太阳能电池各电性能参数-草稿

太阳能电池各电性能参数的本质及工艺意义武宇涛电性能参数主要有： Voc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irev1,…电性能参数在生产过程中尤其是在实时的生产控制现场， 非常及时地反映了整个生产线生产工艺尤其是后道工序的动态变化情况， 为我们对产线的控制及生产设备工艺参数的实时调节起到了非常重要的参考作用。从可控性难易角度来说， Voc,Rs,Rsh,主要和原材料及生产工艺的本身特征相关， 与工艺现场的调控波动性关系不是特别紧密， 可称之为长程可控参数。而 Isc,FF, Irev1 与工艺现场的调控联系紧密，对各调控参数比较敏感，可称之为短程可控参数。当然我们最关心的是效率 Eff 。而 Eff 则是以上所有参数的综合表现。太阳能电池的理论基础建立在以下几个经典公式之上 ：Voc=(KT/q) × ln(Isc/Io+1) Voc= (KT/q) × ln(N aNd/ni2 ) 1 2FF=Pm/(Voc× Isc)=Vm× Im/ (Voc× Isc) 3 4Eff=Pm/(APin)=FF × Voc× Isc/APin=FF × Voc× Jsc/Pin 5 图 -1 太阳能电池的 I-V 曲线图 -2 太阳能电池等效电路从上面 5 式我们可以看到， 与效率直接相关的电性能参数主要有： FF， Voc, Isc 。 在生产中我们还比较关心暗电流情况：Irev1 ，由 1 式可以看出，它与 Voc 有比较紧密地联系（实际也是这样的） 。为了更好地说明各参数间的联系，这里先录用几组数据如下：表 -1 线别 Uoc Isc FF Rs Rsh EFFIrev>6>16%Isc>8.2Voc>620FF>78P156(71)0.618 8.2177.20.003818 16.11%0.17%78.73%56.2%33.1%1.3%P156(62)0.616 8.2176.60.004133 15.92%0.53%56.06%55.2%18.1%0.4%E-CELL(LY)0.627 7.2978.10.003129 14.68%1.23%40.03%20.3%69.8%65.8%以上 P156 均系 LDK 片源。1， Voc 由于光生电子 -空穴对在内建场的作用下分别被收集到耗尽层的两端，从而形成电势。所以我们认为 Voc 是内建电场即 PN结扫集电流的能力的直观表现。由上面公式 1 所反映， Voc 主要与电池片的参杂浓度 (Nd)相关。对于宽△ Eg 的电池材料，相对会有比较高的 Voc；但△Eg 过高，又会导致光吸收效率的迅速下降（主要是长波段响应降低） ，使 Isc 是降低 ,所以需要找到一个最佳掺杂深度值。另一方面，高参杂又会引入更多的复合中心， 使复合电流增加， 同样也降低了 Voc。 所以在没有引起复合电流增加或者其增量比较小的前提下，参杂浓度的提高对 Voc总是有益的。在上表所示的三种成品电池片中， P156的片子与 E-CELL片子 Voc有着显著的不同， 这显然是由于冶金级硅的杂质浓度过大导致的。 而对于 62 栅线和 71 栅线的电池片， 由于其总体参杂浓度并没有显著的改变， 所以其开压并没有显著差别。 从上表还可以看出 ,E-CELL 电池的 Isc 已经比比另两者有显著降低 ,我们可以认为对于 P156的正常多晶硅电池片其 Voc在 620mv左右达到了峰值。 另外通过对高 Voc 电池片（如 E-CELL ）进行 QE 扫描发现其长波长响应显著降低。在现在既定工艺背景下，在没有大的工艺改动下，对产线的技术参数调整对 Voc影响不会太大。 在生产中， 我们曾对各种能够调节的参数进行了大量的调整， 尤其是背电场和烧结温度参数方面，但结果总是很不理想，比如 P156 的 LDK 的片子其整体平均值变化范围也就是 618mv± 2mv左右。 基本上不可能达到像 E-CELL GP156那样整体平均 630mv的水平。可见， Voc 对后道工序的参数调节并不十分敏感。一句话，关于 Voc，这是电池片子本身质量素质及现定工艺所共同决定的 , 从整体的统计数据来看它是一个比较稳定的不易发生较大波动的工艺参数， 比如： 煜辉和洛阳以及 LDK各厂家的电池片都有各自明显的电性能特征，尤其表现在 Voc 和 Isc上。 所以 , 在日常的生产过程中 , 我们应该更多地关注其他比较容易波动且操控性更强的参数 , 比如 FF,Isc. 2， FF 如上面大名鼎鼎的太阳能电池的 I-V 曲线图 -1 所示， FF 的直观意义为上图中 矩形与曲线所围成面积之比。 它的本质意义如式 3所示 ,即输出的有用功与产生的总体功率之比 .它表现了电池片本身输出有用功的能力，也即其本身的内耗情况；对于高的 FF，电池片本身对所产生电能的消耗比例较小。而 Eff 如式所示 ,则是表现了电池片在吸收了一定太阳能量后能够输出有用功的能力 . 另外，此曲线的两边的斜率也直观地展现了 Rsh 与 Rs的大小，正如式 4 所示。所以在电性能参数中，我们认为， FF， Rsh,Rs这三个参数是紧密相连的一组。一般通过 Rs 和 Rsh我们来直观地判断 FF 的好坏。即 Rs和 Rsh主要影响 FF， 当然当他们性能很差时对 Voc和 Isc的影响也是很显著的。 如上表所示： 虽然 UMG 电池片的效率很低， 但是这并不妨碍它可以达到比正常电池片还要高很多的 FF。再对比单晶的情况，虽然单晶具有比多晶更高的效率，但也不影响它只具有和ECELL 相当的 FF。相对于 Voc,FF 更容易波动 ,且波动幅度有时也是很大的 .一般情况下 ,在工艺过程中对 FF 影响比较大比较直接的主要是印刷工艺 ,再具体地说主要是正面电极的印刷 ,而正面电极的印刷又是一个非常细致的工艺 ,影响其质量的参数及因素又是相当多 (相对于前道各工序来说 ),主要有印刷资料的选取 ,印刷网版的设计及印刷参数的调节 .由于前两项因素已经由工程师们设计选择好 ,所以对于工艺人员 ,主要的工作是保证印刷出高质量的图形及确保各项参数在工艺范围内可控 . 另外 FF 对烧结的调节不是很敏感 .而通常当 FF 较低时 ,我们也并不太多地怀疑烧结是否匹配 . 正常情况下， FF 的降低表明电池片本身的内耗或漏电的增加，而这也必然会在 Rs 或 Rsh 上反映出来。 但是，我们也确实遇到了这样的情况 :印刷图形堪称完美 ,基本上没有虚印 ,栅线高度也正常 ,Rs及 Rsh 也都正常 ,而 FF 就是比平常低了将近 0.5 左右 !其原因到目前仍然不是很清楚 . 2.1Rs 硅太阳能电池等效串联电阻会影响其正向伏安特性和短路电流，而对开路电压没有影响，当然，对 FF 也有很大影响，当串联电阻取不同值时太阳能电池的 I-V 特性如下图 -4 所示 [11]: 串联电阻变化时太阳能电池的 I-V 特性曲线太阳能电池的串联电阻由以下四部分组成：Rs=Rb+Rd+Rc+Rm Rb 为基体材料本身的体电阻； Rd 为太阳能电池扩散层的薄层电阻，也可以理解为电池表面细栅线两旁的横向电阻； Rc 为金属半导体的接触电阻； Rm 为电极材料电阻。 Rm、 Rd 可以统一看为发射区电阻， Rc、 Rb 可以统一看为基区电阻。良好的电极材料、图形和制备工艺可以减小薄层电阻对 Rs 的影响及减小 Rc、 Rm 的大小。一般来说我们希望 Rs 越小好好。从上表数据右以看出 ,采用新网版工艺的电池片比之前的电池片 Rs 有了一定的改善 ,但不是很大 ,不过毕竟有了改善。 由于采用了密栅设计， 我们认为此改善主要来自于横向电阻的改善，当然，使用新浆料所带来的接触电阻的改善也是可以肯定地，但毕竟比较小。 另外， 相对于 E-CELL 电池片 ,前两者的 Rs 明显差很多 ,而 E-CELL 电池片 ,不论是体电阴率还是方块电阻都要比另外两者差很多。 由以上比较， 我们可以得出以下结论： 在组成串联电阻 Rs的四个因素中 ,它们对总体 Rs 的影响顺序依次为 :体电阻 Rb,接触电阻 Rc,横向电阻 Rd和电极电阻 Rm。Rs的改善对 FF 影响主要表现在：随着 Rs减小，电池片本身的内耗也随之减小，从而使 FF 得到提高。2.2Rsh Rsh 在 I-V 曲线图上的直观意义是当 V=0 时 ,I-V 曲线斜率的倒数的绝对值 ,如式 4 所示。而其本质是则是由于材料本身及生产工艺等原因造成的种种漏电通道。 所以 ,理论上讲我们希望其越大越好。由工艺过程引入的漏电通道主要有以下六种 : 1>Linear edge shunts2>Nonlinear edge shunts 3>Cracks and holes 4>Schotty-type shunts 5>Scratches 6>Aluminum shunts 由材料本身引入的漏电通道主要有以下三种 : 1>Strongly recombinative crystal defects 2>Inversion layer at precipitates 3>Macroscopic Si3N4 inclusions Rsh 是与 Io 紧密联系在一起的。实际上它们描述的是同一个现象：光生电流的非常规复合损失。只是 Rsh 具有更丰富的内涵及更直观的表现。在日常生产中 ,我们发现相对于 Rsh, Rs的调控性更好些 ,即 Rs对烧结及其他工艺参数比如印刷质量更敏感些。 更实际的情况是这样的： 在日常的工艺过程中， 对于 Rsh并没有十分明确的调节对象 （就像细栅线的高宽比一样） ，工艺人员往往束手无策。采用新栅线工艺（ 71 栅线）后 ,Voc,Isc,Rs只得到了些微的改善 ,FF 的改善比较明显。唯独 Rsh 下降了很多 ,说明由于采用新工艺 ,我们引入了更多的漏电通道 ,而这些漏电通道吞掉了很多本应由新工艺带来的电流改进。 由于我们的新工艺只是对 PECVD 以后的程序进行了改进，而正面电极栅线遮光面积前后并没有太大的变化，所以PECVD 工序的可能性最大，至少在目前看来是这样的。另外我个人认为跟正面电极浆料也有一定的关系：在没有使用 PV159 浆料之前我们的 Rsh 基本都是 50 以上，作到 100 也是常有的事，只是 UMG的电池片 Rsh 比较低，但即使这样，也比现在的要高很多。理论上， 往往我们都认为是 Rs和 Rsh共同表现了 FF 的优劣，而实际上只有 Rs更具体更充分地表现出了它的这个职能。3， Isc 理论上，描述电流的经典公式如式 4 所示 ;直观上， I-V 曲线如上图 -1 所示。 太阳能电池的一切根源则是由 PN 结所搜集的由光生伏特效应所产生的光生载流子，而载流子的聚集又产生稳定的电势Voc，从而行成太阳能电池工作的基本构架。我们在对太阳能电池的研究与生产中所作的努力绝大部分是间接地为了提高 Isc（直接地为了提高 Eff） 。如：表面织构化与淀积ARC 膜是为了提高光的吸收利用率从而从源头体高 Isc； 改进 PN 结深与参杂提高方块电阻， 采用细栅线等提高光生电流收集几率从而从过程中减少光生电流的损失间接提高 Isc；而采用各种更精细的工艺制程， 如各种不同的表面织构及正面电极则是为了能更细致更专业地从源头及过程中优化 Isc。我们可以将 Voc与 Isc并称为太阳能电池的两大最主要电性能参数，而转换效率 Eff 则是其优劣最直接的展现。一般来说，整个产线从制绒到丝网印刷的各个工序都可以对Isc 产生直接而显著的影响。而他们的影响方式不外乎两种：影响光的吸收效率或影响光生载流子的吸收几率。 而每道工序都有相应的工艺控制点，这些控制点也都体现了如上面所说的影响。如： 1，制绒工序的减薄量。它本质上反映的是表面织构化的质量， 即倒金字塔的几何结构包括其宽度和高度， 而正是这些参数直接地影响了光的吸收效率， 此工序对 Isc的影响主要体现在对光的吸收效率方面， 而此工序由于清洗不彻底或污染则在后续工序中影响载流子的收集几率。2，扩散工序的方块电阻及不均匀度。它们主要是用来描述扩散式 PN 结的质量， 本质上反映的是扩散杂质在 PN 结中的分布情况，包括杂质的总量， 杂质分布的深度和杂质分布的均匀度。 由于 PN 结是最主要的生成电子 -空穴对及收集电流的场所，所以方块电阻及不均匀度所影响的主要是载流子的收集几率。 这些都突出表现在我们对高方块电阻及小不均匀度电池的执著追求上。3,PECVD 工序的膜厚及折射率。氮化硅薄膜的重要作用主要体现在减反射和钝化上。 其减反射作用主要是提高电池对光的吸收效率，而其钝化作用主要是减少载流子的表面复合从而提高其收集几率。 实际上， 膜厚及折射率也正是从提高光的吸收效率的目地出发的，至于其钝化作用虽然也相当明显， 但我们也可以认为它是一个美丽的巧合。后面我们还会看到，在整个工艺过程中有很多 TRADE-OFF,而氮化硅膜是少有的将两种重要优点集于一身的制程。4，丝网印刷中背电场的湿重，正面电极的湿重及细栅线的高宽比。 如果说扩散工序制作的 pn 结的主要作用是产生电流， 那么丝网印刷则负责修建输出电流的线路， 显然， 运输质量与道路是紧密相关的。我们要做的是在运输过程中尽量高效地运输并减少无端的损耗。 对于铝背场湿重的控制主要是为了提高对载流子的收集几率， 同时它对提高开路电压也是很有效的。 对于正面点极湿重的控制主要是为了得倒优质的细栅线图形， 而优质的细栅线既能明显地提高电流的收集几率， 也能有效地降低本身的损耗 （低的串联电阻， 高的填充因子） ，对细栅线高宽比的追求同样是为了得倒优质的栅线。另外通过对网版的设计及浆料的选择， 我们已经大大地提高了电流的收集几率及运输效率，如表 -1 参数 FF 及 Rs 所示。总之，在丝网印刷中我们对各线参数的控制主要地是为了体高电流的收集及运输效率。5，烧结。这是完成电池片制作的最后的工序，而根据我们的经验，好的烧结条件对 Isc 及 Rs 的优化是相当明显的。显然，对烧结条件的控制是我们所能做的最后一件提高电流收集几率的努力。以上，我们从正个工艺进程说明了 Isc的重要性，并通过说明它与各道工艺参数的因果关系展示了其巨大的工艺窗口。 由于 Isc本身就对各工艺参数比较敏感， 在实际的生产过程中， 我们主要是通过调节印刷质量与烧结参数来更直接地把控 Isc。4， Eff 它直接地表明了其他所有电性能参数的综合水平。由式 5 所示， FF， Voc,Isc是影响 Eff 的最主要的参数， 而他们又分别被其他参数所影响， 所以基本上所有的电性能参数都能或大或小地影响 Eff，这也是 Eff 的波动范围非常广泛的原因。另外由于 Voc的差可控性，我们对 Eff 的调节也更多地落在了 FF 和 Isc 上。从长远来看，在扩散工序中对低不均匀度的高方块电阻的追求，以及丝网印刷工序中对更优质细栅线及电极浆料的追求为我们转换效率的提升提供了持续的动力。 在一个不是很短的时间内， 这两方面的改进将仍然是我们 Eff 提升的强劲动力。从短期来看，在我们目前的工艺过程中，下面几个问题的解决对Eff 的调升将会有重大的意义 :1> 方块电阻的不均匀度。我们能做出高的方块电阻，但要做出高均匀度的高方块电阻还具有一定的难度。2> 更优钝化效果的 PECVD 膜，我们一直采用新的 PE 后工艺，我们的效率也一直在提升，但我们的 Rsh 却一直在恶化。 也许 Rsh对 Eff 有另一种更重要的影响机制或它对 Eff的影响并不是很显著，但 Rsh 的恶化确实导致了更多的电流损失。3> 很多时候，我们能够做到很好的（正常的） Rs和 Rsh，而且印刷效果也很好， 但 FF 却仍然达不到常规的预期。 我认为这其中必有一种我们所不知道的机制在作用。个人初步认为， 因为 FF 体现的是电池片所输出的有效功与其所产生的总电能的比，所以很可能是除了 Rs 电阻发热消耗能量外，还存在另一种耗能机制。具体情况有待进一步研究。在长期的生产过程中我们可以发现，再很多情况下，各电性能参数的好坏与电池片本身的质量有十分紧密的联系， 一般各厂家的电池片都具有各自不同的电性能特征； 而工艺的调节可以做到在短期内排除多项因素。 这直接导致 Eff 被限制在一定的范围内， 而工艺技术人员大多时候也直接被局限在“维持” Eff 的稳定。结语：由于时间及认识的限制，以上内容难免纰漏，不当之处还望见谅， 并请斧正。 各位同仁还有补充及另有想法的敬请陈述， 分条列于下面空白处，以作交流，以作公司沉淀。