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1、太阳电池原理 目前绝大部分的电池片的基本成分是硅,在拉棒铸锭时均匀的掺入了B(硼),B原子最外层有三个电子,掺B的硅含有大量空穴,所以太阳能电池基片中的多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,是P型半导体. 在扩散工序扩入大量的P(磷)原子,P原子最外层有五个电子,掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导电体,多数载流子为电子,少数载流子为空穴.太阳电池原理-基本原理漂移中和1，在P型区域和N型区域的交接区域,多数载流子相互吸引,漂移中和,最终在交接区域形成一个空间电荷区（即内建电场区）.在内建电场区电场方向是由N区指向P区.N型半导体P型半导体太阳电池原理-基本原理空间电荷区2，当入射光照射到
2、电池片时,能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中,在N区、耗尽区、P区激发出光生电子空穴对.光生电子空穴对在耗尽区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被进入N区,光生空穴则被推进P区. 光生电子空穴对在N区产生以后,光生空穴便向PN结边界扩散,一旦到达PN结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引做漂移运动,越过耗尽区进入P区,光生电子(多子)则被留在N区.P区中的光生电子(少子)同样的先因为扩散,后因为漂移而进入N区,光生空穴(多子)则留在P区.在PN结的两侧形成了正负电荷的积累,产生了光生电压,这就是“光生伏特效应”.N区P区内建电场电子空穴对电子空穴对电子空穴对大量正电荷大量负
3、电荷Ebip区n区P+区2m正电极正电极Voc0.2m180200m36mlhle长波短波中波正电荷电子背背场场 电池片厚度一般为180200m. 电子空穴对EHP扩散距离le=(Dee)1/2其中De为扩散系数.n侧少子为空穴,扩散长度很短,再由于n侧是重扩散杂质,所以少子寿命非常短,因此n侧做得很薄(0.2m),事实上,n侧的厚度ln可能少于空穴的扩散长度lh.表面位置由于存在各种缺陷成为复合中心.短波光会在表面被吸收,产生电子空穴对,这些非常接近n侧表面的光生电子和空穴对很快就消失掉,这就是短波光量子效率很低的原因. 在波长约为1至1.2m的光,硅材料对其吸收的系数很小很小,吸收深度(1
4、/ )通常会大于100m。为了俘获这些长波光子,我们需要相当厚的p侧材料，同时这种材料又必须是无缺陷的,使它有足够长的少数载流子扩散长度le .通常p侧材料厚度为200m.而少数载流子扩散长度le会少于这个长度. 硅材料的带隙Eg约为1.1ev. 充足的太阳光照射到晶体硅太阳能电池时，电池片的整个厚度内都会产生光生载流子,其电子空穴对的产生率Gp(即单位时间单位体积内产生的电子空穴对数目),以Goexp(- x)衰减。（其中Go是电子空穴对在表面时的产生率, 是材料吸收系数.）假定1,太阳电池厚度很薄,使所有的光生载流子都能流经外电路.假定2,lh是大于n侧厚度ln ,所以,在体积(ln+w+
5、le)内产生的全部电 子空穴对都贡献给光电流.假定3,在材料表面的光生载流子的复合可以被忽略.其表面积A=5cm5cm,ln =0.2m,W=2m,le=50m,Go=11018cm-3s-1enoenosclWlAqGlWlAqGIexp1不同波长的光所产生的Isc1，对于光波长1.1m，=2000m-1（吸收深度=1/ =500m）, 求得Isc=20mA.2，对于强吸收的光波长0.83m， =10 105m-1（吸收深度 =1/ =10m）,求得Isc=40mA.3，随着光波长的缩短而增大,最后(当450nm)由于非常大，会 使光生载流子只发生在电池片表面，而电池片的 表面区的缺 陷很容
6、易使电子空穴对被复合掉，从而使光电流反而减小。1，光电流密度光生载流子的定向运动形成光电流.如果入射到电池的光子中,能量大于禁带宽度Eg的光子均能被电池吸收,而激发出数量相同的光生电子空穴对,且可以被全部收集,则光生电流密度的最大值为:gphLEqNJmax式中 为每秒入射到电池上能量大于 的光子数.考虑光的发射,材料吸收,电池厚度及光生载流子的实际生产率后,光电流密度可以表示为:gphENgE ddxeaRQqJHxaL 001ddxxqGHL 00)( xaLeaRQG1式中 , 为入射到电池上波长为 ,带宽为 的光子数, Q为量子产额，及一个能量大于Eg的光子产生一对光生载流子的几率，通
7、常情况下可以令Q=1， 为和波长有关的发射因数, 为对应波长的吸收系数, 为距电池表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度, 表示x处的光生载流子的产生率. d R adx)(xGL这个表达式认为，凡是在电池中产生的光生载流子均可以对光电流有贡献，因而是光电流的理想值，见太阳电池原理-原理图。类似PN结正偏，在单位面积的太阳电池中把JL()看为各区贡献的光电流密度之和 JL=Jn ()+Jc ()+Jp() 其中，Jn ()、Jc ()、 Jp()分别表示n区、耗尽区、p区贡献的光电流密度.在考虑各种产生和复合后,即可以求出每一区中光生载流子的总数和分布,从而求出电流密度. 先考虑Jn和Jp,
8、根据肖克莱关于pn结的理论,假设太阳电池原理-原理图中电池满足: 光照时太阳电池各区均满足pnni2,即满足小注入条件耗尽区宽度W电池厚度H,结平面为无限大,不考虑周界影响各区杂质均已电离于是可列出一维情况下,描述太阳电池工作状态的基本方程:对n区:)62.(.1)52.(.dxdJqUGdtdpdxdpqDpqJpnLnnpnnpp对p区:)92(.).()82.(.1)72.(.0npNNqdxddxdJqUGdtdndxdnqDnqJADrnpLppnppnn方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于 空穴的漂移分量与扩散分量的代数和.方程(2-6)称为连续性方
9、程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空 穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度 的代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度 方向及电流密度方向均相反.方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电 荷的关系受到照明的太阳电池被短路时,pn结处于零偏压,这时短路电流密度等于光电流密度,而正比于入射光强,即：phLSCNJJ2,光电压 由于光照而在电池两端出现的电压称为光电压.它像外加于pn结的正偏一样,与内建电场方向相反,这光电压减低了势垒的高度,而且使耗尽区变薄.太
10、阳电池开路状态的光电压称为开路电压UOC光电压. 在开路状态下,有光照时,内建电场所分离的光生载流子形成由n区指向p区的光电流JL,而太阳电池两端出现的光电压即开路电压UOC却产生由p区指向n区的正向结电流JD.在稳定光照时,光电流恰好正和正向结电流相等(JL = JD).pn结的正向电流可由下式得出:于是有两边取对数整理后,当A1,得,在AM1条件下, ,所以 ) 1(0AKTqVDeJJ) 1(0AKTqVLeJJ1ln0JJqAKTULOC10JJL)132.(.ln0JJqAKTULOC显然, UOC随JL的增加而增加,随J0的增加而减少.似乎UOC也随着曲线理想因子A的增加而增加,实
11、际上A因子的增加,也是与的J0增加有关,所以总的来说,A因子大的电池片UOC不会大.在略去产生电流影响时,反向饱和电流密度为:因为 所以:其中UD为最大pn结电压,等于pn结势垒高度,将(2-15)代入(2-13),当A=1时,可得 在低温和高光强时, UOC接近UD, UD 越高UOC越大,因为所以pn结两边掺杂度越大,开路电压也越大.pDipnAinLNnqDLNnqDJ220KTqVDAiDeNNn2)152.()(000KTqUKTqUpApnDnDDeJeLNqDLNqDJpApnDnLNqDLNqDJ00LDOCJJqKTUU00ln2lniADDnNNqKTURsILIDIshR
12、LCJU 当受到光照的太阳电池接上负载时,光生电流流经负载,并在负载两端产生端压,这时可以使用一个等效电路来描述太阳电池的工作情况.把太阳电池看成稳定产生光电流的电流源(假设光源稳定),与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh.Rsh)172.()() 1()(0shLSAKTIRUqLshDLRRRIeIIIIIIS等效电路图等效电路图IRU I负载电流负载电压 上式不能写成I=f(U)形式,只能写成I=f(U,I)的形式,因为这是一个超越函数. IL 光生电流 T 太阳电池pn结的绝对温度 I0 反向饱和电流(暗电流) q 单位电荷量 A 二极管因子 K 普朗克常量 Rs/
13、Rsh 太阳电池的串连/并联 I 太阳电池的输出电流 U 太阳电池的输出电压 当负载RL从0变化到无穷的时候,就可以根据上式画出太阳电池的负载特性曲线.曲线上的每一点称为工作点.工作点和原点的连线称为负载线.斜率为 ,工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流.若改变负载电阻RL到达某一特定值Rm,此时,在曲线上得到一个点M,对应的工作电流与工作电压之积最大(Pm=ImUm).我们就称这点M为该太阳电池的最大功率点,其中, Im为最佳工作电流, Um为最佳工作电压. Rm为最佳负载电阻.Pm为最大输出功率.如下图所示:LR1太阳电池测试原理-模拟电路图(等效电路图)ISCImPmUm0
14、UUIIIUUOCIURshIURsmRK1太阳电池测试原理-参数的测量及计算 当负载RL连续变化时,经过测量得到一系列I-V数据,由此可以做出如太阳电池测试原理-模拟电路图(等效电路图)的太阳电池的伏安特性曲线,同时计算出一些重要的参数,这些参数主要包括:开路电压UOC，短路电流ISC，最佳工作电压Um，最佳工作电流Im，最大功率Pm，填充因子FF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh和电池效率. 1,开路电压UOC,短路电流ISC的计算 从图上可知,测量得到的曲线与V,I两轴的交点,及UOC, ISC. 2, Um ， Im ， Pm的计算 一般情况下,直接求Pm会有一些麻烦.所以可以在计算机上按
15、照步长,求得每一点的P=UI,然后直接取其中的最大值就是Pm了,该点所对应的电压和电流也就是最佳工作电压Um,最佳工作电流Im 3,填充因子FF的计算 4,并联电阻Rsh和串联电阻Rs的近似解法 由太阳电池测试原理-模拟电路图(等效电路图)可知RL当流入负载的电流为I,负载端压为U时:SCOCmmSCOCmIUIUIUPFF)172.()() 1()(0shLSAKTIRUqLshDLRRRIeIIIIIISLIRU 太阳电池测试原理-参数的测量及计算 对于硅太阳电池，满足：1) 1()(0LAKTIRUqLDIeIII1shsRR21 A)192(. 根据（2-19）很容易得到在U0时(2-
16、17)可以写为:)202.(.1shSCshLshsshLshLRUIRUIRRRUIRIRUII 表明在U 0时,曲线具有较好的线性关系对(2-20)求微分,可以得到 ,即shURdUdI10)212.(.1SCIIOUshdIdUdUdIR 所以,测量出在U 0附近的I-V曲线的斜率,就可以得到Rsh的值了.太阳电池测试原理-参数的测量及计算 串联电阻的解法同并联电阻类似，考虑U UOC考的情况下，（2-17）的渐进为： 化简可得 对（2-20）求微分，可以得到 即 所以，测量出在U UOC附近的I-V曲线的斜率,就可以得到Rs的值了. 0)(0AKTIRUqIISLSSLRURqIAKT
17、II0sUURdUdIOC101IUUsdIdUdUdIROC太阳电池测试原理-参数的测量及计算 5,Rs的数值解法 上面的算法因为连续使用了两次近似,计算结果会有较大的误差,为了获得更精确的结果可以采用数值解法. 考虑到太阳电池的双指数模型,负载电流为:shLAKTIRUqAKTIRUqLRIRUeIeIIISS) 1() 1(2)(02)(01 6,太阳电池的计算 在太阳电池受到光照时,输出电功率和入射光功率之比就称为太阳电池的效率. 其中,At为太阳电池总面积(包括栅线图形面积).考虑到栅线并不产生光电,所以可以把At换成有效面积Aa(也称为活性面积),即扣除了o栅线图形面积后的面积.同
18、时计算得到的转换效率要高一些.为单位面积的入射光功率.实际测量时,取标准光强:AM1.5条件,即25 o C下,=100mW/cm2.0)(dhcAUIFFPAUIFFPAUIPAPtOCSCintOCSCintmmintm0)(dhcPin太阳电池测试原理-参数的测量及计算0IUISCUOCRS=0SRS=50mSRS=200mS不同串连电阻得出的I-V测试结果：当RS增大时，UOC基本不变，ISC明显下降，FF明显下降IRS太阳电池测试原理-参数的测量及计算ISCUOCI0URsh=0.2Rsh=2Rsh very largeU/Rsh不同并联电阻得出的I-V测试结果：当Rsh增大时，IS
19、C基本不变，UOC明显下降，FF明显下降太阳电池测试原理- 测量太阳电池的电性能可归结为测量它的伏安特性曲线.由于伏安特性与测试条件有关,必须在统一的规定的标准测试条件下进行测试,或将测试结果换算到标准测试条件,才能鉴定太阳电池电性能的优劣. 标准测试条件包括:标准太阳光(标准光谱和标准辐射照度)和标准测试温度. 温度可以人工控制,标准太阳光可以人工模拟.使用模拟太阳光,光谱取决于电光源的种类及虑光,反照系统.辐射照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来标准.为了减少光谱失配误差,模拟太阳光的光谱应尽量接近标准太阳光光谱, 选用和被测电池光谱响应基本相同的标准太阳电池. 当电池温度升高时， U
20、OC会下降， ISC会上升，反向击穿电压变小太阳电池测试原理-测量仪表温度监控温度监控测试仪表可变负载电流测量线待测电池标准电池粗密电阻精密电阻电压测量线测量探头测量探头注意：测量太阳电池的电压和电流应从被测件的端点单独引出 电压线和电流线 对定标测试,标准测试温度的允许误差为1.对非定标准测试.标准测试温度允许为2.测试仪器与装置1,标准太阳电池 标准太阳电池用于标准测试光源的辐射照度 对AM1.5工作标准太阳电池作定标测试时,用AM1.5二级标准太阳电池标准辐射度. 在非定标测试中,一般用AM1.5工作标准辐照度,要求时用AM1.5级标准太阳电池.对定标测试,标准测试温度的允许误差为1.对
21、非定标准测试.标准测试温度允许为2.2,电压表(包括一切测量电压装置)电压表的精度应不低于0.5级. 电压表内阻应小到能保证在测量短路电流时,被测电池两端的电压不超过开路电压的3%.当要求更精确时,在开路电压的3%以内可利用电压和电流的线性关系来推算完全短路电流.3,取样电阻 取样电阻的精确度应不低于2%,必须采用四端精密电阻. 电池短路电流和取样电阻值的乘积应不超过电池开路电压的3%.4,负载电阻 负载电阻应能从0平滑地调节到10K以上.必须有足够的功率容量以保证在通电测量时不会因发热而影响测量精度.当可变电阻不能满足上述条件时,应采用等效的电子可变负载.5,函数记录仪 函数记录仪用于记录太
22、阳电池的伏安特性曲线,函数记录仪的精密度应不低于0.5级,对函数记录仪内阻的要求和对电压表的内阻的要求相同.6,温度计 温度计或测温系统的仪器误差不超过0.5.测量系统的时间响应不超过1秒.测量探头的体积和形状应保证它能尽量靠近太阳电池的pn结安装. 1,硅材料 单晶硅棒用切片机切割成片时,因机械切割使硅片表面受到损伤的区域可以分为四部分,即表面粗糙区,碎裂区,位错网络区和弹性应变区.对高精度切片机损伤区的总厚度约为1020 m,这些表面损伤区若不去除掉,将在高温扩散时产生大量表面复合i中心,增加表面复合几率.减少扩散区域少子寿命,从而降低太阳电池效率.制造太阳电池时,去除表面损伤层,可通过制
23、绒面减薄硅片实现. 2, Rsh与刻蚀的关系 基片周边因扩散形成pn结,若去除不尽,将造成电池短路. 等离子刻蚀: CF4C+4F* Si +4F* Si iF4*射频电场3,Rsh与绒面扩散层是否损坏的关系 电池表面用腐蚀法制成的绒面,对入射光有强的减反射性能.但是扩散后的硅片在各道操作工序中必须精心,稍有不注意就会把表面的金字塔体的尖损坏,将P型基地暴露出来,如果又适逢在损伤处被金属电极覆盖,便会造成短路. 正电极的遮光面积占总受光面积的810%.4,与正电极烧结温度和烧结时间的关系 带速快,加热时间短, Rs会增加,特性恶化. 低温低带速烧结电极, Rs大, Rsh无改善,I-V特性差5
24、, Rsh与银浆的关系: 银浆系由银粉,玻璃料和有机载体组成的银浆,银粉的纯度99.99%,粒度1m,含银量75%，含锑1%，呈鳞片或球状。银粉经高温烧结后，形成三维网状结构,锑扩散到硅片中形成高掺杂n+层,，使银硅有好的欧姆接触. 玻璃料的主要作用是使网状结构的金属银牢固地粘附在硅片上,增加电极牢固度.有机载体由松油醇,丁基卡必醇醋酸脂等有机溶剂和增稠剂组成.松油醇是粘稠液体,能溶解乙基纤维素,增稠剂的作用是增加浆料的粘稠度和塑性,在一定的温度下能形成膜,300以上能完全燃烧挥发掉,且不留灰粉. 银浆中的银和玻璃料均匀分布在有机载体中组成的分散体系,属含有悬浮物和弥散物液体的非牛顿液体,其粘
25、度属于反常粘度 F/S是作用于液体上的切变力. 是液体的切应变的变化率,它不仅随温度而变化,而且也随着受到的机械力而变化.厚膜浆料通常是具有触变性的塑流型或假塑型流体.触变性是指流体受到外力作用时.粘度迅速下降,外力消失后,粘度迅速恢复原状的性质. 粘度越高, UOC越高, Rsh越高, ISC越高, RS越低,FF越高,越高.1/dydvSFdydv讨论和结论 浆料中的银粉和玻璃料(由PbO,B 2 O3,SiO 2,SiO 2,CdO,Bi 2 O3等组成)含量高,它们由分子,分子团和原子团构成.当粘度高,印刷膜厚一定时,单位体积中的含银量高,因此,烧结成网状结构时,其结构比粘度低紧密,网
26、状空隙也小.这时,能流动的玻璃料,其粘度虽然也高,但较之于粘度低,形成较疏较大空隙的银网结构.紧密结构的银网将难于提供足够的Bi 2 O3分子进入到硅表面,因而硼原子扩散入硅表面内的浓度低,即不会造成表面扩散层的高度补偿,更不会造成P型沟道加上锑的扩散系数比硼大一个数量级,形成施主作用强,结果带来好的Rsh和RS值,以及好的PN结特性.相反,对粘度低的浆料,因含银量少,烧结后,网格稀,硼原子可以大量进入硅表面,并扩散入表面层中形成高度补偿层,甚至造成P型沟道,作电极后,不仅显示出小的Rsh,还显示出大的RS值.银虽然也是快扩散元素的受主杂质,玻璃料对远红外线能量的吸收率是银的7-8倍,加之在我
27、们的工作温度下Ag-Si界面的温度还低于Ag-Si低共熔合金温度,故Ag未带来危害.1）印刷铝浆时网版的漏浆及承印面感光纸没有及时更换所致2）表面杂质：主要是生产过程中环境因素影响，在镀膜面上留下杂质，印刷时如果和电极重合，在高温烧结时进入PN结导致漏电。3）浆料污染：银浆长期暴露在空气中，多次印刷过程中有杂质混入，最终表现出来漏电。4）烧结温度的控制，如果烧结温度过高，或是硅片本身某个区域有很深的制绒深洞，在烧结时则会造成烧穿，漏电增加。5）在硅片传递的任何的一个环节，对硅片的污染则会引起漏电增加，单晶电池片更为明显，板P更为明显。6)扩散时，某些区域扩散的P很薄，或是没有扩散，则会造成正电极和背电场的导通，造成漏电大 。7）微晶片（1厘米内晶粒数目达到或超过10个）在有微晶的位置杂质C和O的含量较高，更容易造成漏电大。8）网纹存在的位置氧含量较高，更容易被制绒液腐蚀，绒面更深，所以外观上发暗，也更容易漏电大。9）本身的杂质含量较高的硅片强烈依赖背场的钝化和吸杂，若存在背场或背场印偏的情况，没有背场铝浆所覆盖的话，这个区域由于没有经过钝化和吸杂，很容易出现漏电偏大