晶体硅太阳能电池结构及原理

3.结晶硅太阳能电池结构与原理1本章介绍典型晶体硅太阳能电池的结构及其原理。通过学习本章，学生应了解以下内容：1.晶硅太阳能电池结构及其原理。2.晶硅太阳能电池高效结构设计及其原理。3.晶体硅高效率硅太阳能电池的发展。本章主要内容与学习目标2硅的基本性质原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。晶体硅为钢灰色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。14Si3.1结晶硅太阳能电池的种类和结构硅硅的基本性质常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应高温下，较活泼3.1结晶硅太阳能电池的种类和结构①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑晶硅为间接带隙结构温度T=300K，Eg=1.12eV本征载流子浓度：1031.0710incm3.1结晶硅太阳能电池的种类和结构轻掺杂掺杂浓度为1017cm-3中度掺杂掺杂浓度为1017～1019cm-3重掺杂掺杂浓度大于1019cm-33.1.1结晶硅太阳能电池的种类结晶硅太阳能电池可以分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池一般来说一个电池的输出电压为0.5V左右，最大输出功率与有效面积有关，一个效率为15%的电池输出功率为1.5W左右，为满足需要，把很多电池并联或串联在一起，形成模组，若想得到更大效率输出，则需要阵列。63.1.1结晶硅太阳能电池的种类7单晶硅太阳能电池特点：①完整的结晶，易得到高效率②不容易产生光致衰退③发电特性稳定，约有20年的耐久性④硅原料丰富⑤承受应力强3.1.1结晶硅太阳能电池的种类多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的效率为13～16%，是目前市场上最主流的产品多晶硅效率较低的原因①晶粒与晶粒间存在晶界，形成复合中心，减少自由电子数量②晶界的硅原子键合较差，易受紫外线破坏而产生更多的悬挂键，随使用时间增加，悬挂键的数目增加，造成光电效率劣化8③本身杂质比单晶硅多，且多半聚集在晶粒边界，杂质的存在使得自由电子与空穴不易移动3.1.2结晶硅太阳能电池的结构结晶硅电池的结构是一个具有PN结的光电器件。包括硅衬底、PN结结构、支构面、防反射层、导电电极与背面电极93.1.2结晶硅太阳能电池的结构衬底：衬底的作用是作为太阳能电池的承载。硅太阳能电池是以硅半导体材料为底材衬底。衬底的选择：一般来说,除了价格成本和来源难易外,根据不同用途,可从以下几方面选择:1.导电类型P型硅用B作为掺杂元素，制成n+/p型太阳能电池；n型硅用P（或As)为掺杂元素，制成p+/n型太阳能电池；两类电池性能相当，但n+/p型太阳能电池耐辐照性能优于p+/n型太阳能电池，更适合空间应用。103.1.2结晶硅太阳能电池的结构一般是P型衬底。P型衬底中的少数载流子电子的扩散系数与扩散距离比N型中的少数载流子空穴要长，使用P型衬底可以得到较佳的光电流112.电阻率由原理可知，开路电压随着硅基板电阻率的下降（掺杂浓度的提高）而增加。3.1.2结晶硅太阳能电池的结构3.晶向、位错、寿命一般要求单晶沿（111）晶向生长，切割下的硅片表面与（111）单晶平行。除了某些特殊情况外，晶向要求不十分严格。制成绒面太阳能电池需要晶向为（100）的单晶硅片，在不要求太阳电池有很高转换效率的场合下，位错密度和少子寿命不做严格要求。4.形状、尺寸、厚度空间应用的硅太阳电池都为方形，以减少组合方阵的表面积。随着工艺的进步，向大面积、薄厚度、高效率方向发展，目前标准的电池尺寸是2x2cm2或2x4cm2等，基板厚度约为0.2mm.123.1.2结晶硅太阳能电池的结构PN结结构N+/P结的作用是形成一个最简单的半导体器件。在光照条件下，电子/空穴的形成与移动与该N+/P结的特性有极大关系。N+与P层的掺杂量是很重要的器件设计参数，因为①N+与P层的掺杂量会决定耗尽层的大小及其电场强度②若N+与P层的掺杂量小，则表面再结合速率可以减小，但与电极的接触电阻会变大从而增加串联电阻③若N+与P层的掺杂量大，与电极的接触电阻会变小从而降低串联电阻值，但表面再结合速率会变大133.1.2结晶硅太阳能电池的结构支构面支构面的作用是通过光的散射与多重反射，提供更长的光路径。因此，光子的吸收数目可以增多，以提供更多的电子-空穴对。14支构面通常通过在硅表面以化学侵蚀液形成（111）面微小四面体金字塔来构成组织构造。各向异性腐蚀就是腐蚀速度随单晶主要的不同晶向而变化，一般来说，晶面间的共价键密度越高，则该晶面族的各晶面连接越牢，也就越难腐蚀，因此在该晶面族的垂直方向上腐蚀速度越慢。反之，越容易腐蚀。由于（100）面的共价键密度比（111）面低，所以(100)面腐蚀比(111)面快。3.1.2结晶硅太阳能电池的结构（100）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为（111）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。3.1.2结晶硅太阳能电池的结构可通过不同途径实现表面织构化：晶体硅可通过腐蚀晶面的刃面来实现织构化如果晶体硅表面是沿内部原子排列的，则织构化表面类似金字塔。商业单晶硅电池常用的手段。另一种形式的织构化：倒金字塔。对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面不是完整的111晶面。但可采取照相平版印刷、用激光机械雕刻前表面等方式实现织构化（下图为照相平版印刷织构化多晶硅表面）：3.1.2结晶硅太阳能电池的结构3.1.2结晶硅太阳能电池的结构防反射层防反射层的功能是减少入射的可见光在硅器件的表面反射。需要防反射层的原因是由于硅材料在可见光到红外线波段400～1100nm的区域内有相对于空气较大的折射率3.5～6.0.也就是说，在可见光区域有接近50%，红外线区域内有30%的反射损失。在三层物质的界面的电磁波反射系数R为：R=𝑛2−𝑛0.𝑛𝑆𝑖2𝑛2+𝑛0.𝑛𝑆𝑖2183.1.2结晶硅太阳能电池的结构通过在空气与硅表面间置入一个特定折射率的介电层作为防反射层，能有效降低界面反射损失。防反射层的最佳折射率n及厚度d应满足：n=𝑛Si𝑛0λ=4nd空气折射率为1，而nsi=3.5~6，因此适当的防反射层的折射率n为1.8~2.5。所需厚度与拟防反射的光的波长有关。常见的防反射层多半是绝缘性的介电材料，如SiN（n=2.1）、TiO2（n=2.3）、Al2O3（n=1.86）、SiO2（n=1.44）193.1.2结晶硅太阳能电池的结构单晶硅太阳能电池在不同入射角与不同防反射材质条件下的光反射率：203.1.2结晶硅太阳能电池的结构上电极上电极的作用是将移动至表面的电子/空穴取出，以形成外部电流，提供给外部负载。由于电极与硅材料接触，为了降低串联电阻，电极与硅材料必须是良好的欧姆接触，既是电压与电流的线性关系。在上表面，光照面的电极多由数条主要的主栅所组成。设计电极有两个考虑是互相冲突的：①为了让移动至表面的电子/空穴容易到达电极端，以减少电子/空穴在表面再复合的几率，理论上电极面积需较大②为了避免典型金属电极阻挡光的入射并造成光的反射，电极所占面积应越小越好21电极图形设计：设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面：使电池的串联电阻尽可能小，电池的光照作用面积尽可能大。3.1.2结晶硅太阳能电池的结构3.1.2结晶硅太阳能电池的结构1.电极材料的选择(1)能与硅形成牢固的接触;(2)这种接触应是欧姆接触，接触电阻小；(3)有优良的导电性；(4)纯度适当；(5)化学稳定性好；(6)容易被钨、钽、钼制成的电阻加热器蒸发；(7)容易焊接，一般都要求能被锡焊；(8)价格较低。233.1.2结晶硅太阳能电池的结构243.1.2结晶硅太阳能电池的结构背面电极背面电极（或称下电极或底电极）的主要功能是移动至下表面的电子/空穴取出，以形成外部电流提供给外部负载。背面电极的另一个功能是提供背向表面电场。由于背面电极多为铝金属，在烧结过程中，铝原子会进入到硅材料中作为掺杂，因此造成硅材料在接面处为重掺杂结构，在P+区形成的高势垒将防止方向错误的电子进入到底电极，因此可提高开路电压Voc。背电场技术是一项极为有效的措施，它对高电阻率（如10欧姆厘米）衬底的硅太阳能电池效率的提高更为明显。太阳能电池的转换效率可达15%-20%左右。253.2晶硅太阳能电池技术的发展3.2.1早期的硅太阳能电池1941年，首个基于“生长结”的光伏器件被报道，如下图a所示。分析认为这种电池效率小于1%。261952年，Kingsbury提出了一种更好的控制结形成的方法。（图b）1954年，贝尔实验室采用锂扩散成结，转换效率为4.5%。3.2.2传统的空间电池主要特点包括：①用10Ω*cm的P型硅衬底来获得最大的抗辐射能力。②使用40Ω/方块电阻，0.5μm结深的扩散，防止在上电极金属化工程中引起的pn结漏电。27后期：添加钯中间层，提高防潮性；镀SIO减反射；制作铝背场。3.2.3背面场Cumerow首次把Shockley的扩散理论应用到光电能量转换器件之中，论述了少数载流子的反射边界条件并强调了减薄电池的重要性。28Wolf随后论述了内电场对电池电流收集能力的影响，以及可由梯度掺杂产生内电场等概念。20世纪70年代初，铝背场的优势逐渐被发掘。铝背场在提高开路电压、短路电流以及转换效率方面都有着积极的作用。3.2.3背面场如果太阳电池的厚度超过100um，由于背表面的复合作用不明显，因而没有必要利用BSF结构，但对于薄膜电池，BSF效果就非常明显了。293.3.4紫电池紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面（受光面）由于载流子的复合而使效率减小的电池。30紫电池采用很浅的扩散结，避免“死层”的形成3.3.4紫电池紫外光电池的浅结也会带来两个新问题：采用浅结会提高表面薄层扩散电阻R，必然使电池的串联电阻Rs增大，加大功率损失。所以用“密栅”措施进行补救。应选择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合，才能有效地提高短波光谱响应。例如：用SiO2膜作减反膜，则它对0.4μm以下波长的光有较大的吸收，而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。若改用Ta2O5膜或用ZnS/MgF双层减反膜，都可以得到较好的结果因而与常规电池相比，紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层”薄的特征（如前图(b)所示），这种电池对短波长的光有特别高的灵敏度。313.3.5黑体电池表面制绒，形成类似金字塔结构，降低表面反射率。①光在金字塔表面向下方反射，增加一次光被吸收的机会②光程增大。③更多的捕获光。323.3.5黑体电池333.3.6钝化钝化工艺是制造高效太阳电池的一个非常重要的步骤。没有进行钝化的太阳电池，光生载流子运动到一些高复合区域后，如表面和电极接触处，很快就被复合掉，从而严重影响电池的性能。采取一些措施对这些区域进行钝化后可以有效地减弱这些复合，提高电池效率。一般来说，高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。343.3.6钝化钝化技术-体内钝化方案将杂质移动到无害位置（铝背场、发射区）用氢钝化悬挂键，这些悬挂键位于晶粒边界、位错附近353.3.6钝化钝化技术-体内钝化方案363.3.6钝化钝化技术-表面钝化表面钝化，对裸露于太阳光照下的单晶硅太阳电池的表面，重要性不言而喻。采用热氧化工艺，可很方便得到所需的表面钝化结果。但SiO2的折射率过低，很难同时满足高效电池有效减反和表面钝化的双重作用的要求。以热氧化方式钝化，氧化层必须很薄（几个nm)。热氧化生长的氧化硅作为表面钝化层。373.3.6钝化表面钝化——电极区域钝化电极和半导体表面接触区域都是高复合区，如果电极处电子运动完全畅通，则电池性能最优，有三种技术：1.在电极区形成一个重掺杂区域将少子和电极区域隔离开来而达到钝化结果，目前绝大多数高效电池都采用这种设计。2.尽可能缩小电极区来降低电极的影响，目前绝大多数的高效电