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）：12112sinnsin/n对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的存在而使得角度θ1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§4.2.5光学特性光陷阱2020/4/2应用光伏学22§4.2.5光学特性光陷阱121-1nnsin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θ2为0，得：利用全内反射，可以把光困在电池内面，使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。2020/4/2应用光伏学23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(YablonovitchandCody,1982)。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。§4.2.6光学特性朗伯背反射层2020/4/2应用光伏学24朗伯背反射层如下图所描述：§4.2.6光学特性朗伯背反射层UNSW新南威尔士大学小于临界角入射的光逃出电池光被全反射并围困在电池内入射光电池底部的随机散射顶角等于临界角的椎体内的光损失掉了2020/4/2应用光伏学25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。25§4.3.1减少复合效应复合损耗2020/4/2应用光伏学26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。§4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失2020/4/2应用光伏学27§4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失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，如果电池的背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。2020/4/2应用光伏学28理想和实际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§4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失2020/4/2应用光伏学29§4.3.2减少复合效应复合引起的电流损失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(鈍化發射極背部局域擴散)(PassivatedEmitterandRearLocally-diff