多晶太阳能电池发射极优化机理及电性能研究-俞健-电子科技大学.pdf

摘 要 I 摘 要 本论文围绕太阳能电池的电性能参数展开，主要研究发射极优化对太阳能电 池电性能的影响。结合目前太阳能电池的产业化发展，研究扩散发射极的优化、 NAOS 法去死层发射极表面的二次清洗和优化，通过 I-V 特征曲线、方块电阻、少 子寿命、电致发光 EL、内量子效率 IQE 的测试对太阳能电池的电性能、发射极性 能、光谱响应进行表征和分析，并就发射极优化的机理及其对太阳能电池电性能 参数的影响作了阐述。 利用 PC1D 软件 ， 仿真了太阳能电池的性能与发射极掺杂浓度、结深、前表 面复合速率、方块电阻、少子寿命的之间关系 ， 探寻 电性能的改善 方向。 通过中 心温度、趋入时间、通源量的实验，分析了影响发射极方块电阻的因素，并通过 双面扩散、对比不同发射极方块 电阻 、改善常规扩散工艺来优化发射极。 IQE 测试 表明，双面扩散能改善太阳能电池长波段的光谱响应，提高短路电流； EL 和 I-V 电性能测试显示，随着发射极方 块电阻的提高，太阳能电池的转换效率呈现先升 高后降低的趋势，说明存在一个工艺上方块电阻的最优值。而通过低温磷扩散工 艺，发射极的均匀性显著提高，较长的趋入时间又能提高扩散吸杂效果，电性能 进一步改善。 通过 NAOS 法去死层工艺，对扩散发射极表面进行了进一步优化，达到降低 发射极表面磷浓度和二次清洗的作用。 I-V 电性能测试表明， NAOS 法去死层能显 著改善太阳能电池的短路电流，提高转换效率； EL 测试和 IQE 测试显示， NAOS 法去死层后，太阳能电池短波段的光谱响应有了明显地提高，促进了短路电流的 提高。 最后，采用优化后的 工艺进行了太阳能电池约 500 片的小规模量产，获得了 16.65的转换效率，并通过电性能数据的统计学分析验证了电性能参数间的相互 影响。 关键词 太阳能电池；发射极；方块电阻； NAOS 法；电性能 ABSTRACT II ABSTRACT The electrical properties of solar cells were focused and its influence while optimizing emitter was mainly studied. Combining with the industrialization development of solar cells, the optimization of emitter fabrication by phosphorus diffusion and the secondary cleaning and optimization of the emitter surface by NAOS Nitric Acid Oxidation of Silicon method were researched. I-V characteristics, emitter sheet resistance, minority carrier lifetime, EL Electro-Luminescence and IQE Internal Quantum Efficiency performance were tested to characterize and analysis the electrical properties, emitter performance and spectral response of solar cells. Besides, the mechanism of optimizing emitter and its influence to the electrical properties of solar cells were also expounded. By using of PC1D software, the relationship between the performance of solar cells and doping density of emitter, junction depth, FSRV Front Surface Recombination Velocity, sheet resistance, minority carrier lifetime were simulated, which shows the method to improve the electrical properties. The emitter was optimized by means of DSD Double Sides Diffusion, comparing different emitter sheet resistance, improving conventional diffusion process after analyzing the influencing factor of emitter sheet resistance when changing diffusion temperature, redistribution time and the amount of phosphorus source. IQE test shows DSD can increase short circuit current by enhancing the spectral response of solar cells at long wavelengths; EL and I-V characteristics test display that the conversion efficiency of solar cells increase at first and then decrease along with the increasing of emitter sheet resistance which indicates it may exist a optimum value during the technological process. Applying lower diffusion temperatures for a longer duration results in significantly enhanced uniformity of emitter sheet resistance and higher gettering efficiency, which leads to higher conversion efficiency. With the purpose of lowering doping density of emitter and secondary cleaning, NAOS method was used for the farther optimization of the emitter surface. I-V characteristics test demonstrates remarkable improvement on short circuit current and conversion efficiency; EL and IQE results reveal that NAOS method enhances the ABSTRACT III spectral response of solar cells obviously at short wavelengths which promotes short circuit current. Finally, the conversion efficiency exceeded 16.65 were obtained when applying the technological process of solar cells after optimization with a mass production of about 500PCS. Besides, the interrelationship of electrical properties was verified by the statistical analysis of electrical properties data. Keywords solar cells; emitter; sheet resistance; NAOS; electrical properties 目 录 IV 目 录 第一章 绪论 1 1.1 引言 . 1 1.2 太阳能电池简介 . 2 1.2.1 太阳能电池的发展历程 . 2 1.2.2 太阳能电池的分类 . 3 1.2.3 晶硅太阳能电池产业化发展趋势 . 5 1.3 太阳能电池的基本 原理及性能 . 7 1.3.1 太阳能电池的基本原理 . 7 1.3.2 太阳能电池的器件结构 . 8 1.3.3 太阳能电池的电学模型 . 9 1.3.4 太阳能电池的电性能参数 11 1.4 多晶太阳能电池的发射极研究进展 . 13 1.4.1 不同方法制备发射极 . 13 1.4.2 选择性发射极 . 14 1.4.3 扩散吸杂 . 14 1.4.4 发射极钝化 . 15 1.5 本论文的研究内容和研究意义 . 15 第二章 多晶太阳能电池的制备 与测试 17 2.1 多晶太阳能电池的制备工艺及常用设备 . 17 2.1.1 多晶槽式制绒 . 17 2.1.2 扩散制备发射极 . 18 2.1.3 等离子刻蚀去边 . 18 2.1.4 磷硅玻璃清洗 . 19 2.1.5 制备氮化硅 减反膜 . 19 2.1.6 丝网印刷电极 . 19 2.1.7 烧结 形成欧姆接触 . 19 2.2 电性能测试 系统 . 20 2.3 论文中的其他测试手段 . 21 目 录 V 2.3.1 四探针方块电阻测试 . 21 2.3.2 少子寿命测试 . 22 2.3.3 太阳能电池电致发光测试 . 23 2.3.4 内量子效率测试 . 24 2.4 本论文的方案设计 . 24 第三章 多晶太阳能电池扩散发射极优化 26 3.1 扩散制备发射极的原理 . 26 3.1.1 扩散的机制 . 26 3.1.2 多晶太阳能电池的磷扩散工艺 . 27 3.1.3 多晶太阳能电池的磷扩散机理 . 27 3.2 发射极的 PC1D 仿真 . 29 3.3 发射极方块电阻的影响机理 . 33 3.3.1 趋入时间对扩散方阻的影响 . 34 3.3.2 中心温度对扩散方阻的影响 . 35 3.3.3 通源量对扩散方阻的影响 . 38 3.4 单面、双面扩散制备发射极 . 39 3.4.1 单面、双面扩散对少子寿命的影响 . 39 3.4.2 单面、双面扩散对电性能的影响 . 40 3.5 发射极方块电阻对 电性能的影响 . 43 3.5.1 不同方阻对少子寿命的影响 . 43 3.5.2 不同发射极方块电 阻的电性能 . 44 3.6 不同扩散发射极制备工艺及其电性能 . 48 3.6.1 不同扩散发射极制备工艺 . 48 3.6.2 不同发射极制备工 艺均匀性分析 . 50 3.6.3 不同发射极制备工艺电性能分析 . 51 3.7 本章小结 . 54 第四章 多晶太阳能电池湿化学法发射极优化 55 4.1 湿化学法优化发射极的原理 . 55 4.1.1 死层的产生 . 55 4.1.2 湿化学法优化发射极的工艺原理 . 56 4.2 湿化学 法去死层 . 57 4.2.1 湿化学 法对方块电阻的影响 . 57 目 录 VI 4.2.2 湿化学 法去死层电性能分析 . 59 4.3 发射极优化后的效率 . 62 4.4 本章小结 . 64 第五章 结论 与展望 65 致 谢 66 参考文献 67 攻读硕士期间取得的研究成果 72 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 随着社会经济的发展，对能源的需求 不断增 加 ，有限的传统燃料能源正在一 天天减少， 且在燃烧过程中对全球气候和环境造成了重大影响。 能源和生态环境 的双重危机迫使各国大力推动 新能源和 可再生能源的发展，希望 其 能够改变人类 的能源结构，维持长远的可持续发展。 作为 21 世纪最重要的 能源 ， 太阳能资源总量相当于 人类 现在所利用的能源的 一万多倍 ，且 具有安全、无污染、资源永不枯竭等特点，越来越多的国家开始实 行 “ 阳光计划 ”，开发太阳能资源。 1973 年，美国制定了政府级的阳光发电计划， 1980 年又正式将光伏发电列入 公共电力规划，累计投入达 8 亿多美元 [1]。 90 年代以来，联合国召开了一系列高 峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划，推动全球太阳能的开发利用。美国政 府颁布了新的光伏发电计划，日本推出了“新阳光计划”，德国、意大利等欧洲国 家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划，使太阳能应用，特别是太阳 能光伏发电获得了高速发展。世界光伏产业在过去 10 多年创造了年均 40以上 增长率 的发展奇迹，光伏产量从 2004 年首次突破 1GW，到 2009 年已超过 10GW， 再到 2011 年超过 20GW，光伏市场空前火爆。 为了推动能源结构的调整，我国政府也制定了一系列的方针、政 策，支持光 伏行业的发展。然而， 中国光伏产业一直以来就存在着两头在外的问题 即高纯 硅材料严重短缺 ，主要靠进口 ； 及主要市场 在国外。此外，光伏电池技术研究及 产业化水平与国外存在差距 ， 光伏设备制造水平落后 ， 关键设备几乎全部进口 ， 发电成本较高 [2]。我国主要光伏电池如单晶硅和多晶硅电池，实验室转换效率比世 界先进水平 约 低 4 个百分点，商业化电池转换效率低 1-2 个百分点。 而随着 近几年 光伏行业 的快速扩张，国内太阳 能电池产能 迅速膨胀， 忽略了 技术能力方面的不足。据保守估计，截止 2011 年，国内光伏企业的产能达到 30GW， 超过了 2011 年全球光伏发电安装总量；另 一方面，受欧债危机的影响，以德国、 意大利为代表的全球最大光伏应用市场 欧洲在不断下调补贴力度 ， 造成了市场 上供过于求的局面 。从 2011 年下半年开始， 光伏组件的价格直线下降， 光伏行业 电子科技大学硕士学位论文 2 的利润率降到了历史低点，大量 企业处于停产半停产状态 ，光伏 行业的重新洗牌 不可避免。 据 计算 表明， 电池片每提高 1的效率，成本就会降低 6-8。因此，强化技 术能力、提高转换效率、降低成本是我国光伏企业发展的必由之路。 在 2011 年 Intersolar 展会上，晶澳太阳能展示了其最新的 Secium赛秀 及 Maple太阳能技术 ， 使单晶硅太阳能电池效率高达 19.2％，多晶硅电池效率也可以达到 18.2％。苏州 阿特斯太阳能亦展出 了采用 Elps 专利技术的新型光伏电池，使单晶硅电池光电转 换效率达到了 19.5，多晶硅电池达到 18。 而 在 2011 国际太阳能产业及光伏工 程 上海 展览会暨论坛 ‖上，英利联手荷兰能源研究中心 ECN推出中国首款 能够双 面发电的 熊猫 ‖N 型硅高效太阳 能 电池组件系列产品 ， 其规模化生产的电池转换效 率达 18.7， 实验室转换效率达 19.89。 不过，以上高效太阳能电池或是尚未大规模量产，或是 对硅料有严格要求 采 用 N 型硅，高纯硅料或类单晶 ， 总体成本较高， 行业内还无法进行大规模应用。 而 目前常规工艺规模化生产 的 多晶太阳能电池 的 转换效率 在 16.5-17左右，单 晶太阳能电池 的 转换效率 在 17.5-18左右 。其他高效规模化生产的晶硅太阳能 电池 单晶转换效率 18.5以上，多晶转换效率 17.5以上 均在常规工艺基础上对 电池的结构、硅料、发射极等进行了改善。 因此，积极探索太阳能电池制备的新技术，优化太阳能电池结构，采用新工 艺、新设备改良现有制备技术，以提高电池的转换效率和电性能参数，是目前太 阳能电池研究的重点和难点，也是其今后的发展方向。 1.2 太阳能电池简介 1.2.1 太阳能电池的发展历程 光伏技术 的发展源于 1839 年法国科学家 A.E.Becquerel 的 意外发现， 他 用两片 金属 电极 浸入溶液 中，在 受到阳光照射时 ，所 构成的伏打电池 产生 了 额外的电 动 势 [3]，称 之 为光生伏打效应； 1873 年 ， 英国科学家 W.B.Smith 发现 硒材料 具有光 敏感特性，光照情况 下硒 的 导电能力 随 光通量 的增加而增强 ； 1883 年 ， C.Fritts 描 述了第一块硒太阳能电池的原理 [4]，并研究 出 了 以硒 材料 为基础的光伏电池。 到了 1904 年，爱因斯坦提出了著名的光电效应理论，为太阳能电池的发展提供了更多 的理论支持。 第一章 绪论 3 研究初期，由于研究条件、工艺技术 落后 等原因，光伏电池的发展缓慢。直 到 20 世纪 50 年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破 1954 年美国贝 尔实验室研制出实用型 PN 结 单晶硅电池 ，转换效率达到 6％ [5]； 1955 年以色列的 Tabor 提出 选择性吸收表面 的 概念和理论 [6]，选择性太阳吸收涂层 的成功研制 为太 阳能的 应用 奠定了技术基础。 20 世纪六、七十年代，光伏电池的研究重点主要在提高 转换效率、增强 抗辐 射能力 方面，并逐步实现应用。 1960 年， 霍夫曼电子 实现单晶硅电池效率达到 14， 并通过用网栅电极来 降低 串联电阻 ； 1963 年，夏普公司成功研制出可实际应用的 光伏组件，大大 推动了光伏电池的 应用；到 1978 年， NASA 研制的光伏系统的功 率 达到了 3.8KW。之后，由于能源危机 和环境问题 的日趋严重 ，迫使各国大力推 动可再生能源的发展，太阳能电池成为研究的热点 ， 并取得 了一系列成果 。 1985 年， 澳大利亚新南威尔士大学 的 Martin Green 研制 出的单晶硅 太阳能电池效率达到 20[7]，其 高效单晶硅太阳能电池 效率更保持着 24.7的世界纪录 [8]，多晶 电池的 效率 亦突破 19.8[9]。 薄膜太阳 能 电池的研究也不断推进，主要集中在非晶硅薄膜 太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池上。 其中，非晶硅单结薄膜太阳能电池实验 室稳 定转换效率已突破 13[10]， CdTe 太阳能电池转换效率达到 16.5[11]， CIGS 太阳能电池转换效率 18.4[12]。 进入 21 世纪，各种 新型高效率太阳能电池层出不穷， 叠层光伏电池 Tandem cells、 硅量子点太阳能电池、 多能带光伏电池 Multiband cells、冲击离子化光伏 电池 Ion-impacting cells等等的研究为太阳能电池 的第三代发展，转换 效率的进一 步提高做出了贡献 ，并有望在不远的将来实现应用。 1.2.2 太阳能电池的分类 如 图 1-1 所示，按材料分，可以将太阳能电池 分成硅系太阳能电池、化合物薄 膜太阳能电池及其他新型高效太阳能电池三大类。表 1 是标准测试条件下 AM1.5， 辐照强度 1000W/cm2，温度 25℃ 报道的各类典型的太阳能电 池的最高效率。 结合表 1， 相对于硅系太阳能电池，化合物薄膜太阳能电池虽然转换效率较高， 成本较低， 但容易对环境造成污染，镉、砷等有剧毒，且铟、硒都是 比较稀有的 元素，材料来源有限，不可能占主导地位；新型的太阳能电池如有机太阳能电池， 虽然 其材料来源广、柔性好、成本低，但研究刚开始，转换效率和使用寿命都无 法和晶硅 太阳能电池相 比。 异质结太阳能电池具有较高的转换效率，但是由于专 电子科技大学硕士学位论文 4 利技术的原因， 尚 无法实现大范围商业应用。 图 1-1 太阳能电池的分类 表 1 不同类型太阳能电池的转换效率 [13,14] 类型 转换效 率 面积cm2 UocV IscmA/cm2 FF 硅系 单晶硅 24.70.5 4 0.706 42.2 82.8 多晶硅 20.30.5 1.002 0.664 37.7 80.9 硅基薄膜 16.60.4 4.017 0.645 32.8 78.2 非晶硅薄膜 9.50.3 1.07 0.859 17.5 63 硅纳米晶薄膜 10.10.2 1.199 0.539 24.4 76.6 化合物 薄膜 CIGS 18.40.5 1.04 0.669 35.7 77 CdTe 16.50.5 1.132 0.845 26.7 75.5 GaAs薄膜 24.50.5 1.002 1.029 28.8 82.5 其他新 型电池 染料敏化 10.40.3 1.004 0.729 21.8 65.2 有机高分子 3.00.1 1.001 0.538 9.68 52.4 GaInP/GaAs 30.3 4 2.488 14.22 85.6 GaInP/GaAs/Ge 32.01.5 3.989 2.622 14.37 85 GaAs/CIS 25.81.3 4 a-Si/Si异质结 21.3 100 0.717 38.6 77 根据产业化对太阳能电池的一般要求 1半导体材料的禁带不能太宽； 2要 有较高的光电转换效率； 3材料本身对环境不造成污染； 4材料便于工业化生产 且材料性能稳定 。因此， 硅系太阳能电池是目前较为理想的产业化太阳能电池， 第一章 绪论 5 这其中又以单晶硅和多晶硅太阳能电池最为成熟。 目前， 多晶太阳能电池 的规模化 转换效率 在 16.5-17左右，单晶太阳能电 池 约 转换效率 17.5-18左右，但 单晶 硅材料的价格较高，一般贵 15以上；非 晶硅薄膜太阳能电池虽然成本 较 低，但对电池长波段不敏感，转换效率也较低 10 左右 ，且有光致衰退效应 ；各种新型高效太阳能 电池还无法进行 规模化生产； 故 晶硅太阳能电池 特别是 多晶太阳能电池 是目前产业化太阳能电池的首选。 1.2.3 晶硅太阳能电池产业化发展趋势 晶硅太阳能电池在目前的产业化生产中占据着主导地位，转换效率较高、工 艺较为成熟，但生产成本还无法实现光伏发电的“平价上网”要求。此外，光致 衰减等也制约着晶硅太阳能电池的进一步发展。因此，研发新结构、采用新技术 是晶硅太阳能电池产业化发展的必由之路。可望在近年规模化应用的主要如下 一、 N 型太阳能电池 N 型太阳能电池 是基于 预掺杂磷的 N 型硅片制成的 [15]图 1-2a。相比常规 P 型 电池， N 型电池具有少子寿命高，光致衰减小，转换效率高等优点 [16]，具有较 为广阔的发展空间。目前，英利的熊猫电池就是基于 N 型硅片制备的 图 1-2b， 能够双面发电，其规模化生产的转换效率达 18.7，实验室转换效率达 19.89。 图 1-2 N 型太阳能电池 a N 型太阳能电池 的结构 b N 型双面电池 二、 异质结 太阳能电池 硅异质结通过在晶硅片上沉积无定形硅薄膜，在硅片和 P 型掺杂薄膜间引入 一层缓冲层 ， 能 产生电荷分离场 [17]，有效提高钝化、开压及效率。如图 1-3 所示 HIT 电池， 在 织构化的 N 型层 上面沉积本征及 P 型无定形硅层，在背面沉积本征 电子科技大学硕士学位论文 6 及 N 型无定形硅层，并在两面沉积 TCO透明导电薄膜 。日本 三洋 公司 [18]在 100um 厚的硅片上实现了 21.3的效率，除去光学阴影及吸收损失，效率可达 25，由于 其极好的表面钝化，开压可达 700mV。 图 1-4 HIT 太阳能电池 图 1-4 LIP 原理图 [21] 三、 光诱导电镀 技术 与常规电镀相比， 光诱导电镀技术 Light Induced Plating， LIP不需要与 正面 栅 线电极接触 [19]，而是利用光伏效应产生所需的电流 ，常被 用于高效大面积太阳能 电池的制备 。 LIP 技术分两步进行 [20]首先， 利用 丝印工艺在太阳能电池正面印刷金属电极 种子层；然后用 LIP 的方法处理电极，得到高受光面积、低串联电阻的太阳能电 池。如图 1-4 所示，在电镀时，将银棒浸入电镀液，与外电源正 极相连 ，电池浸入 银镀液后 背极 与外电源负极相连；则电池在 光照情况下 产生光生电流，银棒在电 势的驱动下产生银离子，沉积在正面金属电极的种子层上。 德国 RENA 公司 [22]在 单晶硅上结合 SE 和 LIP 技术实现了 18.6的转换效率。 四、 金属绕通 太阳能电池 金属绕通 Metal Wrap Through， MWT电池 [23,24]的结构如图 1-5 所示 ，在 光入 射面保留了部分 栅线用于收集光生电流， 通过激光打孔，正面栅线 与 电池 背面 的 主栅 相连 。 这种结构 减少了 正面的 阴影损失 ， 且位于背面的电极接触 容易 实现共 面拼装，能够 精简 组件的工艺 流程 ，降低 生产 成本。 此外， MWT 太阳能电池的前结与背结 可以通过金属化孔洞相连，容易实现双 结结构， 不仅能够提高光生载流子的 分离、收集 效率， 且 光生载流子被收集所需 的扩散距离 也大大缩短 ， 故 可 以 改善光谱响应， 提高 短路电流。 荷兰能源研究中 心 ECN[25]通过 MWT 技术在 160um 厚的 156 多晶硅片上实现了 17.6的转换效率 及 TUV 认证的 16.4的组件转换效率。 第一章 绪论 7 图 1-5 MWT 技术 电池 1.3 太阳能电池的基本原理及性能 1.3.1 太阳能电池的基本原理 当适当波长的光照射到非均匀半导体 如 PN 结 时，由于内建电场的作用 不加 外电场 ，半导体内部产生电动势 光生电压 ；若将 PN 结短路，则出 现光生电流。 这种由于内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。 晶硅太阳能电池就是利 用 PN 结的光伏效应来发电的。 通过扩散形成 PN 结后，由于载流子存在浓度差， P 型区中的多子 空穴 向 N 型区中扩散， N 型区中的多子 电子 向 P 型区中扩散，从而在 P 区和 N 区的交界 处产生空间电荷区，并形成一个由 N 区指向 P 区的内建电场。内建电场的存在又 产生载流子的定向运动 漂移运动 ，它阻止多子扩散，促进少子漂移；当扩散运动 和漂移运动达到动态平衡时， PN 结处于平衡态。 当入射光照射到太阳能电池表面时，入射光将进入 PN 结区，及太阳能电池内 部。若光子的能量 hf 等于或大于硅的禁带宽度 Eg硅的禁带宽度为 1.12eV时，由 于本征吸收，价带内的电子吸收足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空 的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子 -空穴对。 如图 1-6， PN 结光照前后的能带变化。由于 PN 结空间电荷区存在着较强的从 N 区指向 P 区的内建电场，光生载流子在该场的作用下各自向相反的方向运动 P 区的电子穿过 PN 结进入 N 区， N 区的空穴穿过 PN 结进入 P 区，形成了从 N 型 区到 P 型区的光生电流 IL，使 P 端电势升高， N 端电势降低，于是在 PN 结两端形 成了光生电动势。光生电动势的产生类似于在 PN 结两端加上了正向电压，使得内 建电场的强度降低，空间电荷区宽度变窄，势垒降低为 qVD-qV，导致载流子扩散 流大于漂移流，产生了电子从 N 区指向 P 区，以及空穴从 P 区指向 N 区的净扩散 流，从而产生了净的 P 区到 N 区的正向电流。此时若使太阳能电池与外电路连通， 电子科技大学硕士学位论文 8 就会产生电流，进行发电。 图 1-6 PN 结光照前后的能带示意图 [26] a 无光照 b有光照 1.3.2 太阳能电池的器件结构 如 图 1-7 所示，是 太阳能电池的主要结构 。 图 1-7 太阳能电池的结构 从下到上依次包括 1下电极，主要为铝背场和作为物理正极的背电极，铝 背场有一定的钝化效果，背电极的主要功能为引出电流； 2在铝背场与 P 型硅衬 底之间，有一个烧结融合区域 即铝硅合金层 ，往上就是 P 型基体，即预掺硼的基 区层； 3 P 型层上面是 N 型层，通过磷扩散方式获得； 4在 N 型层的上表面部分， 是凹凸不平的织构化处理层，它是 N 型层的一部分，而在织构化表面，有一层氮 第一章 绪论 9 化硅减反膜，以增加电池片对光的吸收； 5减反膜上是通过丝网印刷 、 烧结工艺 制得的正电极部分，主要功能是收集电子并导出电流。 1.3.3 太阳能电池的电学模型 通过对太阳能电池 原理和 结构的分析，其本质上是由一个大面积的 PN 结组成 经过扩散后的硅片便形成了 PN 结 ，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，形 成了空间电荷区。此时，可以将不受光照的太阳能电池看成是一个普通二极管， 一旦内建电场不够大而无法阻止电子和空穴的流动，则会产生电流。 在光照情况下，太阳能电池的空间电荷区 耗尽区 边缘的少子浓度分布为， N 区边界 ，少数载流子的浓度 2 /qV kTi n DnpeN 1-1 P 区边界 ，少数载流子的浓度 2 /qV kTi p AnneN 1-2 由式 1-1 和 1-2 可以看出，随 着 外加 电压 的增 加， 耗尽区边缘的少子浓度 呈 指 数 式增大 。经分析可知，少数载流子在 耗尽 区的 运动 以扩散 方式 为主。 在 N 型一边，空穴形成的扩散电流密度为 nhhdpJ qD dx 1-3 同理， P 型边电子扩散电流密度为 peednJ qD dx 1-4 耗尽区的电流可认为是由 N 型边和 P 型边扩散电流叠加组成的。结合式 1-1， 1-2 可得 0 /0 1 ep q V k Thnhe he q D nq D pJ J J eLL     1-5 故 可以得到理想二极管条件下，暗电流为 0 ex p 1qVII kT 1-6 22 0 h i e ih D e AqD n qD nIA L N L N 1-7 电子科技大学硕士学位论文 10 其中， I0 是饱和暗电流 即无光照情况下的漏电流 ， q 是电子的电荷 量 ， V 是 所施电压， k 是玻尔兹曼常数， T 是绝对温度， A 为二极管的面积 。 对于实际 的 二极管， 0 e x p 1qVII nKT 1-8 n 是理想因子，在 1-2 之间变动，并随着电流的减小而增加。如 图 1-8 所示为 太阳能电池的 I-V 特性曲线，与二极管的 I-V 曲线相似。在光照情况下， I-V 曲线 由第一象限下移到第四象限，故产生了正的功率输出，太阳能电池发电。 另一方面 ，太阳能电池在非理想情况下存在着寄生电阻，其中串联电阻示意 图如 图 1-9 所示，主要由基区体电阻， N 型层薄层电阻 即发射极方块电阻 ，栅线 电阻，金半接触电阻等组成。而并联电阻 是 由于 PN 结非理想性和结附近的杂质造 成的，引起结的局部短路，尤其是在电池边缘。 图 1-8 太阳能电池的 I-V 特性曲线 图 1-9 太阳能电池的串联电阻 [27] 故 光源稳定的情况下，用二极管 -寄生电阻模型对太阳能电池进行电路等效， 把太阳 能 电池看成稳定产生光电流 IL 的电流源，其等效电路图如 图 1-10 所示。 图 1-10 太阳能电池的等效电路 第一章 绪论 11 1.3.4 太阳能电池的电性能参数 当受到光照的情况下，太阳能电池内部激发出电子 -空穴对，被收集的载流子 就会产生一定大小的电流，即光生电流 IL。接上负载时，光生电流流经负载，并 在负载两端产生端压。此时， 0 e x p 1 LqVI I InKT   1-9 光照使 太阳能 电池的 I-V 曲线向下平移到第四象限 如 图 1-8 所示 ， 此时 电池 的能量就可以被获取。为方便讨论，将 I-V 特性曲线翻转，置于第一象限，如 图 1-12 所示。 图 1-11 太阳能电池 I-V 特性曲线 则 0 [e x p [ ] 1]L qVI I I nkT   1-10 当负载短路时，短路电流 IscIL 当负载断开时，开路电压 Voc 为 0ln 1 Loc InkTV qI 1-11 对于 I-V 曲线上的每一点，都可取该点上电流与电压的乘积来表征输出功率。 则存在最大功率点，在最大功率点， VmpI mp 达到最大值。即令 0d IVdV  1-12 得 电子科技大学硕士学位论文 12 l n 1 mpm p o c Vn k TVV n k Tq q   1-13 在 AM1.5 时，即光照强度为 1000W/m2 时，最大功率点的输出功率被称为太 阳能电池的峰值功率。 填充因子是衡量太阳能电池质量及串联电阻的参数，填充因子越接近 1，输出 特性曲线方形的程度越好，太阳能电池的质量就越好。 m p m p m p oc sc oc sc V I PFF V I V I 1-14 理想情况下， FF 只是开路电压 Voc 的函数， ln 0 .7 2 1oc oc oc vvFF v  1-15 voc 为归一化的 Voc，即 / ococ Vv nkT q 1-16 / o c scmp V I F FN cell P S S  其中， S 为硅片的面积 1-17 对于太阳能电池的其他电性能参数，是在 Voc 和 Isc 的基础上计算而得。考虑 旁路电流 shI ，则 0 [ e x p [ ] 1 ]ssL shq V IR V IRI I I n k T R    ，其中 LIR 1-18 当 RL 从 0 变化到无穷时，就可以根据上式画出太阳电池的负载特性曲线。 一般情况下， 1, 1,1 2DLI Rs nI R sh    1-19 当 V 趋于 0 时， 1 1 ssL L s c s h s h s h s h V I R R VVI I I IR R R R       1-20 具有良好的线性关系 ，则 1 0 shsh V I IR d I d V d V d I   1-21 第一章 绪论 13 因此，只要测量 V 趋于 0 附近 I-V 曲线的斜率即得 Rsh。 串联电阻的求法类似，当 V 趋于 Voc 时， 0 0sL q V IRII nkT 1-22 则可得， 0L ss