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SERIS is a research institute at the National University of Singapore NUS. SERIS is sponsored by the National University of Singapore NUS and Singapore ’ s National Research Foundation NRF through the Singapore Economic Development Board EDB工业硅晶电池短路电流的损耗机理和分析方法新加坡太阳能研究所 （ SERIS）Dr. Johnson WONG, Dr. Rolf Stangl, Lei MENG PV Characterisation, Silicon Materials and Cells Cluster 从理论上来说，晶体硅能够在标准太阳辐射光谱 AM1.5G （即大气质量 1.5G）下产生光生电流密度高达 46 mA/cm 2，但是目前最标准的工业晶体硅太阳能电池只能产生短路电流密度（ JSC）大约 35-36.5 mA/cm 2（多晶硅）和 36.5-38 mA/cm 2（单晶硅）。为什么所有的光子不能被充分利用而产生理论电流值哪些机理是造成这些电流损耗的根本原因如何才能改进制造工艺而将各种损耗降到最低在这篇文章中，我们将以工业晶体硅太阳能电池为例，简要分析它的各种电流损耗机理，并将它们量化 （这是传统技术无法直接测量的），以便更清楚地了解哪些损耗可以被最大可能地改进甚至避免，从而帮助业界在提高电池转换效率的同时将制造工艺的费用尽可能降到最低。如图 1 所示，太阳能电池的光谱吸收根据光的波长可以大致分成三个波段（ a）蓝色光（ 300-500 纳米），（ b）可见光（ 500-1000 纳米），和（ c）近红外光（ near-infrared）（ 1000-1200 纳米）。大多数的蓝色光在减反膜（ anti-reflection coating）和发射极（ emitter）中衰减，然而可见光在体内（ bulk）被吸收，同时近红外光在电池内部经过多次内部反射。因此，光生电流在很大程度上受波长的影响，对于标准工业制造的晶体硅片太阳能电池，它的电流损耗机理可以归类为八种类型（ 1）前表面金属遮蔽（ shading）（包括整个光谱在金属接触中的吸收和反射），（ 2）前表面减反膜的反射 ，（ 3）前表面光子逃逸（ front surface escape）（由于光在电池内部从背表面反射而从前表面离开），（ 4）蓝色光的损耗（包括在减反膜的吸收和收集损耗），（ 5） 可 见 光 收 集 损 耗 ， （ 6） 近 红 外 光 的 收 集 损 耗 ， （ 7） 近 红 外 光 寄 生 吸 收（ parasitic absorption），和（ 8）非均匀损耗。以标准工业制造的 p 型单晶硅（ mono-Si）太阳能电池为例，它们通常带有铝背接触背表面场（ back surface field ），它们电流损耗机理的量化分析如图 2 所示。图 1 300-500不同的吸光谱在金图 2 损耗为 8典型晶体硅太0 纳米 , b 可吸收程度决定金属接触中的标准工业制造8.2 mA/cm2。SERIS is sponsoreResearch太阳能电池的可见光 500-1定了其不同的的吸收和反射）造的 p 型单晶a research institud by the National h Foundation NRF的光谱吸收。在000 纳米 , 和电流损耗机理）造成的光的晶硅太阳能电ute at the National University of SingF through the Sin在这个例子中c 近红外光理。此外，图的损耗。电池的电流损耗l University of Singgapore NUS andngapore Economic中，光谱根据光 NIR 100图中还显示了耗（ mA/cm2）gapore NUS. SEd Singapore ’ s Natioc Development Bo据波长被分为三00-1200 纳米 d 由前表面）分析图表。ERIS is ional oard EDB三个波段 a。光在这三面金属遮蔽（包一片电池的a 蓝色光个波段中包括整个总计电流SERIS is a research institute at the National University of Singapore NUS. SERIS is sponsored by the National University of Singapore NUS and Singapore ’ s National Research Foundation NRF through the Singapore Economic Development Board EDB由此可见，对于例举的这个单晶硅太阳能电池而言，占主导地位的电流损耗机理是前表面金属遮蔽（ 2.76 mA/cm 2）和近红外光寄生吸收（ 2.81 mA/cm 2）。前者来自于目前的丝网印刷工艺，有 5-8 ％的金属覆盖在电池的前表面，后者源于不完善的电池内部背面反射，导致背表面吸收了大量的波长在 1000-1200 纳米范围内的光子。当然，想要以最大限度地减少这些损失，最终的解决方案应该是背接触（ interdigitated back contact, IBC ）太阳能电池。这种电池的设计将 n 型接触和 p 型接触全都制备在背表面而且采用一个比较理想的电介质反射器（ dielectric reflector ）在背表面，使前表面实现最大的受光面积并提高陷光作用（ light trapping effect ），这在很大程度上解释了为什么美国 SunPower公司生产的电池短路电流密度可以达到 40.5 mA/cm 2。与此同时，很多现今正在探讨的降低成本的解决方案，在不久的将来会逐渐减少以上列举的电流损耗机理。这些研究和开发工作不但致力于用模具（ stencil），喷墨（ inkjet）和电镀（ plating）金属化（ metallization）工艺代替丝网印刷，或者采用更精细的网格（ mesh）技术去减少金属线宽度，从而解决金属遮蔽的问题，同时还致力于开发背表面钝化技术从而取代传统的铝背接触背表面场（ Al-BSF ）或者制造更理想的平缓背表面太阳能电池来提高体内背表面反射，以便解决近红外光寄生吸收的问题。例如，局域背表面场（ Local BSF ）太阳能电池，通过在晶体硅和铝背接触之间增加一些电介质背表面钝化层，进而使电池内部背表面反射大大增强，这样只是单独从提高电池光学性能方面考量，短路电流密度就可以提高超过 0.5 mA/cm 2。同时，通过改进生产工艺，使铝背接触背表面场（ Al-BSF ）与多个平缓背表面结合来降低粗糙度，也将更巧妙地减少近红外光的吸收损耗。减反膜（ anti-reflection coating ）的反射和吸收，构成了另外两个重要的电流损耗机理。业界标准的氮化硅（ SiNx ）材料通常会被优化，以尽量减少在 675 纳米处的接近 AM 1.5G 光谱峰值的反射率，但是这种优化的减反膜在整个光谱下仍然有一定的前表面反射率，大约可以损失 0.7-2.5 mA/cm 2 的电流密度。减反膜的效用还与前表面绒面质量密切相关。例如，减反膜的反射在多晶硅太阳能电池中的电流损耗通常比在单晶硅电池中的损耗增加一倍以上，这是由于单晶硅电池前表面的金字塔绒面结构（ pyramidal texture）与多晶硅前表面的各向同性绒面结构（ iso-texture）相比，可以更便于优化光的吸收。这正是当前这两种类型的电池工艺能产生短路电流密度差的最主SERIS is a research institute at the National University of Singapore NUS. SERIS is sponsored by the National University of Singapore NUS and Singapore ’ s National Research Foundation NRF through the Singapore Economic Development Board EDB要原因。但是，这个短路电流密度差值在电池组件封装之后会大大减少，这是由于光在玻璃和空气界面的内部散射（ internal scattering）使之重新反射回电池前表面，从而提高了光子的被俘获（ capture）机率。除此之外，工业氮化硅材料在 300-500 纳米范围内有显著的光吸收，从而造成蓝色光的损耗。对于更高级的太阳能电池类型，如日本松下（ Panasonic）高效率本征薄层异质结（ heterojunction with intrinsic thin layer, HIT ）电池，该产品采用透明导电氧化物（ transparent conductive oxide, TCO）作为减反层，那么光吸收可能在整个光谱下都非常显著，因此这种电池工艺还需要认真研究和优化。最后，波长在 1000-1200 纳米范围内的光子，可以不经过强烈的衰减过程而穿过整个电池晶片，从而有机会从电池内部的背表面反射然后再从前表面逃离电池。这个过程造成的电流损耗机理被称为前表面光子逃逸（ front surface escape），这是衡量太阳能电池陷光能力的一个标准。到目前为止，综上所述的电流损耗机理都归因于光学特性的限制，这也关系到太阳能电池的光子收集和载流子产生的能力。在现实生活中，并不是所有的光生载流子都能被收集在 p-n 结，并转换成输出电流。相反，一些光生载流子经过体内（ bulk）和表面复合（ surface recombination）之后，会造成所谓的收集损耗（ collection loss ）。一般来说，太阳能电池在 p-n 结处具有最高的收集效率，这个收集效率会随着载流子的生成位置远离 p-n 结而逐渐变小。因此，最大的光生载流子收集损耗发生在整个光谱的两个波段，一个是在非常接近前表面处生成载流子的短波长光子，另一个是在晶片深处生成载流子的长波长光子。前者造成蓝色光损耗，而后者造成可见光和近红外光的收集损耗。总而言之，即使是一片质量很好的单晶硅太阳能电池，这些收集损耗的总合可以超过 1 mA/cm2。减反膜的非均匀性质 ，材料质量，以及整个硅晶片的工艺条件，都可以导致光的透射率（ transmittance）和扩散长度（ diffusion length ）的变化，从而造成一些电流损耗。这些变化可以通过光束诱生电流（ light beam induced current ）扫描和光致发光（ photoluminescence）成像测量技术观察到，然后这些测量数据经过仔细分析，可以用于系统地量化与非均匀性质相关的太阳能电池的电流损耗。到目前为止，各种电流损耗机理和它们的光谱依赖性的深入分析，不仅是为了研究电流损耗本身，它还可以揭示太阳能电池的重要结构和材料参数。例如，发射极SERIS is a research institute at the National University of Singapore NUS. SERIS is sponsored by the National University of Singapore NUS and Singapore ’ s National Research Foundation NRF through the Singapore Economic Development Board EDB（ emitter）的厚度，背表面的内部反射，少数载流子的寿命（ minority-carrier lifetime ）和 有 效 扩 散 长 度 （ effective diffusion length ） ， 以 及 表 面 复 合 速 度 （ surface recombination velocity ）等等。得到这些参数对于全面了解太阳能电池的性质非常有帮助，我们可以从中准确的判断电池功率损耗的主要原因，以及提出改善电池性能和生产工艺的有效方法。以上内容只是简要介绍了我们 SERIS关于电流损耗的分析方法，接下来我们将会与您深入讨论太阳能电池损耗的完整分析过程，这其中包括影响开路电压（ VOC）和填充因子（ FF）的损耗机制。在此期间，如果您想更多地了解关于您的太阳能电池的损耗，以及我们如何能够帮助您优化您的电池工艺，欢迎您用电邮联络我们 seris-pvcharnus.edu.sg。或者联系我们在中国的合作伙伴联系人马芳新加坡维信科技 上海测试实验室Email mary.maivt-solar.com Tel 021- 6886 3912 Hp 186 2116 5296Websit www.ivt-solar.com www.ivt-solar.cn地址上海市张江高科技园区，碧波路 250 号 2 号楼 1 楼， 邮编 201203