PAGE41背面點(diǎn)接觸晶體硅太陽電池的研究【摘要】進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本是太陽電池今后的發(fā)展方向。晶體硅太陽電池理論的效率限制在25%左右，為了使晶體硅太陽電池的效率向理論極限進(jìn)一步靠近，通常有幾種方法：提高電池表面與背面的鈍化效果；引入陷光結(jié)構(gòu)，增加陽光在電池內(nèi)的光程；通過減反射層降低表面對太陽光的反射；改進(jìn)發(fā)射極與基極的電極構(gòu)造，降低串聯(lián)電阻以及正面柵線遮光面積等等。若給常規(guī)太陽電池引入背反射器（rearmirror），一方面可以將入射到電池背面的陽光反射回電池，進(jìn)行二次吸收，提高電池對陽光的利用率，同時(shí)可以將晶體硅電池?zé)o法吸收的紅外光反射回大氣，避免電池升溫過快；另一方面可以對電池背面進(jìn)行鈍化，降低電池的表面態(tài)密度，從而減少載流子背面復(fù)合速率，提升電池的開路電壓與短路電流。由于背反射器一般為介質(zhì)層不導(dǎo)電，必須使背電極穿過介質(zhì)層與p型硅襯底接觸才能制作成電池。但是電極穿越介質(zhì)層面積不能太大否則會(huì)降低背反射器的作用。由此背面引入了規(guī)則分布的點(diǎn)電極。本文通過模擬軟件PC1D對背面點(diǎn)接觸晶體硅電池進(jìn)行了模擬，采用絲網(wǎng)印刷點(diǎn)電極制作了太陽電池與模擬結(jié)果進(jìn)行對比。首先，利用PC1D模擬了太陽電池背反射率對電池輸出參數(shù)的影響。發(fā)現(xiàn)在常規(guī)電池厚度（180μm）下，隨著背反射率的提高，太陽電池的表現(xiàn)變好，各項(xiàng)輸出參數(shù)有明顯提升。之后利用PC1D模擬了不同點(diǎn)電極圖樣對電池參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)電池轉(zhuǎn)換效率隨著面積比f的增大而增大。當(dāng)f增加到0.1時(shí)效率的提升趨于緩慢。當(dāng)f由0.3提升到0.9時(shí)電池效率僅僅提高了0.2%。其次，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作了常規(guī)太陽電池和背面點(diǎn)接觸太陽電池。對比發(fā)現(xiàn),相同制造工藝下背點(diǎn)接觸電池表現(xiàn)不如常規(guī)電池，效率的下降高于模擬結(jié)果。主要原因是通過燒結(jié)，電極用的Al未能和Si襯底形成良好的歐姆接觸，導(dǎo)致背點(diǎn)接觸電池串聯(lián)電阻大，并聯(lián)電阻小。電池制作工藝需要進(jìn)一步改善?！娟P(guān)鍵詞】：晶體硅太陽電池；背反射器；SiN；背面點(diǎn)接觸目錄摘要…………………I緒論…………1太陽電池的基本原理………11.1.1光的反射與折射………11.1.2半導(dǎo)體中的光吸收……………………11.1.3PN結(jié)中的光生伏特效應(yīng)………………1.1.4太陽電池基本參數(shù)……………………3高效晶體硅太陽電池的現(xiàn)狀………………6太陽電池背反射器的介紹…………………11背點(diǎn)接觸太陽電池的介紹…………………12背面點(diǎn)接觸晶體硅太陽電池的軟件模擬…………132.1模擬軟件PC1D的介紹……………………132.2背反射器的模擬…………132.3背面點(diǎn)接觸的模擬………19三、背面點(diǎn)接觸晶體硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)研究………………273.1太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………273.1.1背反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………273.1.2點(diǎn)電極的圖樣設(shè)計(jì)…………………293.2實(shí)驗(yàn)步驟……………………303.3電池性能測試與分析……………………32四、總結(jié)與展望……………………36參考文獻(xiàn)…………37第一章緒論太陽電池基本原理與半導(dǎo)體太陽電池相關(guān)的光電轉(zhuǎn)換大致包括三個(gè)物理過程:(1)光在空氣——半導(dǎo)體界面上的反射與折射;（2)光子激發(fā)產(chǎn)生電子——空穴對;(3)非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移，并被勢場分離[1]。1.1.1光的反射與折射一束單色光入射到半導(dǎo)體表面后，其中一部分將被反射，反射光與入射光強(qiáng)度之比稱反射系數(shù)R,其余部分透射入半導(dǎo)體內(nèi)。顯然，透射系數(shù)（1.1）對半導(dǎo)體這類光吸收材料，折射率可寫為（1.2）其中，n為普通折射率，k為消光系數(shù)，,n,k都是入射光波長的函數(shù)。當(dāng)光垂直入射到折射率和消光系數(shù)分別為n,k的介質(zhì)上時(shí)，反射系數(shù)與n,k的關(guān)系:（1.3）在硅太陽電池感興趣的波長范圍內(nèi)(300~1100nm)，由于n>3.5，相當(dāng)于R>30%。對非垂直入射情況，也有類似結(jié)果。1.1.2半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子受光子激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴。這一過程稱半導(dǎo)體的本征吸收過程。發(fā)生本征吸收的條件是光了能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度，即。因而不同半導(dǎo)體材料都存在各自的吸收限:（1.4）波長大于。的光則無法被吸收。對硅而言，這一吸收限。半導(dǎo)體內(nèi)亦存在其它形式的光吸收過程，如雜質(zhì)吸收、激子吸收、自由載流子吸收等等。對一般太陽電池而言，感興趣的主要是本征吸收。由于光吸收作用，射入半導(dǎo)體內(nèi)的光強(qiáng)隨射入深度而衰減。在dx距離內(nèi)被吸收的光強(qiáng)為。其中α定義為吸收系數(shù)。這樣在半導(dǎo)體內(nèi)深度為x處的光強(qiáng)與x=0處光強(qiáng)的關(guān)系為（1.5）吸收系數(shù)α與消光系數(shù)k有如下關(guān)系：（1.6）對于GaAs一類直接帶隙半導(dǎo)體而言，由于本征吸收過程不需聲子參與，因而吸收系數(shù)較大。而對Si一類間接帶隙半導(dǎo)體而言，其本征吸收過程一般需聲了參與，躍遷發(fā)生幾率較低，因而吸收系數(shù)也較小。1.1.3PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)圖1.1PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)當(dāng)p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，在p-n結(jié)處有一個(gè)耗盡區(qū)，其中存在著勢壘電場，該電場的方向由n區(qū)指向p區(qū)。如圖1.1（a)所示，電池被太陽照射時(shí)，能量大于或等于禁帶寬度的光子，穿過減反射膜進(jìn)入硅中。在n區(qū)、耗盡區(qū)、p區(qū)中激發(fā)出光生電子——空穴對。光生電子——空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被勢壘電場分離，光生電子被送進(jìn)n區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)p區(qū)。在n區(qū)中，光生電子——空穴對產(chǎn)生后，光生空穴(少子)便向p-n結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)p-n結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場作用，被電場力牽引做漂移運(yùn)動(dòng)，越過耗盡區(qū)進(jìn)入p區(qū)，光生電子(多子)則被留在n區(qū)。p區(qū)中的光生電子(少子)同樣的先因?yàn)閿U(kuò)散、后因?yàn)槠贫M(jìn)入n區(qū)，光生空穴(多子)留在p區(qū)。如此，在p-n結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動(dòng)勢如圖1.1（b)所示，這就是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光電池接上負(fù)載后，光電流從p區(qū)經(jīng)負(fù)載流至n區(qū)；負(fù)載中即得到功率輸出。當(dāng)外電路開路時(shí)，光生伏特電動(dòng)勢Vo即為光照射時(shí)的開路電壓。太陽能電池接上負(fù)載之后，則被結(jié)分開的光生載流子中就有一部分把能量消耗于降低p-n結(jié)勢壘，也即用于建立工作電壓，而剩余光生載流子則用于產(chǎn)生光生電流。1.1.4太陽電池基本參數(shù)太陽電池實(shí)際上就是一個(gè)大面積光電二極管，在陽光照射下可以產(chǎn)生直流電，其能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電路模型（圖1.2）來說明。圖中IL是入射光產(chǎn)生的恒流源的強(qiáng)度，恒流源來自太陽輻射所激發(fā)的過量載流子。Is是二極管飽和電流，RL是負(fù)載電阻。圖1.2太陽電池理想化等效電路模型其理想I-V特性為（1.7）式中q為電子電量，k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。一般太陽電池典型的I-V曲線見圖1.3。其中縱坐標(biāo)最大值為短路電流Isc，橫坐標(biāo)最大值為開路電壓Voc。除去這兩個(gè)，太陽電池的基本參數(shù)還有填充因子FF和電池效率Eta[2]。圖1.3一般太陽電池的I-V曲線短路電流當(dāng)太陽電池的輸出電壓為0，即外接電路短路時(shí)，流經(jīng)太陽電池體內(nèi)的電流為短路電流Isc。短路電流來自于電池對光生載流子的收集，對于理想太陽電池，短路電流就等于光生電流，所以短路電路的大小和以下幾個(gè)因素相關(guān)聯(lián)：（1）太陽電池的面積。通常在分析時(shí)利用短路電流密度概念Jsc，即單位面積上流過的電流，單位為A/cm2。（2）入射光強(qiáng)度及光譜分布。（3）太陽電池對光的吸收和反射。（4）電池對電子的收集能力。主要取決于表面鈍化效果及少子壽命。硅太陽電池在AM1.5光譜下的最高Jsc為46mA/cm2，實(shí)驗(yàn)室的電池能達(dá)到42mA/cm2，商業(yè)電池一般在28～35mA/cm2之間。開路電壓當(dāng)太陽電池外接電路開路時(shí)，課得到太陽電池的有效最大電壓，即開路電壓Voc。在開路狀態(tài)下，流經(jīng)太陽電池的凈電流為0。在上式中，令I(lǐng)=0，得到（1.8）上式說明Voc主要與以下兩個(gè)變量有關(guān)：（1）光生電流IL，但由圖1.3可以看出，IL的大小改變有限，所以其對Voc的影響較小。（2）飽和電流Is。Is和電池的復(fù)合機(jī)制有關(guān)。所以通常Voc可以用來檢測太陽電池的復(fù)合。填充因子Voc和Isc是太陽電池所能達(dá)到的最大電壓和電流值，但是，從I-V特性曲線上可以看出，此時(shí)的輸出功率為0。填充因子則表示最大功率點(diǎn)處功率與Voc·Isc的比值，見圖1.4。（1.9）圖1.4填充因子FF示意圖填充因子FF可以用來檢測I-V曲線的方正程度。太陽電池的電壓越高意味著FF就越大，相比之下一個(gè)較為圓滑的I-V曲線所占面積更小，使得FF相應(yīng)變小。要計(jì)算FF，一般有經(jīng)驗(yàn)公式：（1.10）其中voc定義為“歸一化Voc”：（1.11）轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率是太陽電池之間進(jìn)行相互比較的一個(gè)最常用的參數(shù)，其定義為電池自身輸出能量與從太陽處接受到能量的比值：（1.12）太陽電池的效率取決于入射光譜、光強(qiáng)和電池溫度，為了能客觀反映電池的表現(xiàn)，測試轉(zhuǎn)換效率的條件必須小心地控制。一般地面上的太陽電池測試條件為大氣質(zhì)量（AM）1.5，氣溫25℃。對于實(shí)際太陽電池，影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素一個(gè)是串聯(lián)電阻RS，主要包括正面金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻和電極電阻三部分；另外一個(gè)是并聯(lián)電阻RSH，主要原因是電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。由于光生電動(dòng)勢使p-n結(jié)正向偏置，因此存在一個(gè)流經(jīng)二極管的漏電流，該電流與光生電流的方向相反，會(huì)抵消部分光生電流，被稱為暗電流。高效晶體硅太陽電池的現(xiàn)狀由于常規(guī)太陽電池工藝簡單，成本較低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，因此目前市場上占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品仍然是常規(guī)絲網(wǎng)印刷單p-n結(jié)晶體硅太陽電池，占有率達(dá)80%以上。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.5。圖1.5常規(guī)晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)圖常規(guī)晶體硅太陽電池基本工藝如下[3]：通過化學(xué)腐蝕來消除由于切片造成的硅片表面的損傷，同是還可以制作絨面金字塔結(jié)構(gòu)，減少光反射。常用NaOH腐蝕硅片。以POCl3作為擴(kuò)散源在P型硅上擴(kuò)散。等離子體刻蝕掉邊緣p-n結(jié)防止短路。在氫氟酸溶液中溶解掉硅表面的磷硅玻璃。用PECVD技術(shù)在硅片表面沉積一層SiNx減反射膜，同時(shí)起到表面鈍化和體鈍化的效果。在太陽電池正面和背面分別印刷上電極以及Al背場，并經(jīng)過低溫烘烤和高溫?zé)Y(jié)，最終制成太陽電池。但是常規(guī)晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率在17%～18%左右，距離25%的效率極限依然有一段距離。為了進(jìn)一步提高電池效率，實(shí)驗(yàn)室以及市場上出現(xiàn)了一些新型高效晶體硅電池，現(xiàn)就這些高效晶體硅電池作一些概述。1.2.1刻槽埋柵電極單晶硅太陽電池因其埋柵電極的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使電極陰影面積由常規(guī)電池的10～15％下降至2～4％，短路電流可上升12％，同時(shí)槽內(nèi)采用重?cái)U(kuò)散，使金屬－硅界面的面積增大，接觸電阻降低，從而使填充因子提高10％[4]。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.6：圖1.6刻槽埋柵太陽電池結(jié)構(gòu)圖其基本工藝如下[3]：硅片清洗，表面制絨，去損傷層。對前表面進(jìn)行輕度擴(kuò)散制作n型硅。前表面沉積SiNx減反射膜。激光刻槽，形成柵線圖案。去除激光槽內(nèi)氧化物并清洗。對激光槽內(nèi)進(jìn)行高溫重?cái)U(kuò)散。背面蒸鍍一層Al，并熱處理形成背面高低結(jié)。在前背面制作電極。激光刻邊。埋柵電池具有高效的原因是[5]：（1）絨面、減反射膜和背面反射器的結(jié)合使陽光充分被利用；（2）柵指電極只占電池表面積2～4％，遮光率很小，提高短路電流密度；（3）柵指電極排列緊密減小發(fā)射極電阻；（4）淡磷擴(kuò)散避免形成“死層”，增加對短波的吸收；（5）埋柵電極處實(shí)行重?fù)诫s使接觸電阻降低，有利于歐姆接觸；（6）埋柵電極深入到硅襯底內(nèi)部增加對基區(qū)光生電子的收集；（7）濃磷擴(kuò)散降低濃磷區(qū)電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗，提高開路電壓。1.2.2HIT（HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）電池a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)電池已經(jīng)成為最有市場前景的太陽電池之一，目前許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在開展a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)電池的研究。Sanyo的HIT電池(結(jié)構(gòu)如圖1.7所示),實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到21.5%[6]。圖1.7HIT太陽電池結(jié)構(gòu)圖HIT電池制作過程大致如下[5]：利用PECVD在表面織構(gòu)化后的n型CZ-Si片（200μm，1Ωcm）的正面沉積很薄的本征α-Si:H層和p型α-Si:H，然后在硅片的背面沉積薄的本征α-Si:H層和n型α-Si:H層；利用濺射技術(shù)在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜（TCO），用絲網(wǎng)印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過程都是在低于200℃1.2.3IBC(Interdigitatedbackcontact)太陽電池IBC電池屬于背結(jié)電池，其p-n結(jié)位于電池背表面,發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極也相應(yīng)地位于電池背面（圖1.8）。電池選用n型襯底材料,前后表面均覆蓋一層熱氧化膜，以降低表面復(fù)合。利用光刻技術(shù),在電池背面分別進(jìn)行磷、硼局部擴(kuò)散,形成叉指狀交叉排列的p區(qū)、n區(qū),以及位于其上方的p+區(qū)、n+區(qū)[7]。IBC太陽電池由于前表面沒有電極遮擋，可吸收更多的光線，而且更能實(shí)現(xiàn)良好的表面鈍化，減少表面復(fù)合速率。圖1.8早期IBC太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖1.2.4EWT(Emitterwrapthrough)太陽電池EWT電池屬于前結(jié)電池，但與IBC電池一樣，發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極位于電池背面。其依靠電池中的無數(shù)導(dǎo)電小孔來收集載流子,并傳遞到背面的發(fā)射區(qū)電極上。導(dǎo)電孔的制作,早期主要采用光刻和濕法化學(xué)腐蝕法,目前最常用的是激光鉆孔?？變?nèi)進(jìn)行重磷擴(kuò)散以降低接觸電阻及接觸復(fù)合。FraunhoferISE采用SiO2鈍化及光刻技術(shù),在Fz-Si襯底上制作出效率為21.4%的EWT電池(6cm2),成為EWT電池的最高效率保持者[8]。EWT太陽電池結(jié)構(gòu)見圖1.9。圖1.9EWT太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖1.2.5PERL（Passivatedemitter，rearlocallydiffused）PERL電池是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)研究的高效電池。其一直保持著單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，高達(dá)24.7%[9]。其電池結(jié)構(gòu)如圖1.10所示：圖1.10PERL太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖PERL電池的制造工藝有如下優(yōu)點(diǎn)[5]：（1）正面采光面為倒金字塔結(jié)構(gòu)，結(jié)合背電極反射器，形成了優(yōu)異的光陷阱結(jié)構(gòu)；（2）在正面上蒸鍍了MgF2/ZnS雙層減反射膜，進(jìn)一步降低了表面反射；（3）正面與背面的氧化層均采用TCA工藝（三氯乙烯工藝）生長高質(zhì)量的氧化層，降低了表面復(fù)合；（4）為了和雙層減反射膜很好配合，正面氧化硅層要求很薄，但是隨著氧化層的減薄，電池的開路電壓和短路電流又會(huì)降低。為了解決這個(gè)矛盾，相對于以前的研究，增加了“alneal”工藝，即在正面的氧化層上蒸鍍鋁膜，然后在370℃的合成氣氛中退火30min，最后用磷酸腐蝕掉這層鋁膜。經(jīng)過“alneal”工藝后，載流子壽命和開路電壓都得到較大提高，而與正面氧化層的厚度關(guān)系不大。這種工藝的原理是，在一定溫度下，鋁和氧化物中OH-離子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了原子氫，在Si/SiO2的界面處對一些懸掛鍵進(jìn)行鈍化。（5太陽電池背反射器的介紹背反射器是在硅太陽電池背表面用金屬材料制作一個(gè)反射面，對透射過電池基體到達(dá)背表面的光線起一個(gè)反射作用。其目的有兩方面：（1）當(dāng)光線到達(dá)太陽電池以后，一部分被吸收，轉(zhuǎn)換為電能輸出，還有相當(dāng)一部分在電池厚度范圍內(nèi)不能被吸收，而透過電池被白白的浪費(fèi)掉了。因此在背面制作一個(gè)反射器，將到達(dá)背面的光線反射回電池內(nèi)，可以增加光線在電池中的光程，如圖1.11所示。這樣增加了光線在電池中的吸收，從而提高電池轉(zhuǎn)換效率。（2）光線透過率隨著波長的增加而增加，在到達(dá)電池背表面的光線中，又很大的一部分是紅外線，這種光線能量低，不能產(chǎn)生光生載流子，而是被電池的背接觸吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使電池溫度升高，造成開路電壓下降。如果有背反射器把紅外線反射回去，就可以減輕這一有害的影響[10]。圖1.11太陽電池陷光結(jié)構(gòu)因?yàn)榫w硅是間隙帶材料，光吸收系數(shù)小，太陽電池厚度減小時(shí)，由于透射光引起的損失隨著厚度的減小而增大,對于間接禁帶材料硅來說,這種損失比直接禁帶材料的大，但硅片減薄時(shí),怎樣保證光的吸收也是一個(gè)難題?？梢钥紤]在太陽背面設(shè)計(jì)發(fā)射器，將透射光反射回太陽電池內(nèi)部，進(jìn)行再吸收，從而提高光的吸收，達(dá)到提高太陽電池效率的目的。由于硅對于長波的吸收系數(shù)小，因而對厚度小的基片透射損失大。理論計(jì)算指出：背場電池最佳的基片厚度為一般來說，我國的P-Si太陽電池，電子擴(kuò)散長度Ln為120～250μm，或者更小，因此WP的最佳厚度為50～150μm[11]。背面點(diǎn)接觸太陽電池的介紹本文所研究的背面點(diǎn)接觸晶體硅電池源自于PERC（Passivatedemitterandrearcell）結(jié)構(gòu)（見圖1.12）。PERC相較于PERL太陽電池取消了背面定域摻雜，工藝上更簡單，但在輕摻雜的襯底上實(shí)現(xiàn)電極的歐姆接觸非常困難，這就限制了高效PERC電池襯底材料只能選用電阻率低于0.5Ωcm以下的硅材料。實(shí)驗(yàn)中將PERC的局部背接觸結(jié)構(gòu)移植到常規(guī)晶體硅太陽電池上，使背面電極接觸只占整個(gè)背表面的很小部分,其余部分則覆以鈍化層，鈍化層上印刷Al作為背反射面。常規(guī)晶體Si太陽電池采用“全Al背場”結(jié)構(gòu)。盡管這種結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn),但由于燒結(jié)形成的Al-Si合金背表面在減少復(fù)合和背反射效果方面的局限，限制了電池效率的進(jìn)一步提高。而背面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)在保持了背面場效應(yīng)的同時(shí)，減少了背面Al-Si接觸面積,使金屬與半導(dǎo)體界面的高復(fù)合速率區(qū)域大大減少,由于背面濃摻雜區(qū)域的大面積減少(一般濃區(qū)面積僅占全背面積的1～2%),也大大降低了背面的表面復(fù)合。盡管背面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)增加了串聯(lián)電阻,填充因子FF也有所下降,但提高了開路電壓Voc和短路電流密度Jsc,綜合效果仍使轉(zhuǎn)換效率提高1～2%[12]。圖1.12PERC太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖第二章背面點(diǎn)接觸太陽電池軟件模擬2.1模擬軟件PC1D的介紹PC1D模擬軟件利用完全耦合的非線性方程模擬單晶半導(dǎo)體器件中電子和空穴的準(zhǔn)一維傳輸過程，并著重于光伏器件的模擬。該程序在硅太陽電池物理特性研究方面起著重要作用，并逐漸成為模擬典型光伏器件的標(biāo)準(zhǔn)軟件[13]。本次模擬采用PC1D第五版，該版本采用良好的可視化工具，當(dāng)對表面進(jìn)行織化，摻雜，分層和增加外部單元時(shí)，示意圖會(huì)有相應(yīng)的改變，使電池設(shè)計(jì)變得直觀。其自帶的批處理功能可以在其它器件參數(shù)不變的情況下，定量地改變某幾個(gè)參數(shù)，便于觀測不同變量對電池特性的表征。本次模擬采用的模型是P型Si襯底太陽電池，對其前表面進(jìn)行織化，在N型Si表面分別覆蓋鈍化層SiO2和減反膜SiNx,在電池背表面同樣外延鈍化層SiO2和背反射器SiNx，最底部是Al背場。電池模型見圖2.1。圖2.1PC1D模型示意圖2.2對背反射器的模擬背反射率的改變對太陽電池有很大的重要性。假設(shè)體內(nèi)光學(xué)吸收可以忽略，射入太陽電池內(nèi)的一束光會(huì)經(jīng)過多次內(nèi)部反射直到它被背反射器吸收或者由太陽電池前表面逸溢出。設(shè)每次反射都有8%的光由前表面逸出，那么一束光在消逝前都會(huì)經(jīng)過多次反射。如果背反射率Rb是95%的話，在三次反射后大約有14%的光會(huì)被背反射器吸收：（1-0.953）。如果Rb是90%，在三次反射后大約有27%的光會(huì)被背反射器吸收。如果Rb是80%，在三次反射后背反射器對光的吸收會(huì)達(dá)到49%。由此可見，Rb上非常小的變化會(huì)對反射回的光強(qiáng)造成很大影響[15]。由此可見，不同的背反射率會(huì)對入射太陽電池的光程產(chǎn)生很大的影響，從而影響到太陽電池最終的效率。PC1D針對太陽電池內(nèi)表面的不同，有兩種反射類型供選擇：鏡面反射和漫反射。不同的反射型對光程的影響很大。對前表面單層減反膜而言，其對1200nm光線的反射率大概在20%左右，如果背反射器采用鏡面反射，從背表面反射回來的光有80%會(huì)逸出前表面。若背反射器采用郎伯散射，則逸出前表面的光會(huì)縮減到8%左右，只有采用鏡面反射情況下的十分之一。因此模擬時(shí)設(shè)置內(nèi)背表面反射型為漫反射。其它模擬參數(shù)見表2.1。表2.1：PC1D模擬環(huán)境DeviceRegionDevicearea:148.6cm2Thickness:180μmFrontsurfacetexturedepth:5μmDielectricconstant:11.9NosurfacechargeCarriermobilitiesfrominternalmodelFrontsurfaceopticallycoated:Broadband:7%Bandgap:1.124eVOuterthickness:60nmindex:2.03Intrinsiccons.at300K:1×10-10cmRefractiveindexfromsi.inrmiddlethickness:10nmindex:1.46Absorptioncoeff.fromsi300.absFreecarrierabsorptionenabledinnerthickness:0nmP-typebackgrounddoping：1.053×10-16cmNoexteriorrearreflectance1stfrontdiff：N-type,2.3×10-20cm-3續(xù)表2.1InternalreflectanceFrontsurfaceFirst:75%Subsequent:92%speculaNo2ndfrontdiffusionNoreardiffusionBulkrecombintation：τn=τp=50.28μsRearsurfaceFirst:變量Subsequent：變量diffusFront-surfacerecom.：Smodel,Sn=Sp=10000cm/sRear-surfacerecom.：Smodel,Sn=800,Sp=10000cm/sEmittercontact:1×10-3ΩBasecontact：4.52×10-3ΩInternalconductor:0.07S兩個(gè)變量的范圍見圖2.2。其中RrIntRefl1代表外層介質(zhì)的背反射率，RrIntRefl2代表襯底介質(zhì)的背反射率，兩者都從70%變化到100%。圖2.2PC1D模擬采用的背反射率變化范圍模擬結(jié)果導(dǎo)入Origin作圖，見圖2.3。圖2.4為在scan-qe模式下模擬的內(nèi)量子效率與入射波長的關(guān)系。（a）背反射率對轉(zhuǎn)換效率Eta的影響（最大點(diǎn)Eta=16.41%，襯底與外層介質(zhì)的反射率都為100%）（b）背反射率對填充因子FF的影響（最大點(diǎn)FF=0.785，襯底與外層介質(zhì)的反射率都為70%）（c）背反射率對開路電壓Voc的影響（最大點(diǎn)Voc=0.618V，襯底與外層介質(zhì)的反射率都為100%）（d）背反射率對短路電流Isc的影響（最大點(diǎn)Isc=5.064A，襯底與外層介質(zhì)的反射率都為100%）圖2.3背反射率對太陽電池輸出性能參數(shù)的影響圖2.4背反射率兩極值點(diǎn)的內(nèi)量子效率從以上模擬可以看出，當(dāng)分別改變外層介質(zhì)反射率和襯底介質(zhì)反射率時(shí)，轉(zhuǎn)換效率Eta，填充因子FF，開路電壓Voc，短路電流Isc的變化趨勢相同，故可把外層介質(zhì)反射率與襯底介質(zhì)反射率統(tǒng)一為背反射率。當(dāng)背反射率逐漸增加，轉(zhuǎn)換效率Eta，開路電壓Voc，短路電流Isc也隨之變大，三者的最大值都出現(xiàn)在背反射率為100%處。在背反射率從70%增加到100%的過程中，轉(zhuǎn)換效率提高了約0.39%，說明了若在太陽電池背表面增加一款高反光率的背反射器，能有效地提升太陽電池的效率。量子效率是指每個(gè)入射光子產(chǎn)生的電子——空穴對的數(shù)目。當(dāng)價(jià)帶中的電子吸收了能量大于禁帶寬度的光子就能夠躍遷到導(dǎo)帶中，與此同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，統(tǒng)稱為光生載流子，由此產(chǎn)生的附加導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)，對應(yīng)的量子效率為內(nèi)量子效率。由圖2.2.3可以看出，具有高背反射率的太陽電池的長波相應(yīng)優(yōu)于低背反射率的電池，在1100nm以后才有較大的下落。由于晶體硅的長波吸收限制為1100nm，背反率的提高使得太陽電池對1000～1100nm的陽光的利用率更高，這也是背反射器提高電池效率的一個(gè)原因。2.3背面點(diǎn)接觸太陽電池的模擬背面點(diǎn)接觸太陽電池與常規(guī)太陽電池在結(jié)構(gòu)上的不同在于電池背面Al-Si接觸面積的大小與形狀，在Al、Si無法接觸的地方是SiN介質(zhì)層，其具有較低的表面復(fù)合速率。又由于正面電極與電池的接觸面積不變，背面的接觸面積卻變小，可以想象載流子運(yùn)動(dòng)模型將不像常規(guī)電池那樣垂直電池運(yùn)動(dòng)，而是從正面到背面沿著一個(gè)逐漸變窄的半圓錐體游走?？上攵纱藥淼脑谀M參數(shù)上的改變體現(xiàn)在串聯(lián)電阻和背表面復(fù)合速率上。本次模擬的目的是找出不同的背電極圖型對電池效率的影響。圖2.5中將背點(diǎn)接觸太陽電池的背表面朝上進(jìn)行說明。W為電池從基級到射級的厚度，r為點(diǎn)電極的半徑，p為兩個(gè)點(diǎn)電極之間的周期長度，由此可得電極面積與背表面的總面積之比。Spass是鈍化區(qū)域的表面復(fù)合速率（SRV），Smet是點(diǎn)電極接觸區(qū)域的表面復(fù)合速率。這些背表面參數(shù)r,p,Spass,Smet以及背面少子擴(kuò)散長度L影響著飽和電流從而影響串聯(lián)電阻。這里引用H.Plagwits和R.Brendel的二極管飽和電流模型[15]進(jìn)行估算。圖2.5背面鈍化點(diǎn)接觸太陽電池（2.1）（2.2）（2.3）式中D為少子擴(kuò)散系數(shù)，電子擴(kuò)散系數(shù)Dn=33.5cm2/s，空穴擴(kuò)散系數(shù)Dp=12.4cm2/s?；鶇^(qū)電阻率ρ取1.4Ω·cm,與實(shí)驗(yàn)室所用p型硅襯底的電阻率相同。取Spass=20cm/s,Smet=5×105cm/s。電池厚度取180μm。分別取不同的半徑r：0.05～0.5mm，電極間距p：0.1～5mm代入上式計(jì)算出背面少子符合速率Sn和基區(qū)電阻R，導(dǎo)入Origin7.5版做出三維彩色映射表面圖，結(jié)果見圖2.不同點(diǎn)電極間距和半徑對背復(fù)合速率Sn的影響圖2.6（a）中有一處凹陷，位置在p=0.5，r=0.2附近。在經(jīng)過數(shù)據(jù)的仔細(xì)校對后發(fā)現(xiàn)相應(yīng)p、r對應(yīng)的Sn并未下降，猜測為Origin通過矩陣作圖時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。此點(diǎn)并不影響對整個(gè)Sn走勢的判斷。（b）不同點(diǎn)電極間距和半徑對基區(qū)電阻R的影響圖2.6點(diǎn)電極間距和半徑對電池電學(xué)性能的影響要使得電池效率提高，應(yīng)該使背面符合速率Sn變小，串聯(lián)電阻R變小。由計(jì)算結(jié)果可以看出，在三維分布圖內(nèi)Sn和R的變化趨勢恰恰相反，猜想在圖中某處應(yīng)該有區(qū)域使得電池的轉(zhuǎn)換效率得到峰值。將Sn與R代入PC1D對電池輸出參數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖2.7。（a）不同點(diǎn)電極間距和半徑對轉(zhuǎn)換效率Eta的影響（b）不同點(diǎn)電極間距和半徑對填充因子FF的影響（c）不同點(diǎn)電極間距和半徑對開路電壓Voc的影響（d）不同點(diǎn)電極間距和半徑對短路電流Isc的影響圖2.7點(diǎn)電極間距和半徑對太陽電池輸出性能的影響由圖2.7（a）可以看出，點(diǎn)電極半徑r和間距p之間應(yīng)該存在某種比例關(guān)系使得太陽電池的轉(zhuǎn)換效率有最大值。若r增大并且p減小，則電池背面將由點(diǎn)電極變?yōu)槿獳l接觸，此時(shí)因?yàn)楸趁鎻?fù)合變得嚴(yán)重，所以引起電池的背面符合速率Sn增加，開路電壓Voc下降。若r減小并且p增大，則背面電極面積將變小，電池對光生載流子的收集能力下降，導(dǎo)致串聯(lián)電阻R增大，短路電流Isc減小。說明電池的性能與背點(diǎn)電極的覆蓋面積有關(guān)。下面將變量換為點(diǎn)間距p、電極面積與電池面積之比f。分別取f=0.01、0.03、0.08、0.1、0.3、0.9，計(jì)算出Sn和R后導(dǎo)入PC1D模擬，結(jié)果參照圖2.8。（a）不同點(diǎn)電極間距和面積比對轉(zhuǎn)換效率Eta的影響（b）不同點(diǎn)電極間距和面積比對填充因子FF的影響（c）不同點(diǎn)電極間距和面積比對開路電壓Voc的影響（d）不同點(diǎn)電極間距和面積比對短路電Isc的影響圖2.8點(diǎn)電極間距和面積比對太陽電池輸出性能的影響由模擬結(jié)果2.8（a）可以看出，不同面積比f對應(yīng)著不同的效率最大值點(diǎn)。隨著f的增大，效率極大值點(diǎn)往點(diǎn)間距p增大的方向移動(dòng)。當(dāng)f≥0.08時(shí)，電池效率隨p的變化起伏不大；f＜0.08時(shí)，電池效率隨p的增大急劇下降。為了使效率最大化，可以選擇的點(diǎn)電極分布圖樣有很多。不同參數(shù)的硅片有著不同的模擬結(jié)果，若p型Si襯底的厚度或者電阻率發(fā)生改變，則應(yīng)重新計(jì)算繪圖。由圖2.8（b）可以看出，f越小，電池的填充因子FF越小。因?yàn)榻佑|面積的減小直接導(dǎo)致電池的串聯(lián)電阻變大，I-V曲線靠近Voc端的斜率變小，使得FF減小。當(dāng)p增大時(shí)，導(dǎo)致電池的橫向電阻增大，同樣使得填充因子FF減小。圖2.8（c）和（d）則說明背點(diǎn)接觸電池的開路電壓和短路電流會(huì)高于常規(guī)全Al背場電池。在同樣的模型下，常規(guī)電池的效率為15.45%，背點(diǎn)接觸電池效率最大值超過16%。說明雖然背點(diǎn)接觸電池的FF有所下降，但是最終的轉(zhuǎn)換效率仍要高于常規(guī)電池。作為常規(guī)全Al背場太陽電池，其背面為Al-Si全接觸，一方面會(huì)使得在高溫?zé)Y(jié)時(shí)電池片彎曲，降低電池與陽光接觸面積造成效率損失，同時(shí)使電池變得易碎，降低了成品率；另一方面由于在生產(chǎn)中電極漿料為Al、Ag混合料，相對昂貴，常規(guī)電池背電極面積較大意味著增加了制作成本。根據(jù)模擬結(jié)果，可以選擇電極面積比f在0.1左右的設(shè)計(jì)。參照電極分布對背面暗電流的影響[16]。（2.4）其中J100為背表面全部電極覆蓋時(shí)的暗電流。從上式可以看出，在f相同的情況下，選擇大間距、大觸電的設(shè)計(jì)帶來的暗電流較小。本次模擬并未考慮鈍化層作為背反射器對電池帶來的影響。若電極面積減小，背反射率會(huì)相應(yīng)增加。由圖2.3（a）可以看出，若背反射率增加了20%，則電池轉(zhuǎn)換效率會(huì)提升0.3%左右。說明小f的電極設(shè)計(jì)在對入射光的利用上有優(yōu)勢。第三章背面點(diǎn)接觸晶體硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)研究3.1背點(diǎn)接觸太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1背反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了降低太陽電池成本，節(jié)省硅原料，現(xiàn)今太陽電池所使用的硅片正在向薄片化發(fā)展，譬如本次實(shí)驗(yàn)所使用的硅片厚度已經(jīng)達(dá)到180μm。對于現(xiàn)有工藝，太陽電池的薄片化會(huì)帶來一些問題。首先是縮短了太陽光在電池內(nèi)的光程，透射光的損失由于硅片厚度減小而增大。對于間接帶隙的硅來說，損失要大于直接帶隙材料。為了減小透射光帶來的損失，必須增大光線在電池體內(nèi)的路徑。例如，使吸收層的折射率大于其上下層織構(gòu)材料以及加強(qiáng)背反射，使沒有吸收的光再次返回電池吸收層，進(jìn)行二次吸收。電池的厚度越薄，背反射器的作用越明顯。背反射器可以增加電池對長波長光的吸收，提高短路電流。而且還能把到達(dá)背面的波長大于太陽電池光譜響應(yīng)截止波長的光反射出去，可以降低電池的熱效應(yīng)。其次，因?yàn)楝F(xiàn)階段太陽電池的背面基本采用鋁背場，能起到一個(gè)P+層的作用，免去了去背結(jié)的工藝，阻止少數(shù)載流子向背表面的遷移，降低了背表面的復(fù)合速度。但是當(dāng)硅片較薄時(shí)，由于鋁和硅的熱膨脹系數(shù)的不同，在燒結(jié)之后硅片會(huì)產(chǎn)生彎曲，硅片變得易碎，降低了生產(chǎn)線的成品率。因此，更換其他的背表面鈍化介質(zhì)膜也是現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)方向。有研究表明,許多介質(zhì)膜可以有很好的背面鈍化效果，諸如，氮化硅，非晶硅，熱生長的二氧化硅，二氧化硅疊層等等[17]。傳統(tǒng)的高效電池主要采用熱生長的二氧化硅作為背面鈍化介質(zhì)膜，然后采用光刻工藝和蒸發(fā)工藝來制作前后表面的電極，雖然這種電池的效率高達(dá)24％，但由于設(shè)備成本非常昂貴及工藝的復(fù)雜性，并不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。由于上述原因，人們發(fā)展了低溫PECVD鈍化技術(shù)。目前已經(jīng)投入大規(guī)模生產(chǎn)的PECVDSiN膜技術(shù)可以避免上述高溫工藝缺點(diǎn)，使電池工藝簡單、成本下降。在PECVD沉積Si3N4時(shí)，由于反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中含氫，一部分氫會(huì)保留在Si3N4薄膜中。在高溫過程中，這部分氫會(huì)從Si3N4中釋放，擴(kuò)散到硅中，最終與懸掛鍵結(jié)合，起到鈍化作用。PECVD氫鈍化的優(yōu)點(diǎn)是可與SiN背反射層的沉積同時(shí)完成，減少了工藝步驟；缺點(diǎn)是等離子體會(huì)造成硅表面有一定的損傷。對于SiN膜，雖然同時(shí)具有較好的背反射效果和表面鈍化作用，但是由其做成的組件衰減比較厲害，穩(wěn)定性不理想。造成組件衰減的主要原因應(yīng)該是SiN膜經(jīng)紫外線照射后，Si-H鍵、N-H鍵被打斷使H逸失而導(dǎo)致SiN膜表面鈍化效果變差引起的[18]。因此，有必要在沉積SiN膜前熱氧化生長二氧化硅層來提高其穩(wěn)定性。本文針對三種不同的硅片背面結(jié)構(gòu)測量了背反射性能。分別為SiNx:H/Al復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，SiO2/SiNx:H/Ag復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和全Al背場結(jié)構(gòu)。其中SiNx:H/Al復(fù)合膜結(jié)構(gòu)選用了兩種不同鋁漿——#1和#2。每一種結(jié)構(gòu)采用5片硅片進(jìn)行試驗(yàn)，一共20片。其中SiO2層采用熱生長法制作，膜厚10nm；SiN層采用PECVD沉積，膜厚60nm；最外的Al層或Ag層采用絲網(wǎng)印刷工藝，之后進(jìn)行燒結(jié)。對硅片全反射率的測量采用日立U-4100型號的分光光度計(jì)，測量波長范圍從700~1200nm。分光光度計(jì)的光從硅片正面垂直入射，測量的是全反射率RT，為了得到背反射率Rb，利用公式[14]：（3.1）其中Rfe和Rfi分別是前表面的外反射和內(nèi)反射率。假設(shè)背反射器為朗伯體，可知Rfi=92%。為了求出Rfe，將700~910nm的全反射率結(jié)果進(jìn)行線性擬合得到一直線方程，再將900~1200nm的結(jié)果代入，可得到相應(yīng)波長的Rfe。雖然這種計(jì)算方法會(huì)高估Rfe，但是由于RT>>Rfe所以式（3.1）的計(jì)算結(jié)果對Rfe的誤差相對而言不敏感[14]。計(jì)算出背反射率與入射光波長的關(guān)系見圖3.1。圖3.1不同背部結(jié)構(gòu)反射率與波長的關(guān)系由圖3.1可以看出硅片對長波光的全反射率遠(yuǎn)高于短波光，因?yàn)镾i的帶隙決定它對短波光有很好的吸收，而入射的長波光主要轉(zhuǎn)化為了晶格振動(dòng)的聲子或者逸出體外。三種結(jié)構(gòu)中SiNx:H/Ag復(fù)合膜的背反射率最高，SiNx:H/Al復(fù)合膜次之，全Al背場的背反率最低。但是在SiNx:H/Ag復(fù)合膜結(jié)構(gòu)燒結(jié)完成后，硅片表面相對于其它結(jié)構(gòu)有較大的彎曲，將硅片水平放置其中心要高出水平面約2~4mm，極其易碎。而且背面印刷的Ag漿成本很高，不適合進(jìn)行大量生產(chǎn)，所以在最后設(shè)計(jì)電池時(shí)綜合考慮采用SiNx:H/Al結(jié)構(gòu)。兩種SiNx:H/Al結(jié)構(gòu)的背反率不同主要是因?yàn)樗肁l漿料中顆粒大小不同。表3.1不同背部結(jié)構(gòu)1200nm處的背反射率背部結(jié)構(gòu)SiO2/SiNx:H/AgSiNx:H/Al#1SiNx:H/Al#2Al背反射率Rb92.02%86.99%85.53%68.21%最終電池設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3.2。圖3.2背面點(diǎn)接觸太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.2背點(diǎn)電極的圖樣設(shè)計(jì)根據(jù)第二章模擬結(jié)果，點(diǎn)電極與背表面面積比f取0.1，而點(diǎn)電極間距不宜大于2mm[19]。根據(jù)公式可以計(jì)算出點(diǎn)電極半徑r=0.36mm。最終制成的點(diǎn)電極絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版見圖3.3。圖3.3絲網(wǎng)印刷背點(diǎn)電極用網(wǎng)版3.2實(shí)驗(yàn)步驟本次實(shí)驗(yàn)主要是將常規(guī)單晶硅太陽電池和背面點(diǎn)接觸太陽電池進(jìn)行對比，因此實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行。其中A組12片為常規(guī)電池，B組18片為背面點(diǎn)接觸電池。具體實(shí)驗(yàn)步驟見下頁的組織結(jié)構(gòu)圖。硅片的清洗與制絨：硅片的清洗與制絨：①在酒精中超聲清洗20min②20wt%NaOH溶液，T=85℃③1.5wt%NaOH、4wt%Na2SiO3·9H2O、5vol%IPA溶液，T=85℃擴(kuò)散p-n結(jié)：擴(kuò)散溫度T=870℃，t=25min，小N2流量1800ml/min等離子體去邊：利用輝光放電中氟離子與硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性的產(chǎn)物SiF4，以便腐蝕硅片周邊的擴(kuò)散層防止電池短路二次清洗去除硅表面的磷硅玻璃：5vol%HF溶液，t=7min前表面PECVD鍍SiNx膜：膜厚60nm，折射率2.03背反射器的制作：①熱生長SiO2膜，膜厚10nm②PECVD鍍SiNx:H膜，膜厚60nmAg-Al漿料絲網(wǎng)印刷常規(guī)條狀背電極，300℃絲網(wǎng)印刷Al背場，300℃Al漿印刷背面點(diǎn)電極，300℃背面絲網(wǎng)印刷無玻璃料的Al層，300℃以內(nèi)烘干絲網(wǎng)印刷正面Ag柵線，300℃以內(nèi)烘干燒結(jié)去除背面p-n結(jié)圖3.4常規(guī)電池與背點(diǎn)接觸電池制作工藝流程3.3電池性能測試與分析為了對太陽電池進(jìn)行評價(jià)，國際上制訂了標(biāo)準(zhǔn)測試條件。地面應(yīng)用的太陽電池的國際標(biāo)準(zhǔn)測試條件為：AM1.5,1000W/m2,25℃（AM=1/cosθ,AM:AirMass大氣質(zhì)量)。實(shí)驗(yàn)室對電池的I-V測試采用德國OPTOsolar公司的太陽電池模擬器。它由光源、恒溫測試臺、電子負(fù)載及信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。其基本結(jié)構(gòu)見圖3.5[20]圖3.5太陽模擬器結(jié)構(gòu)圖光源部分由氙燈、拋物反射鏡、積分鏡、準(zhǔn)直物鏡、第一濾光片、第二濾光片和兩個(gè)45度反射鏡等組成。光源使用脈沖氙燈，脈沖氙燈的光譜接近太陽光、使用壽命長、價(jià)格低廉、供電電路較為簡單、故障率低、功耗小。光路中的積分鏡使光強(qiáng)均勻，通過準(zhǔn)直物鏡后可以得到平行度很好的均勻平行光。光路中加入兩個(gè)濾光片和兩個(gè)45度反射鏡，兩個(gè)45度反射鏡采用有一定光譜反射特性的鍍膜石英玻璃，使其在改變光路的同時(shí)也改善光譜特性。兩個(gè)濾光片采用有一定光譜透射特性的鍍膜光學(xué)石英玻璃。通過以上一系列濾光處理可以使光譜失配度小于或等于±5%。光源的電源部分采用適當(dāng)?shù)拈W光塑形電路，使氙燈點(diǎn)亮后有10ms左右的穩(wěn)定時(shí)間，這樣的時(shí)間可以滿足一般太陽能電池的測量要求。恒溫測試臺采用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控溫，同時(shí)恒溫測試臺還有真空吸附設(shè)計(jì)，使測量時(shí)太陽電池片和下電極可靠接觸。電子負(fù)載采用高速大電流設(shè)計(jì)，能在10ms的時(shí)間內(nèi)對被測太陽電池片進(jìn)行從開路電壓到短路電流的掃描，電子負(fù)載最大測量電流可以達(dá)到10A。信號放大器采用高速高精度放大電路對電壓、電流、光強(qiáng)信號進(jìn)行放大，三個(gè)放大通道必須有很小的相位差。太陽電池經(jīng)I-V測試后得到數(shù)據(jù)記錄在表3.2中。表3.2常規(guī)太陽電池和背點(diǎn)接觸電池的輸出性能參數(shù)編號Eta（%）FF（%）Isc（A）Voc（V）Rs（mΩ）Rsh（Ω）A116.6676.945.2030.6228.68912.829A216.6276.565.1860.6249.9467.956A315.9471.475.2640.62610.9672.479A416.0872.295.2450.62610.7351.996A516.3172.955.2680.6259.0252.429A616.3573.135.2850.6259.0291.923A716.8277.485.2050.6238.4414.436A816.9075.645.2600.6288.8503.419A917.0976.965.2470.6288.0543.345A1017.1578.715.2030.6247.5765.421A1117.1676.455.2710.6288.2523.104A1217.2477.255.2560.6297.5473.060B113.5977.324.4660.5899.5904.604B213.7676.134.4650.5989.0523.754B314.1177.224.5220.5968.6543.932B414.2378.604.5390.5968.2983.503B514.3577.314.5600.6028.1454.176B611.2965.154.4120.58512.7470.630B712.2671.114.3890.58811.9191.415B812.6973.304.4080.5876.8451.141B912.7571.484.4650.59512.0781.172B1012.9173.834.4210.59110.1351.653B1113.0673.824.4580.5929.3561.804B1213.0874.944.3960.59310.6684.020B1313.5076.104.4440.5949.8622.614續(xù)表3.2編號Eta（%）FF（%）Isc（A）Voc（V）Rs（mΩ）Rsh（Ω）B1413.6776.624.4820.5939.3293.480B1513.6877.004.4590.5949.6312.974B1613.7077.394.4570.5938.5333.200B1713.8277.184.4890.59510.2905.773B1813.9278.444.4440.5968.7844.542A組平均16.6975.485.2410.6268.9264.366B組平均13.3575.164.4600.5939.6623.021選擇兩組中效率最高電池A12和B5進(jìn)行I-V曲線對比，見圖3.6。圖3.6兩片電池的I-V曲線由組平均數(shù)據(jù)可以看出兩組電池最終轉(zhuǎn)換效率有一定差距，采用點(diǎn)電極工藝的電池比常規(guī)電池低了約3.3%，與理論模擬值差距較大。然而兩組電池的填充因子十分接近，說明造成效率損失主要原因是B組電池的開路電壓和短路電流偏小，導(dǎo)致I-V曲線覆蓋面積偏小。同時(shí)可以看出，B組電池的串聯(lián)電阻偏大，由理論模擬公式可以看出，串聯(lián)電阻RS隨著背面電極覆蓋面積的減小而增大，實(shí)驗(yàn)趨勢符合模擬結(jié)果；另一方面，要想獲得低的RS必須要使背點(diǎn)電極和p型硅有很好的接觸，但本次實(shí)驗(yàn)中沒有明顯的證據(jù)能表明背點(diǎn)電極用的Al漿能燒穿SiN和背面p型硅產(chǎn)生良好的接觸。但如果有機(jī)會(huì)的話可以使用場發(fā)射電子顯微鏡對電池的斷面進(jìn)行觀測，分析斷面的成分，以及Al、Si之間的接觸深度。并聯(lián)電阻方面，B組要小于A組。相對于太陽電池的設(shè)計(jì)而言，并聯(lián)電阻主要取決于電池制造過程中的缺陷。低的并聯(lián)電阻會(huì)因?yàn)樵谔栯姵刂袑馍娏鳟a(chǎn)生反向分流從而導(dǎo)致功率損失。這樣的旁路電流會(huì)使得流經(jīng)太陽電池p-n結(jié)的電流變小從而降低電池電壓。并聯(lián)電阻可以通過I-V曲線靠近Isc的斜率來估算，其相對于x軸的斜率越大，并聯(lián)電阻越小。由于制造儀器及工藝參數(shù)相同，B組并聯(lián)電阻偏小的原因在于背面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)和比常規(guī)電池多出來的SiN層。有研究表明，SiN層在鈍化p型襯底的同時(shí)會(huì)引入寄生電流，降低短路電流密度使得電池的表現(xiàn)變差[21]。采用絲網(wǎng)印刷燒結(jié)點(diǎn)電極，一方面會(huì)引發(fā)襯底與電極間接觸不良，另一方面在燒結(jié)完成后點(diǎn)電極的大小會(huì)發(fā)生變化。為了進(jìn)一步提高電池效率，可以在電池背反射器制作完成后先采用激光燒出相應(yīng)的點(diǎn)電極接觸孔，再印刷Al電極，這樣能讓Al-Si有更充分的接觸，電極大小也能精確控制，但缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本偏高。另一方面，可以采用電阻率更低的襯底，有文獻(xiàn)指出對于背面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)，最好的電阻率為0.2Ω·cm[22]。第四章總結(jié)與展望隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，新能源在人類社會(huì)中的重要性顯得越來越大。而光伏發(fā)電又是新能源產(chǎn)業(yè)中的主力軍。降低太陽電池的成本，提升光電轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)今光電池行業(yè)的主要需求。目前電池的薄片化是一個(gè)大趨勢，但是常規(guī)Al背場晶體硅電池的薄片化會(huì)帶來兩個(gè)問題：一、背表面復(fù)合更加嚴(yán)重，限制電池效率，這需要更好的背面鈍化；二、一部分長波段的可吸收光會(huì)直接穿越電池而損耗掉，這需要提高電池的背面反射。因此可以在常規(guī)單晶硅太陽電池背表面加上背反射器，并采用點(diǎn)狀電極傳導(dǎo)載流子。本論文主要工作和結(jié)果如下：（1）利用PC1D模擬發(fā)現(xiàn)背反射器的反射率越高，電池各項(xiàng)輸出參數(shù)越高，主要是因?yàn)殡姵貙﹂L波光的利用率提高。（2）通過二極管飽和電流模型計(jì)算不同背點(diǎn)電極圖形對背面符合速率和基區(qū)電阻的影響。發(fā)現(xiàn)電極面積比f越小，背表面復(fù)合越少，但是基區(qū)電阻增大。由于兩者都對電池效率有較大影響，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入PC1D進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)在多種電極圖樣下背點(diǎn)接觸電池有效率最大值，而且取最大值時(shí)的效率要高于常規(guī)電池。雖然背點(diǎn)接觸電池的填充因子FF要小于常規(guī)電池，但是開路電壓Voc和短路電流Isc較大，綜合起來效率要大于常規(guī)電池。（3）測定了SiNx:H/Al復(fù)合膜、SiO2/SiNx:H/Ag復(fù)合膜和全Al背場結(jié)構(gòu)的背反射率，發(fā)現(xiàn)幾種結(jié)構(gòu)都能很好地將長波光反射回去。背反射率從大到小依次為SiO2/SiNx:H/Ag復(fù)合膜、SiNx:H/Al復(fù)合膜、全Al背場。（4）制備了一批用SiO2/SiN/Al三層膜作為背反射器的點(diǎn)電極電池，SiO2膜為熱生長形成，SiN膜用PECVD沉積，點(diǎn)電極和Al層采用絲網(wǎng)印刷再燒結(jié)。經(jīng)過I-V曲線測試后發(fā)現(xiàn)其平均效率13.35%要低于常規(guī)電池的16.69%。背點(diǎn)接觸電池的開路電壓Voc和短路電流Isc偏小，與模擬結(jié)果不符。推測是點(diǎn)電極通過燒結(jié)后并未與Si層產(chǎn)生良好的歐姆接觸，導(dǎo)致串聯(lián)電阻偏大。在今后的工作中，可以通過場發(fā)射電子顯微鏡來觀測電池?cái)嗝娼佑|點(diǎn)處的成分，通過改進(jìn)背反射器的制作工藝、嘗試不同點(diǎn)電極所用Al漿、優(yōu)化燒結(jié)工藝來促使背面點(diǎn)接觸部分產(chǎn)生良好的Al-Si合金?；蛘呖梢圆捎眉す鉄Y(jié)工藝制作電極接觸點(diǎn)，保證歐姆接觸，同時(shí)讓點(diǎn)電極的大小和間距有恒定值。參考文獻(xiàn)[1]葉良修.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1983:56-69.[2]StuartBowden.Photovoltaics:Devices,SystemsandApplications[M/CD]..au/pvcdrom.[3]李軍勇.晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究[D].中山大學(xué),2009.[4]何少琪.高效晶體硅太陽電池[J].太陽能,1998,(03).[5]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005:62-66.[6]TaguchiM,SakataH,YoshimineY,MaruyamaE,TerakawaA,TanakaM,KiyamaS.AnapproachforthehigherefficiencyintheHITcells.Proceedings,31stIEEEPhotovoltaicSpecialistsConference,Florida,2005;866–871.[7]任丙彥,吳鑫,勾憲芳,孫秀菊,于建秀,褚世君,勵(lì)旭東.背接觸硅太陽電池研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,(09).[8]SchêneckerA,etal.ACEdesigns:thebeautyofrearcontactsolarcells[C].Proceedingsofthe29thIEEEPVSEC,NewOrleans,2002.107.[9]J.Zhao,A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