1、第四章：第四章：硅太陽能電池的設(shè)計(jì)硅太陽能電池的設(shè)計(jì)2022-3-81 4.1 基礎(chǔ)太陽能基礎(chǔ)太陽能 電池設(shè)計(jì)電池設(shè)計(jì) 4.2 光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì) 4.3 復(fù)合效應(yīng)的復(fù)合效應(yīng)的 降低降低 4.4 電阻損耗電阻損耗 4.5 太陽能電池太陽能電池 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 太陽能電池的設(shè)計(jì)包括明確電池結(jié)構(gòu)的太陽能電池的設(shè)計(jì)包括明確電池結(jié)構(gòu)的參數(shù)參數(shù)以以使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，以及設(shè)置一定的使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，以及設(shè)置一定的限制條件限制條件。這。這些條件由太陽能電池所處的制造環(huán)境所決定。例如，些條件由太陽能電池所處的制造環(huán)境所決定。例如，如果用于如果用于商業(yè)商業(yè)，即以生產(chǎn)最具價(jià)格優(yōu)勢(shì)的電池為目標(biāo)，即以生產(chǎn)最具價(jià)格優(yōu)勢(shì)

2、的電池為目標(biāo)，則需要著重考慮制造電池的則需要著重考慮制造電池的成本成本問題。然而，如果只問題。然而，如果只是用于以獲得高轉(zhuǎn)換是用于以獲得高轉(zhuǎn)換效率效率為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，則主要為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，則主要考慮的便是最高效率而不是成本?？紤]的便是最高效率而不是成本。2022-3-82 4.1.1 基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì) 4.1.1 基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)硅太陽能電池效率的演變硅太陽能電池效率的演變 4.1.1 基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì) 理論上，光伏電池的最高轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到理論上，光伏電池的最高轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到90%以上以上。然。然而，這一數(shù)字的獲得是以幾個(gè)假設(shè)為前

3、提的，這些假設(shè)在實(shí)而，這一數(shù)字的獲得是以幾個(gè)假設(shè)為前提的，這些假設(shè)在實(shí)際上很難或根本不可能達(dá)到，至少在現(xiàn)今人類的科技水平和際上很難或根本不可能達(dá)到，至少在現(xiàn)今人類的科技水平和對(duì)器件物理的理解上很難達(dá)到。對(duì)于硅太陽能電池來說，其對(duì)器件物理的理解上很難達(dá)到。對(duì)于硅太陽能電池來說，其在一個(gè)太陽照射下，比較實(shí)際的理論最高效率值大約為在一個(gè)太陽照射下，比較實(shí)際的理論最高效率值大約為26%-28%?，F(xiàn)今現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的硅太陽能電池的最高效率為硅太陽能電池的最高效率為24.7%。 理論值與實(shí)際測(cè)量值之間的理論值與實(shí)際測(cè)量值之間的差距差距主要來自主要來自兩個(gè)方面因素兩個(gè)方面因素。首先首先，在計(jì)算理

4、論最大效率時(shí)，人們假設(shè)所有入射光子的能，在計(jì)算理論最大效率時(shí)，人們假設(shè)所有入射光子的能量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁帶寬量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁帶寬度與其能量相等的材料吸收了。為了獲得這種理論效果，人度與其能量相等的材料吸收了。為了獲得這種理論效果，人們想出一種由無限多層材料禁帶寬度不同的電池疊加在一起們想出一種由無限多層材料禁帶寬度不同的電池疊加在一起的模型，每一層都只吸收能量與其禁帶寬度相等的光子。的模型，每一層都只吸收能量與其禁帶寬度相等的光子。 第二第二個(gè)因素是假設(shè)入射光有高聚光比。并假設(shè)溫度和電個(gè)因素是假設(shè)入射光有高聚光比。并假設(shè)溫度和電阻效

5、應(yīng)對(duì)聚光太陽能電池的影響很小，而光強(qiáng)的增加能適當(dāng)增阻效應(yīng)對(duì)聚光太陽能電池的影響很小，而光強(qiáng)的增加能適當(dāng)增加短路電流。因?yàn)殚_路電壓加短路電流。因?yàn)殚_路電壓VOC受短路電流的影響，受短路電流的影響，VOC隨著光隨著光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)上升。再者，因?yàn)樘畛湟蜃右搽S著強(qiáng)呈對(duì)數(shù)上升。再者，因?yàn)樘畛湟蜃右搽S著VOC的提高而提高，的提高而提高，所以填充因子同樣隨著光強(qiáng)的增加而提高。因光強(qiáng)的增加而額所以填充因子同樣隨著光強(qiáng)的增加而提高。因光強(qiáng)的增加而額外上升的外上升的VOC和和FF使聚光太陽能電池獲得更高的效率。使聚光太陽能電池獲得更高的效率。 為獲得最高效率為獲得最高效率，在設(shè)計(jì)單節(jié)太陽能電池時(shí)，應(yīng)注意幾項(xiàng)，在設(shè)計(jì)單

6、節(jié)太陽能電池時(shí)，應(yīng)注意幾項(xiàng)原則：原則： 1. 提高能被電池吸收并生產(chǎn)載流子的光的數(shù)量。提高能被電池吸收并生產(chǎn)載流子的光的數(shù)量。 2. 提高提高pn結(jié)收集光生載流子的能力。結(jié)收集光生載流子的能力。 3. 盡量減小黑暗前置電流。盡量減小黑暗前置電流。 4. 提取不受電阻損耗的電流。提取不受電阻損耗的電流。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)5 4.1.1 基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)基礎(chǔ)太陽能電池設(shè)計(jì)被頂端被頂端電極所電極所阻擋阻擋表面反射表面反射被電池的背面反射被電池的背面反射 光的損耗主要以降低短光的損耗主要以降低短路電流的方式影響太陽能電路電流的方式影響太陽能電池的功率。被損耗的光包括池的功率。被損

7、耗的光包括本來有能力在電池中產(chǎn)生電本來有能力在電池中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，但是被電池表面子空穴對(duì)，但是被電池表面反射走的光線。對(duì)于大多數(shù)反射走的光線。對(duì)于大多數(shù)太陽能電池來說，所有的可太陽能電池來說，所有的可見光都能產(chǎn)生電子空穴對(duì)，見光都能產(chǎn)生電子空穴對(duì)，因此它們都能被很好地吸收。因此它們都能被很好地吸收。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)6 4.2.1 光學(xué)特性光學(xué)特性 光的損耗光的損耗有很多有很多減少光損失減少光損失的方法：的方法： 盡量使電池頂端電極覆蓋的面積達(dá)到最?。ūM管這樣可能盡量使電池頂端電極覆蓋的面積達(dá)到最小（盡管這樣可能導(dǎo)致串聯(lián)電阻的增加）。這一點(diǎn)在導(dǎo)致串聯(lián)電阻的增加）。這一點(diǎn)在

8、串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻一節(jié)中有詳細(xì)一節(jié)中有詳細(xì)討論討論 。 在電池上表面加減反射膜在電池上表面加減反射膜 表面制絨表面制絨 增加電池的厚度以提高吸收（盡管任何在與增加電池的厚度以提高吸收（盡管任何在與pn結(jié)的距離大結(jié)的距離大于擴(kuò)散長度的區(qū)域被吸收的光，都因載流子的復(fù)合而對(duì)短于擴(kuò)散長度的區(qū)域被吸收的光，都因載流子的復(fù)合而對(duì)短路電流沒有貢獻(xiàn)）路電流沒有貢獻(xiàn)） 通過表面制絨與光陷阱的結(jié)合來增加電池中光的路徑長度通過表面制絨與光陷阱的結(jié)合來增加電池中光的路徑長度2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)7 4.2.1 光學(xué)特性光學(xué)特性 光的損耗光的損耗 加在太陽能電池上表面的減反射膜與在其他加在太陽能電池上表面

9、的減反射膜與在其他光學(xué)器件（如相機(jī)鏡頭）上的膜相似。它們包含光學(xué)器件（如相機(jī)鏡頭）上的膜相似。它們包含了一層很薄的介電材料層，膜的厚度經(jīng)過特殊設(shè)了一層很薄的介電材料層，膜的厚度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，光在膜間發(fā)生干涉效應(yīng)，避免了像在半導(dǎo)體計(jì)，光在膜間發(fā)生干涉效應(yīng)，避免了像在半導(dǎo)體表面那樣被反射出去。表面那樣被反射出去。這些避免被反射出去的光這些避免被反射出去的光與其它光發(fā)生破壞性干擾，導(dǎo)致被反射出電池的與其它光發(fā)生破壞性干擾，導(dǎo)致被反射出電池的光強(qiáng)為零光強(qiáng)為零。除了減反射膜，干涉效應(yīng)還能在水面。除了減反射膜，干涉效應(yīng)還能在水面上的油膜上看到，它能產(chǎn)生彩虹般的彩色帶。上的油膜上看到，它能產(chǎn)生彩虹般的彩色帶

10、。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)8 4.2.2 光學(xué)特性光學(xué)特性 減反射膜減反射膜 4.2.2 光學(xué)特性光學(xué)特性 減反射膜減反射膜使用厚度為四分之一波長的減反射膜來減少表面反射。使用厚度為四分之一波長的減反射膜來減少表面反射。(a)破壞性破壞性干涉導(dǎo)致干涉導(dǎo)致反射光為反射光為零零(b)建設(shè)性建設(shè)性干涉導(dǎo)致干涉導(dǎo)致所有的光所有的光都被反射都被反射所有光所有光傳入半傳入半導(dǎo)體導(dǎo)體沒有光沒有光傳入半傳入半導(dǎo)體導(dǎo)體 減反射膜的厚度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，剛好為入射光波減反射膜的厚度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，剛好為入射光波長的四分之一。計(jì)算過程如下，對(duì)于折射率為長的四分之一。計(jì)算過程如下，對(duì)于折射率為n1的薄的薄膜材

11、料，入射光真空中的波長為膜材料，入射光真空中的波長為0 0，則使反射最小，則使反射最小化的薄膜厚度為化的薄膜厚度為 d1 1= =0 0/ /（4 4n1 1） 如果減反射膜的折射率為膜兩邊的材料的折射率如果減反射膜的折射率為膜兩邊的材料的折射率的幾何平均數(shù)，反射將被進(jìn)一步降低。即的幾何平均數(shù)，反射將被進(jìn)一步降低。即102nn n 2022-3-810 4.2.2 光學(xué)特性光學(xué)特性 減反射膜減反射膜 4.2.2 光學(xué)特性光學(xué)特性 減反射膜減反射膜 盡管，通過上面的公式，選用相應(yīng)厚度、折射率盡管，通過上面的公式，選用相應(yīng)厚度、折射率膜和相應(yīng)波長的光，能使反射的光減少到零，但是每膜和相應(yīng)波長的光，

12、能使反射的光減少到零，但是每一種厚度和折射率只能對(duì)應(yīng)一種波長的光。一種厚度和折射率只能對(duì)應(yīng)一種波長的光。在光伏應(yīng)在光伏應(yīng)用中用中，人們?cè)O(shè)計(jì)薄膜的厚度和反射率，以使波長為，人們?cè)O(shè)計(jì)薄膜的厚度和反射率，以使波長為0.6m的光的反射率達(dá)到最小。因?yàn)檫@個(gè)波長的能量的光的反射率達(dá)到最小。因?yàn)檫@個(gè)波長的能量最接近太陽光譜能量的峰值。最接近太陽光譜能量的峰值。 如果鍍上如果鍍上多層減反射膜多層減反射膜，能減少反射率的光譜范，能減少反射率的光譜范圍將非常寬。但是，對(duì)于多數(shù)商業(yè)太陽能電池來講，圍將非常寬。但是，對(duì)于多數(shù)商業(yè)太陽能電池來講，這樣的成本通常太高。這樣的成本通常太高。 4.2.2 光學(xué)特性光學(xué)特性 減

13、反射膜減反射膜裸硅裸硅覆蓋有折射率為覆蓋有折射率為2.3的最優(yōu)化抗反膜玻璃的硅的最優(yōu)化抗反膜玻璃的硅（僅）覆蓋玻璃的硅（僅）覆蓋玻璃的硅Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating. 在硅表面制絨，可以與減反射膜相結(jié)合，也可以單獨(dú)使在硅表面制絨，可以與減反射膜相結(jié)合，也可以單獨(dú)使用，都能達(dá)到減小反射的效果。因?yàn)槿魏伪砻娴娜毕荻寄茉鲇?，都能達(dá)到減小反射的效果。因?yàn)槿魏伪砻娴娜毕荻寄茉黾庸夥磸椈乇砻娑皇请x開表面的概率，所以

14、都能起到減小加光反彈回表面而不是離開表面的概率，所以都能起到減小反射的效果。反射的效果。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)13 4.2.3 光學(xué)特性光學(xué)特性 表面制絨表面制絨 4.2.3 光學(xué)特性光學(xué)特性 表面制絨表面制絨 表面制絨有幾種方法。一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面表面制絨有幾種方法。一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面刻蝕便能達(dá)到制絨效果。如果表面能恰當(dāng)符合內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的刻蝕便能達(dá)到制絨效果。如果表面能恰當(dāng)符合內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的話，硅表面的晶體結(jié)構(gòu)將變成由金字塔構(gòu)成的表面。下圖畫出話，硅表面的晶體結(jié)構(gòu)將變成由金字塔構(gòu)成的表面。下圖畫出了一個(gè)這樣的金字塔結(jié)構(gòu)，而緊接著的是用電子顯微鏡拍攝的了

15、一個(gè)這樣的金字塔結(jié)構(gòu)，而緊接著的是用電子顯微鏡拍攝的硅表面制絨。這種制絨方式叫硅表面制絨。這種制絨方式叫“隨機(jī)型金字塔隨機(jī)型金字塔”制絨，通常在制絨，通常在單晶硅電池制造上使用。單晶硅電池制造上使用。 右圖便是組成晶硅右圖便是組成晶硅太陽能電池制絨表面的太陽能電池制絨表面的金字塔結(jié)構(gòu)金字塔結(jié)構(gòu)。單晶硅單晶硅制絨表面的電子顯微鏡掃描照片制絨表面的電子顯微鏡掃描照片 另一種表面制絨方式叫另一種表面制絨方式叫“倒金字塔型倒金字塔型”制絨。這種制絨制絨。這種制絨方法是往硅表面下面刻蝕，而不是從表面往上刻蝕，如圖所方法是往硅表面下面刻蝕，而不是從表面往上刻蝕，如圖所示。示。 4.2.3 光學(xué)特性光學(xué)特性

16、 表面制絨表面制絨單晶硅單晶硅制絨表面的電子顯微鏡掃描照片制絨表面的電子顯微鏡掃描照片 4.2.3 光學(xué)特性光學(xué)特性 表面制絨表面制絨多晶硅多晶硅制制絨表面的絨表面的電子顯微電子顯微鏡照片鏡照片 刻蝕刻蝕多晶硅多晶硅表面時(shí)，上面講到的兩種方法都不能使用，表面時(shí)，上面講到的兩種方法都不能使用，因?yàn)橹挥性谟梢驗(yàn)橹挥性谟删w表面構(gòu)成的表面才能完成有效的形晶體表面構(gòu)成的表面才能完成有效的形態(tài)。而多晶硅表面上，只有一小部分面積才有態(tài)。而多晶硅表面上，只有一小部分面積才有方向。方向。但是多晶硅制絨可以使用光刻技術(shù)和機(jī)械雕刻技術(shù)，即使用但是多晶硅制絨可以使用光刻技術(shù)和機(jī)械雕刻技術(shù)，即使用切割鋸或激光把表面切

17、割成相應(yīng)的形狀。切割鋸或激光把表面切割成相應(yīng)的形狀。 像減小表面反射一樣，充分的吸收入射光也是獲得高轉(zhuǎn)換像減小表面反射一樣，充分的吸收入射光也是獲得高轉(zhuǎn)換效率的必要途徑之一。而吸收光的多少則取決于光路徑的長度效率的必要途徑之一。而吸收光的多少則取決于光路徑的長度和吸收系數(shù)。下面的動(dòng)畫展示了硅太陽能電池對(duì)光的吸收是如和吸收系數(shù)。下面的動(dòng)畫展示了硅太陽能電池對(duì)光的吸收是如何隨著電池厚度變化的。何隨著電池厚度變化的。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)17 對(duì)于厚度超過對(duì)于厚度超過10mm的硅的硅電池來說，入射光能量大于禁電池來說，入射光能量大于禁帶寬度的部分基本全部被吸收。帶寬度的部分基本全部被

18、吸收?？傠娏鞯目傠娏鞯?00%指的是所有能被指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。當(dāng)硅硅吸收的光都被吸收了。當(dāng)硅材料厚度為材料厚度為10微米時(shí)，只有微米時(shí)，只有30%的可吸收光被吸收。損失的可吸收光被吸收。損失的光子用橙色和紅色表示。的光子用橙色和紅色表示。 4.2.4 光學(xué)特性光學(xué)特性電池厚度電池厚度 4.2.5 光學(xué)特性光學(xué)特性 光陷阱光陷阱 最佳的電池厚度并不單單是由吸收所有的光這一需要決最佳的電池厚度并不單單是由吸收所有的光這一需要決定的。例如，如果光在與定的。例如，如果光在與pn結(jié)距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域被吸結(jié)距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域被吸收，但產(chǎn)生的載流子卻被復(fù)合了。此外，就像收，但產(chǎn)生的

19、載流子卻被復(fù)合了。此外，就像復(fù)合引起的電復(fù)合引起的電壓損失壓損失一節(jié)所講那樣，一節(jié)所講那樣，如果電池的厚度變薄但是吸收的光線如果電池的厚度變薄但是吸收的光線不變，開路電壓將比厚電池的大不變，開路電壓將比厚電池的大。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的太陽電池。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的太陽電池通常擁有比電池實(shí)際厚度長幾倍的光路徑長度，所謂電池光通常擁有比電池實(shí)際厚度長幾倍的光路徑長度，所謂電池光路徑長度是指沒被吸收的光在射出電池前在電池內(nèi)所走的距路徑長度是指沒被吸收的光在射出電池前在電池內(nèi)所走的距離。通常稱它為器件厚度。舉例說，一個(gè)沒有光陷阱結(jié)構(gòu)的離。通常稱它為器件厚度。舉例說，一個(gè)沒有光陷阱結(jié)構(gòu)的電池，它的光路徑長度可能只相

20、當(dāng)于電池實(shí)際厚度，而經(jīng)過電池，它的光路徑長度可能只相當(dāng)于電池實(shí)際厚度，而經(jīng)過光陷阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的電池的路徑長度能達(dá)到厚度的光陷阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的電池的路徑長度能達(dá)到厚度的50倍，這意倍，這意味著光線能在電池內(nèi)來回反彈許多遍。味著光線能在電池內(nèi)來回反彈許多遍。 2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)18 4.2.5 光學(xué)特性光學(xué)特性 光陷阱光陷阱 通常，使光子入射在傾斜面上，隨之改變光子通常，使光子入射在傾斜面上，隨之改變光子在電池內(nèi)運(yùn)動(dòng)的角度，便能達(dá)到光陷阱的效果。一在電池內(nèi)運(yùn)動(dòng)的角度，便能達(dá)到光陷阱的效果。一個(gè)經(jīng)過制絨的表面不僅能像前面所講的那樣減少反個(gè)經(jīng)過制絨的表面不僅能像前面所講的那樣減少反射，還

21、能使光斜著入射電池，因此光的路徑長度比射，還能使光斜著入射電池，因此光的路徑長度比厚度大。光入射到半導(dǎo)體的折射角度可以通過折射厚度大。光入射到半導(dǎo)體的折射角度可以通過折射定律求得：定律求得： n1sin1=n2sin 2 其中，其中，12分別是入射角和折射角，而分別是入射角和折射角，而n1為光入為光入射介質(zhì)的折射率，射介質(zhì)的折射率，n2光射出介質(zhì)的折射率。光射出介質(zhì)的折射率。 對(duì)上面的折射定律公式進(jìn)行調(diào)整，則可計(jì)算光在電池入射對(duì)上面的折射定律公式進(jìn)行調(diào)整，則可計(jì)算光在電池入射的角度（即折射角）：的角度（即折射角）： 12112sinn sin/ n 2022-3-820 對(duì)于經(jīng)過表面制絨的單晶

22、硅太陽能電池，由于晶體表面的對(duì)于經(jīng)過表面制絨的單晶硅太陽能電池，由于晶體表面的存在而使得角度存在而使得角度1等于等于36，如下圖所示，如下圖所示光在經(jīng)制絨的太陽能電池上的反射和入射光在經(jīng)制絨的太陽能電池上的反射和入射 4.2.5 光學(xué)特性光學(xué)特性 光陷阱光陷阱 4.2.5 光學(xué)特性光學(xué)特性 光陷阱光陷阱121 -1nnsin 如果光線從折射率大的介質(zhì)入射到折射率小的介質(zhì)，將如果光線從折射率大的介質(zhì)入射到折射率小的介質(zhì)，將有可能發(fā)生全反射。此時(shí)的入射角為臨界角，在上面的方程有可能發(fā)生全反射。此時(shí)的入射角為臨界角，在上面的方程中，設(shè)中，設(shè)2為為0，得：，得： 利用全內(nèi)反射，可以把光困在利用全內(nèi)反射

23、，可以把光困在電池內(nèi)面，使穿入電池的光成倍增電池內(nèi)面，使穿入電池的光成倍增加，因此厚度很薄的電池也能擁有加，因此厚度很薄的電池也能擁有很長的光路徑長度。很長的光路徑長度。 朗伯朗伯背反射層背反射層是一種特殊的背反射層，它能使反射光的是一種特殊的背反射層，它能使反射光的方向隨機(jī)化。電池背反射層的高反射率減小了背電極對(duì)光的方向隨機(jī)化。電池背反射層的高反射率減小了背電極對(duì)光的吸收和光穿出電池的幾率，并把光反彈回電池體內(nèi)。方向的吸收和光穿出電池的幾率，并把光反彈回電池體內(nèi)。方向的隨機(jī)化使得許多反射光都被全反射回去。有些被反射回電池隨機(jī)化使得許多反射光都被全反射回去。有些被反射回電池頂端表面的光與表面的

24、角度大于臨界角，則又再次被全反射頂端表面的光與表面的角度大于臨界角，則又再次被全反射回電池內(nèi)。這樣一來，光被吸收的機(jī)會(huì)就大大增加了，因?yàn)榛仉姵貎?nèi)。這樣一來，光被吸收的機(jī)會(huì)就大大增加了，因?yàn)楣獾穆窂介L度能達(dá)到光的路徑長度能達(dá)到4n2，n為半導(dǎo)體的折射率為半導(dǎo)體的折射率(Yablonovitch and Cody, 1982)。使光的路徑長度長達(dá)電池厚度的。使光的路徑長度長達(dá)電池厚度的50倍倍，因，因此這是一個(gè)十分有效的圍困光線的技術(shù)。此這是一個(gè)十分有效的圍困光線的技術(shù)。 4.2.6 光學(xué)特性光學(xué)特性朗伯背反射層朗伯背反射層朗伯背反射層如下圖所描述：朗伯背反射層如下圖所描述： 4.2.6 光學(xué)特性

25、光學(xué)特性朗伯背反射層朗伯背反射層UNSW新南威爾士大學(xué)新南威爾士大學(xué)小于臨界角入射小于臨界角入射的光逃出電池的光逃出電池光被全光被全反射并反射并圍困在圍困在電池內(nèi)電池內(nèi)入射光入射光電池底部的隨機(jī)散射電池底部的隨機(jī)散射頂角等頂角等于臨界于臨界角的椎角的椎體內(nèi)的體內(nèi)的光損失光損失掉了掉了 復(fù)合效應(yīng)同時(shí)造成光生電流（即短路電流）和前置偏壓注復(fù)合效應(yīng)同時(shí)造成光生電流（即短路電流）和前置偏壓注入電流（即開路電壓）的損失。人們通常依據(jù)發(fā)生在電池內(nèi)的入電流（即開路電壓）的損失。人們通常依據(jù)發(fā)生在電池內(nèi)的區(qū)域區(qū)域不同來對(duì)復(fù)合進(jìn)行分類。一般來說，發(fā)生在電池表面（不同來對(duì)復(fù)合進(jìn)行分類。一般來說，發(fā)生在電池表面（表

26、表面復(fù)合面復(fù)合）和電池體內(nèi)（）和電池體內(nèi)（體復(fù)合體復(fù)合）的復(fù)合是主要的復(fù)合形式。而）的復(fù)合是主要的復(fù)合形式。而耗盡區(qū)耗盡區(qū)則是另外一個(gè)會(huì)發(fā)生復(fù)合的區(qū)域。則是另外一個(gè)會(huì)發(fā)生復(fù)合的區(qū)域。24 4.3.1 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合損耗復(fù)合損耗 為了讓為了讓pn結(jié)能夠吸收所有的光生載流子，結(jié)能夠吸收所有的光生載流子，表面復(fù)合和表面復(fù)合和體復(fù)合都要盡量減到最小體復(fù)合都要盡量減到最小。對(duì)于硅太陽能電池，要達(dá)到這樣。對(duì)于硅太陽能電池，要達(dá)到這樣的效果，所需條件為：的效果，所需條件為： 載流子必須在與載流子必須在與pn結(jié)距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生，才能擴(kuò)結(jié)距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域產(chǎn)生，才能擴(kuò)散到散到pn結(jié)并

27、被收集。結(jié)并被收集。 對(duì)于局部高復(fù)合區(qū)域（比如，沒有鈍化的表面和多晶硅的晶對(duì)于局部高復(fù)合區(qū)域（比如，沒有鈍化的表面和多晶硅的晶界），光生載流子與界），光生載流子與pn結(jié)的距離必須小于與高復(fù)合區(qū)域的距結(jié)的距離必須小于與高復(fù)合區(qū)域的距離。相反，在局部低復(fù)合區(qū)域（比如鈍化的表面），光生載離。相反，在局部低復(fù)合區(qū)域（比如鈍化的表面），光生載流子可以與低復(fù)合區(qū)域距離更近些，因?yàn)樗廊荒軘U(kuò)散到流子可以與低復(fù)合區(qū)域距離更近些，因?yàn)樗廊荒軘U(kuò)散到pn結(jié)并被收集，而不會(huì)復(fù)合。結(jié)并被收集，而不會(huì)復(fù)合。 2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)25 4.3.2 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電流損失復(fù)合引起的電流

28、損失 4.3.2 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電流損失復(fù)合引起的電流損失 電池的前表面和背表面存在局部復(fù)合區(qū)域，意味著能電池的前表面和背表面存在局部復(fù)合區(qū)域，意味著能量不同的光子將有不同的收集概率。藍(lán)光的吸收率很高，并量不同的光子將有不同的收集概率。藍(lán)光的吸收率很高，并且在距離前表面非常近處被吸收，所以如果前表面是個(gè)高復(fù)且在距離前表面非常近處被吸收，所以如果前表面是個(gè)高復(fù)合區(qū)域的話，那么藍(lán)光產(chǎn)生的載流子就不怎么可能被合區(qū)域的話，那么藍(lán)光產(chǎn)生的載流子就不怎么可能被pn結(jié)結(jié)收集。類似的，如果電池的背表面的復(fù)合效應(yīng)很強(qiáng)，將主要收集。類似的，如果電池的背表面的復(fù)合效應(yīng)很強(qiáng)，將主要影響由紅外光產(chǎn)生

29、的載流子（紅外光在電池深處產(chǎn)生載流影響由紅外光產(chǎn)生的載流子（紅外光在電池深處產(chǎn)生載流子）。太陽能電池的量子效率量化了復(fù)合效應(yīng)對(duì)光生電流的子）。太陽能電池的量子效率量化了復(fù)合效應(yīng)對(duì)光生電流的影響。下圖描述了太陽能電池的量子效率。影響。下圖描述了太陽能電池的量子效率。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)27理想和實(shí)際太陽能電池的典型量子效率，描述了復(fù)合損失和光損失的影響理想和實(shí)際太陽能電池的典型量子效率，描述了復(fù)合損失和光損失的影響前表面的反前表面的反射和復(fù)合射和復(fù)合體內(nèi)和背面的體內(nèi)和背面的復(fù)合加上沒被復(fù)合加上沒被吸收的光吸收的光 4.3.2 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電流損失復(fù)合引起的

30、電流損失 4.3.2 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電流損失復(fù)合引起的電流損失 三種不同類型的三種不同類型的晶體硅晶體硅太陽能電池的量子效率曲線。埋太陽能電池的量子效率曲線。埋柵和絲網(wǎng)印刷曲線表示的是電池的內(nèi)部量子效率，而柵和絲網(wǎng)印刷曲線表示的是電池的內(nèi)部量子效率，而PERL曲線則表示電池的外部量子效率。曲線則表示電池的外部量子效率。PERL電池對(duì)紅外光的響電池對(duì)紅外光的響應(yīng)最好，因?yàn)楸涣己玫剽g化，有高效率的背表面反射。應(yīng)最好，因?yàn)楸涣己玫剽g化，有高效率的背表面反射。絲網(wǎng)印刷絲網(wǎng)印刷埋柵埋柵PERL 開路電壓是指當(dāng)前置擴(kuò)散電流與短路電流大小相當(dāng)時(shí)的開路電壓是指當(dāng)前置擴(kuò)散電流與短路電流大小相

31、當(dāng)時(shí)的光電壓。前置擴(kuò)散電流的大小取決于光電壓。前置擴(kuò)散電流的大小取決于pn結(jié)處復(fù)合效應(yīng)的大小，結(jié)處復(fù)合效應(yīng)的大小，即擴(kuò)散電流隨著復(fù)合的提高而上升。結(jié)果是，高復(fù)合提高了即擴(kuò)散電流隨著復(fù)合的提高而上升。結(jié)果是，高復(fù)合提高了前置擴(kuò)散電流反過來卻降低了開路電壓。能表示在前置電壓前置擴(kuò)散電流反過來卻降低了開路電壓。能表示在前置電壓下的復(fù)合大小的材料參數(shù)是下的復(fù)合大小的材料參數(shù)是“二極管飽和電流二極管飽和電流”。而復(fù)合的大。而復(fù)合的大小由小由pn結(jié)邊緣的少數(shù)載流子的數(shù)量控制，即它們離開結(jié)邊緣的少數(shù)載流子的數(shù)量控制，即它們離開pn結(jié)的結(jié)的速度有多快，復(fù)合的速度就有多快。所以，黑速度有多快，復(fù)合的速度就有多快

32、。所以，黑暗前置電流以暗前置電流以及開路電壓將受到下面幾個(gè)因素影響及開路電壓將受到下面幾個(gè)因素影響： pn結(jié)邊緣的少數(shù)載流子數(shù)量。從結(jié)邊緣的少數(shù)載流子數(shù)量。從pn結(jié)另一邊注入的少數(shù)載流結(jié)另一邊注入的少數(shù)載流子數(shù)量，等于在平衡狀態(tài)下的少數(shù)載流子數(shù)量乘以一個(gè)由電子數(shù)量，等于在平衡狀態(tài)下的少數(shù)載流子數(shù)量乘以一個(gè)由電池電壓和溫度決定的指數(shù)因子。因此，盡量減少平衡少數(shù)載池電壓和溫度決定的指數(shù)因子。因此，盡量減少平衡少數(shù)載流子濃度將減少復(fù)合。而減少平衡少數(shù)載流子濃度可以通過流子濃度將減少復(fù)合。而減少平衡少數(shù)載流子濃度可以通過增加摻雜增加摻雜來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 4.3.3 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電

33、壓損失復(fù)合引起的電壓損失 材料的擴(kuò)散長度。短的擴(kuò)散長度意味著少數(shù)載流子由于復(fù)合，材料的擴(kuò)散長度。短的擴(kuò)散長度意味著少數(shù)載流子由于復(fù)合，在在pn結(jié)邊緣處快速消失，以使得更多的載流子通過電池，提結(jié)邊緣處快速消失，以使得更多的載流子通過電池，提高前置電流。因此，高前置電流。因此，必須有長的擴(kuò)散長度必須有長的擴(kuò)散長度才能盡量減少復(fù)合才能盡量減少復(fù)合并獲得高電壓。而擴(kuò)散長度怎取決于電池材料的類型、制造并獲得高電壓。而擴(kuò)散長度怎取決于電池材料的類型、制造電池片的過程和摻雜的情況。高摻雜導(dǎo)致低擴(kuò)散長度，因此電池片的過程和摻雜的情況。高摻雜導(dǎo)致低擴(kuò)散長度，因此需要找到長擴(kuò)散長度需要找到長擴(kuò)散長度(它同時(shí)影響著

34、電流和電壓它同時(shí)影響著電流和電壓)與高電壓之與高電壓之間的平衡。間的平衡。 與與pn結(jié)距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域存在局部復(fù)合區(qū)?？拷Y(jié)距離小于擴(kuò)散長度的區(qū)域存在局部復(fù)合區(qū)?？拷黳n結(jié)結(jié)的高復(fù)合區(qū)（通常為表面或晶界）使得載流子迅速的移向它，的高復(fù)合區(qū)（通常為表面或晶界）使得載流子迅速的移向它，接著被復(fù)合，因此大幅度提高復(fù)合電流。通過接著被復(fù)合，因此大幅度提高復(fù)合電流。通過表面鈍化表面鈍化能夠能夠降低表面復(fù)合的影響。降低表面復(fù)合的影響。 2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)30 4.3.3 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電壓損失復(fù)合引起的電壓損失 4.3.3 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)復(fù)合引起的電

35、壓損失復(fù)合引起的電壓損失 在假設(shè)良好表面鈍化的前提下，摻雜（在假設(shè)良好表面鈍化的前提下，摻雜（ND）對(duì)擴(kuò)散長度和開路電壓）對(duì)擴(kuò)散長度和開路電壓的影響。的影響。擴(kuò)散長度擴(kuò)散長度開路電壓開路電壓下圖顯示對(duì)兩種參數(shù)的權(quán)衡。下圖顯示對(duì)兩種參數(shù)的權(quán)衡。 表面復(fù)合強(qiáng)烈影響短路電流的同時(shí)，也強(qiáng)烈影響著開路電壓。表面復(fù)合強(qiáng)烈影響短路電流的同時(shí)，也強(qiáng)烈影響著開路電壓。 電池前表面的高復(fù)合率對(duì)短路電流產(chǎn)生非常不利的影響，因?yàn)殡姵厍氨砻娴母邚?fù)合率對(duì)短路電流產(chǎn)生非常不利的影響，因?yàn)榍氨砻媸请姵刂休d流子生成率非常高的區(qū)域。要降低此區(qū)域的高復(fù)前表面是電池中載流子生成率非常高的區(qū)域。要降低此區(qū)域的高復(fù)合率，可以通過在表面鍍

36、上鈍化層（通常為二氧化硅）的方式來減合率，可以通過在表面鍍上鈍化層（通常為二氧化硅）的方式來減小硅表面的懸掛鍵。小硅表面的懸掛鍵。 4.3.4 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)表面復(fù)合表面復(fù)合對(duì)電池背部進(jìn)行重?fù)诫s，讓少數(shù)載流子對(duì)電池背部進(jìn)行重?fù)诫s，讓少數(shù)載流子（這里為電子）遠(yuǎn)離高復(fù)合率的背電極（這里為電子）遠(yuǎn)離高復(fù)合率的背電極在電極下面重?fù)诫s，讓少數(shù)載流子遠(yuǎn)離在電極下面重?fù)诫s，讓少數(shù)載流子遠(yuǎn)離高復(fù)合率的前端電極高復(fù)合率的前端電極pn結(jié)的電場(chǎng)結(jié)的電場(chǎng) 二氧化硅二氧化硅“鈍化鈍化”表面并表面并減少表面復(fù)合減少表面復(fù)合 降低表面復(fù)合影響的技術(shù)降低表面復(fù)合影響的技術(shù) 因?yàn)楣杼柲茈姵氐拟g化層通常為絕緣體，所以

37、有金屬電因?yàn)楣杼柲茈姵氐拟g化層通常為絕緣體，所以有金屬電極的區(qū)域便不能被二氧化硅鈍化。取而代之的，是在表面電極極的區(qū)域便不能被二氧化硅鈍化。取而代之的，是在表面電極下面重?fù)诫s，以減小表面復(fù)合的影響。盡管這樣的重?fù)诫s通常下面重?fù)诫s，以減小表面復(fù)合的影響。盡管這樣的重?fù)诫s通常會(huì)嚴(yán)重減小擴(kuò)散長度，但是由于電極區(qū)域并不參與載流子的生會(huì)嚴(yán)重減小擴(kuò)散長度，但是由于電極區(qū)域并不參與載流子的生成，因此它對(duì)載流子的收集的影響并不大。此外，當(dāng)高復(fù)合率成，因此它對(duì)載流子的收集的影響并不大。此外，當(dāng)高復(fù)合率的電池表面非常接近于的電池表面非常接近于pn結(jié)時(shí)，要使復(fù)合的影響達(dá)到最小，就結(jié)時(shí)，要使復(fù)合的影響達(dá)到最小，就必

38、須盡可能的增加摻雜的濃度。類似的方法也使用在減少背表必須盡可能的增加摻雜的濃度。類似的方法也使用在減少背表面復(fù)合率對(duì)電壓和電流的影響上，如果背表面與面復(fù)合率對(duì)電壓和電流的影響上，如果背表面與pn結(jié)的距離小結(jié)的距離小于擴(kuò)散長度。于擴(kuò)散長度。“背電場(chǎng)背電場(chǎng)”由電池背面的高摻雜區(qū)域組成。在高摻由電池背面的高摻雜區(qū)域組成。在高摻雜和低摻雜區(qū)的交界處形成了類似雜和低摻雜區(qū)的交界處形成了類似pn結(jié)的場(chǎng)，相當(dāng)于引入一個(gè)結(jié)的場(chǎng)，相當(dāng)于引入一個(gè)阻止少數(shù)載流子到背面的屏障。而低摻雜區(qū)域的少數(shù)載流子濃阻止少數(shù)載流子到背面的屏障。而低摻雜區(qū)域的少數(shù)載流子濃度也因此保持在了一個(gè)高水平，此背電場(chǎng)也取得了鈍化背面的度也因此

39、保持在了一個(gè)高水平，此背電場(chǎng)也取得了鈍化背面的效果。效果。 4.3.4 減少復(fù)合效應(yīng)減少復(fù)合效應(yīng)表面復(fù)合表面復(fù)合 除了使除了使吸收最大吸收最大化和化和復(fù)合最小復(fù)合最小化之外，設(shè)計(jì)一化之外，設(shè)計(jì)一個(gè)高效率太陽能電池的最后一個(gè)條件，便是使寄生個(gè)高效率太陽能電池的最后一個(gè)條件，便是使寄生電阻造成的損耗降到最低。并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻都電阻造成的損耗降到最低。并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻都會(huì)降低電池的填充因子和效率。有害的會(huì)降低電池的填充因子和效率。有害的低并聯(lián)電阻低并聯(lián)電阻是一種是一種制造缺陷制造缺陷，而不是參數(shù)設(shè)計(jì)的問題。然而，而不是參數(shù)設(shè)計(jì)的問題。然而，由頂端電極電阻和發(fā)射區(qū)電阻組成的由頂端電極電阻和發(fā)射區(qū)電

40、阻組成的串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻就跟就跟并聯(lián)電阻有所不同，必須小心設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)的類型并聯(lián)電阻有所不同，必須小心設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)的類型和尺度以和尺度以優(yōu)化優(yōu)化電池的效率。電池的效率。 2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)34 4.4.1 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻 4.4.1 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻母母柵柵子?xùn)抛訓(xùn)啪W(wǎng)格線網(wǎng)格線 電池的串聯(lián)電阻有幾個(gè)部分組成，如下圖所示。在這些成電池的串聯(lián)電阻有幾個(gè)部分組成，如下圖所示。在這些成分中，發(fā)射區(qū)和頂端電極（包括子?xùn)烹娮韬湍笘烹娮瑁?duì)串分中，發(fā)射區(qū)和頂端電極（包括子?xùn)烹娮韬湍笘烹娮瑁?duì)串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)最大，因此也是最需要優(yōu)化的

41、區(qū)域。聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)最大，因此也是最需要優(yōu)化的區(qū)域。太陽能電池中電阻組成及電流流向太陽能電池中電阻組成及電流流向 金屬頂端電極是用來收集電池產(chǎn)生的電流的。金屬頂端電極是用來收集電池產(chǎn)生的電流的?！澳笘拍笘拧敝苯又苯优c外部電路連接，而與外部電路連接，而“子?xùn)抛訓(xùn)拧必?fù)責(zé)從電池內(nèi)部收集電流并傳送到負(fù)責(zé)從電池內(nèi)部收集電流并傳送到母柵。在頂端電極的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要取得一個(gè)平衡，即窄的母柵。在頂端電極的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要取得一個(gè)平衡，即窄的電極網(wǎng)線所造成的高電阻與寬電極網(wǎng)線造成的遮光面積增加的電極網(wǎng)線所造成的高電阻與寬電極網(wǎng)線造成的遮光面積增加的平衡。平衡。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)36子子?xùn)艝拍?/p>

42、柵母柵 4.4.1 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻太陽能電池頂端觸極設(shè)計(jì)。太陽能電池頂端觸極設(shè)計(jì)。母柵和子?xùn)胚B接并將產(chǎn)生母柵和子?xùn)胚B接并將產(chǎn)生的電流傳到外電極。的電流傳到外電極。 通常，光生電流從電池體內(nèi)垂直移動(dòng)到電池表面，然后通常，光生電流從電池體內(nèi)垂直移動(dòng)到電池表面，然后橫向穿過重?fù)诫s表面，直到被頂端電極收集。橫向穿過重?fù)诫s表面，直到被頂端電極收集。 電池體內(nèi)的電阻和電流被假設(shè)為一個(gè)常數(shù)。電池的體電電池體內(nèi)的電阻和電流被假設(shè)為一個(gè)常數(shù)。電池的體電阻被定義為：阻被定義為： Rb=bw/A 考慮到電池的厚度?？紤]到電池的厚度。 式中式中b為電池的體電阻率（電導(dǎo)率的倒數(shù)）（硅電池通

43、常為為電池的體電阻率（電導(dǎo)率的倒數(shù)）（硅電池通常為0.5-5.0cm），）， A為電池面積，為電池面積，w為電池主體區(qū)域的寬度。為電池主體區(qū)域的寬度。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)37 4.4.2 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)體電阻體電阻 對(duì)于發(fā)射（區(qū)）層，其電阻率和厚度都是不知道的，對(duì)于發(fā)射（區(qū)）層，其電阻率和厚度都是不知道的，使得人們很難通過電阻率和厚度來計(jì)算表層的電阻大小。使得人們很難通過電阻率和厚度來計(jì)算表層的電阻大小。然而，然而，“表層電阻率表層電阻率”，一個(gè)取決于電阻率和厚度的參數(shù)，一個(gè)取決于電阻率和厚度的參數(shù)，卻可以通過電池的卻可以通過電池的n型層表面很輕易地測(cè)量出來。對(duì)

44、于摻雜型層表面很輕易地測(cè)量出來。對(duì)于摻雜均勻的薄層來說，表層電阻率定義為：均勻的薄層來說，表層電阻率定義為： = = / /t 其中，其中， 為為n型層的電阻率，型層的電阻率，t為表層的厚度。為表層的厚度。 表層電阻率通常表示為歐姆表層電阻率通常表示為歐姆/ /平方或平方或/ /2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)38 4.4.3 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)表層電阻率表層電阻率 4.4.3 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)表層電阻率表層電阻率 01tdx/x 只要仍然保持正方形，則無論尺寸多大，方形導(dǎo)電片的只要仍然保持正方形，則無論尺寸多大，方形導(dǎo)電片的電阻都是一樣大的。電阻都是一樣大的。 對(duì)

45、于摻雜不均勻的對(duì)于摻雜不均勻的n型層來說，型層來說，的分布也是不均勻的，則：的分布也是不均勻的，則： 發(fā)射區(qū)的表層電阻率可以使用發(fā)射區(qū)的表層電阻率可以使用“四點(diǎn)探針法四點(diǎn)探針法”非常容易的測(cè)出來。非常容易的測(cè)出來。電流流到探針，并在中間兩個(gè)探針之電流流到探針，并在中間兩個(gè)探針之間產(chǎn)生壓降。間產(chǎn)生壓降。n型區(qū)與型區(qū)與p型區(qū)之間的型區(qū)之間的pn結(jié)扮演著絕緣層的角色，使得測(cè)量表結(jié)扮演著絕緣層的角色，使得測(cè)量表層電阻時(shí)不受影響，此外，測(cè)量時(shí)電層電阻時(shí)不受影響，此外，測(cè)量時(shí)電池必須處在黑暗環(huán)境中。池必須處在黑暗環(huán)境中。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)40 4.4.3 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)表

46、層電阻率表層電阻率 4.4.3 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)表層電阻率表層電阻率I2lnV 利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓和電流，可算得：利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓和電流，可算得： 式中式中/ln2=4.53 一般硅太陽能電池的表層電阻率在一般硅太陽能電池的表層電阻率在30-100/ /之間。之間。 基于前面的表層電阻率，作為頂端電極柵間距的函數(shù)且由基于前面的表層電阻率，作為頂端電極柵間距的函數(shù)且由發(fā)射區(qū)電阻造成的功率損失便可計(jì)算出來。然而，在發(fā)射區(qū)的發(fā)射區(qū)電阻造成的功率損失便可計(jì)算出來。然而，在發(fā)射區(qū)的電流流動(dòng)的距離并不都是相等的。如果電流剛好從電池內(nèi)部流電流流動(dòng)的距離并不都是相等的。如果電流剛好從電池內(nèi)部流到

47、電極附近，則因此路程很短。但是如果電流流到兩個(gè)柵條之到電極附近，則因此路程很短。但是如果電流流到兩個(gè)柵條之間的話，則電阻路徑剛好等于兩個(gè)柵條距離的一半。間的話，則電阻路徑剛好等于兩個(gè)柵條距離的一半。42 載流子從電池的載流子從電池的產(chǎn)生點(diǎn)流到外部電極產(chǎn)生點(diǎn)流到外部電極的理想效果圖。需要的理想效果圖。需要注意的是，實(shí)際中的注意的是，實(shí)際中的發(fā)射區(qū)要比圖中的薄發(fā)射區(qū)要比圖中的薄很多。很多。 4.4.4 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)發(fā)射區(qū)電阻發(fā)射區(qū)電阻 4.4.4 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)發(fā)射區(qū)電阻發(fā)射區(qū)電阻 右圖為計(jì)算由電右圖為計(jì)算由電池表層的橫向電阻造池表層的橫向電阻造成的功率損失時(shí)用到成的

48、功率損失時(shí)用到的數(shù)據(jù)。的數(shù)據(jù)。在在y方向逐漸遞增的功率損失為：方向逐漸遞增的功率損失為：dPloss=l2dR其中其中dR=dy/A 式中式中y為兩個(gè)柵條之間的距離。為兩個(gè)柵條之間的距離。如下圖所示：如下圖所示： 表層橫向電流的大小決定于表層橫向電流的大小決定于y和和I（y），在兩柵條之間），在兩柵條之間的中間點(diǎn)的大小為零，并沿著中間點(diǎn)到柵條的線逐漸增加。的中間點(diǎn)的大小為零，并沿著中間點(diǎn)到柵條的線逐漸增加。 計(jì)算電流的方程為：計(jì)算電流的方程為： I（y）=Jby J為電流強(qiáng)度，為電流強(qiáng)度，b為柵條的長度，而為柵條的長度，而y是兩柵條的間隔距離。是兩柵條的間隔距離。 終上所述，在終上所述，在1/

49、2單元電池中，頂層阻抗引起的功率損耗為：單元電池中，頂層阻抗引起的功率損耗為： 2222232024s/lossJ b ydyJ bSPI ydRb %100V12JSRPPmpmp2maxloss%P2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)44式中式中S同樣為兩柵間距。同樣為兩柵間距。在最大功率輸出點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的功率為在最大功率輸出點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的功率為VmpJmpbs/2，則相對(duì)，則相對(duì)功率損耗為：功率損耗為： 4.4.4 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)發(fā)射區(qū)電阻發(fā)射區(qū)電阻 接觸電阻損耗發(fā)生在硅電池與金屬電極的交界處。要降低接觸接觸電阻損耗發(fā)生在硅電池與金屬電極的交界處。要降低接觸電阻的損耗

50、，就必須對(duì)電阻的損耗，就必須對(duì)n型層的頂層進(jìn)行重?fù)诫s。然而，重?fù)诫s水平型層的頂層進(jìn)行重?fù)诫s。然而，重?fù)诫s水平也會(huì)引起不良后果。即如果高濃度的磷被擴(kuò)散到硅中，當(dāng)溫度下降也會(huì)引起不良后果。即如果高濃度的磷被擴(kuò)散到硅中，當(dāng)溫度下降時(shí)，多余的磷會(huì)被析出電池表層，形成一層時(shí)，多余的磷會(huì)被析出電池表層，形成一層“死層死層”，在這層中光生，在這層中光生載流子的收集幾率非常低。許多商用電池因?yàn)樗缹拥某霈F(xiàn)而導(dǎo)致對(duì)載流子的收集幾率非常低。許多商用電池因?yàn)樗缹拥某霈F(xiàn)而導(dǎo)致對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)很差。因此，解決的辦法是，對(duì)金屬電極的下面部分進(jìn)藍(lán)光的響應(yīng)很差。因此，解決的辦法是，對(duì)金屬電極的下面部分進(jìn)行重?fù)诫s，而表層的其余部分則

51、需控制在一個(gè)平衡值，也就是在獲行重?fù)诫s，而表層的其余部分則需控制在一個(gè)平衡值，也就是在獲得低發(fā)射區(qū)飽和電流和高發(fā)射區(qū)擴(kuò)散長度之間達(dá)到平衡。得低發(fā)射區(qū)飽和電流和高發(fā)射區(qū)擴(kuò)散長度之間達(dá)到平衡。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)45頂端金屬電極頂端金屬電極金屬與硅界面的高接觸電阻金屬與硅界面的高接觸電阻對(duì)界面重?fù)诫s以減小接觸電阻對(duì)界面重?fù)诫s以減小接觸電阻N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū) 4.4.5 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)接觸電阻接觸電阻 頂端電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)不只有子?xùn)藕湍笘烹娮璧淖钚』?，頂端電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)不只有子?xùn)藕湍笘烹娮璧淖钚』?，還包括與頂端電阻有關(guān)的總的損耗的最小化，即包括發(fā)射區(qū)還包括與頂端電阻有關(guān)

52、的總的損耗的最小化，即包括發(fā)射區(qū)的電阻損耗、金屬電極的電阻損耗和陰影損耗。一些設(shè)計(jì)的的電阻損耗、金屬電極的電阻損耗和陰影損耗。一些設(shè)計(jì)的因素決定了損耗規(guī)模的大小，它們包括子?xùn)藕湍笘诺拈g距、因素決定了損耗規(guī)模的大小，它們包括子?xùn)藕湍笘诺拈g距、金屬的寬高橫縱比、金屬柵條的最小寬度以及金屬的電阻率。金屬的寬高橫縱比、金屬柵條的最小寬度以及金屬的電阻率。如下圖所示。如下圖所示。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)46橫縱比橫縱比=高高/寬寬小的高寬橫縱比小的高寬橫縱比柵條的間距柵條的間距大的高寬橫縱比大的高寬橫縱比發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū) 4.4.6 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì) 4

53、.4.6 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)柵間距對(duì)發(fā)射區(qū)電阻的影響柵間距對(duì)發(fā)射區(qū)電阻的影響 正如我們?cè)谡缥覀冊(cè)诎l(fā)射區(qū)電阻發(fā)射區(qū)電阻一節(jié)所講的那樣，來自發(fā)射區(qū)的能一節(jié)所講的那樣，來自發(fā)射區(qū)的能量損耗大小取決于金屬網(wǎng)格的間距，因此，短的柵間距有利于量損耗大小取決于金屬網(wǎng)格的間距，因此，短的柵間距有利于降低發(fā)射區(qū)電阻。降低發(fā)射區(qū)電阻。網(wǎng)格電阻網(wǎng)格電阻 網(wǎng)格電阻的大小取決于金屬的電阻率、網(wǎng)格的排列布局和網(wǎng)格電阻的大小取決于金屬的電阻率、網(wǎng)格的排列布局和金屬柵條的橫縱比。低的電阻率和高的橫縱比對(duì)電池比較有利，金屬柵條的橫縱比。低的電阻率和高的橫縱比對(duì)電池比較有利，但也會(huì)受到制造

54、技術(shù)的限制。但也會(huì)受到制造技術(shù)的限制。陰影損失陰影損失 陰影損失是覆蓋在電池表面的金屬柵條阻擋光線射入電池陰影損失是覆蓋在電池表面的金屬柵條阻擋光線射入電池引起的。引起的。設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則 雖然頂端電極的設(shè)計(jì)方案眾多，但基于現(xiàn)實(shí)原因，大多雖然頂端電極的設(shè)計(jì)方案眾多，但基于現(xiàn)實(shí)原因，大多數(shù)的電池表面金屬網(wǎng)格設(shè)計(jì)都是相對(duì)簡單和十分勻稱的。勻數(shù)的電池表面金屬網(wǎng)格設(shè)計(jì)都是相對(duì)簡單和十分勻稱的。勻稱的網(wǎng)格把電池分成均等的幾部分。設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)重要的原稱的網(wǎng)格把電池分成均等的幾部分。設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)重要的原則要注意則要注意(Serreze, 1978) ： 最優(yōu)的母柵寬度，最優(yōu)的母柵寬度，WB，此時(shí)母柵的電阻損

55、耗大小等于它的陰，此時(shí)母柵的電阻損耗大小等于它的陰影損耗。影損耗。 寬度逐漸變小的柵條要比等寬的柵條所造成的損耗小。寬度逐漸變小的柵條要比等寬的柵條所造成的損耗小。 電池的面積越小、柵條的寬度電池的面積越小、柵條的寬度WF越小以及柵條間隔越小以及柵條間隔S越小，越小，則損耗越小。則損耗越小。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)48 4.4.6 頂端電極的設(shè)計(jì)頂端電極的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)49頂端電極設(shè)計(jì)的示意圖，展示了母柵和子?xùn)诺男螤罱Y(jié)構(gòu)分布。頂端電極設(shè)計(jì)的示意圖，展示了母柵和子?xùn)诺男螤罱Y(jié)構(gòu)分布。子?xùn)抛訓(xùn)拍笘拍笘?4.4.6 頂端電極的設(shè)計(jì)頂

56、端電極的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì) 對(duì)于硅太陽能電池來說，經(jīng)過基本設(shè)計(jì)，在表面反射、對(duì)于硅太陽能電池來說，經(jīng)過基本設(shè)計(jì)，在表面反射、載流子收集、載流子復(fù)合和寄生電阻這幾方面進(jìn)行優(yōu)化后，載流子收集、載流子復(fù)合和寄生電阻這幾方面進(jìn)行優(yōu)化后，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到大約轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到大約25%的理論值。下圖是進(jìn)行過這樣優(yōu)化的理論值。下圖是進(jìn)行過這樣優(yōu)化的太陽能電池。的太陽能電池。2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)50制絨和鍍減反射膜制絨和鍍減反射膜表面摻雜表面摻雜母柵母柵背電極背電極子?xùn)抛訓(xùn)?4.5.1 太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu)硅太陽能電池的參數(shù)硅太陽能電池的參數(shù)基礎(chǔ)太陽能設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)太陽能

57、設(shè)計(jì)方法 1. 襯底材料（通常為硅）襯底材料（通常為硅） 硅太陽能電池能在現(xiàn)代光伏市場(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位，一部分硅太陽能電池能在現(xiàn)代光伏市場(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位，一部分是得益于硅材料在集成電路產(chǎn)業(yè)的杰出表現(xiàn)。而就像在二極是得益于硅材料在集成電路產(chǎn)業(yè)的杰出表現(xiàn)。而就像在二極管的制造材料中一樣，硅材料的參數(shù)并不是最好的。特別是管的制造材料中一樣，硅材料的參數(shù)并不是最好的。特別是，硅的禁帶寬度對(duì)于最優(yōu)的太陽能電池來說，還是稍微有點(diǎn)，硅的禁帶寬度對(duì)于最優(yōu)的太陽能電池來說，還是稍微有點(diǎn)過低了，因?yàn)楣枋侵苯訋栋雽?dǎo)體，其吸收系數(shù)比較低。雖過低了，因?yàn)楣枋侵苯訋栋雽?dǎo)體，其吸收系數(shù)比較低。雖然低吸收系數(shù)的問題可以通過光陷

58、阱來解決，但是很難把硅然低吸收系數(shù)的問題可以通過光陷阱來解決，但是很難把硅的表層制造的很薄。盡管如此，硅的資源卻十分豐富，它在的表層制造的很薄。盡管如此，硅的資源卻十分豐富，它在半導(dǎo)體制造行業(yè)的優(yōu)勢(shì)使得其它材料難以匹敵。半導(dǎo)體制造行業(yè)的優(yōu)勢(shì)使得其它材料難以匹敵。 2022-3-8UNSW新南威爾士大學(xué)51 4.5.1 太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu)硅太陽能電池的參數(shù)硅太陽能電池的參數(shù) 4.5.1 太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池的結(jié)構(gòu)硅太陽能電池的參數(shù)硅太陽能電池的參數(shù)2. 電池厚度（電池厚度（100-500m） 經(jīng)過優(yōu)化的伴有光陷阱和表面鈍化的硅太陽能電池，經(jīng)過優(yōu)化的伴有光陷阱和表面鈍化的硅太陽能電池， 厚度大概在厚度大概在100m。然而，。然而，200-500m的厚的厚 度也是很常使度也是很常使 用到的，部分原因是考慮到實(shí)際情況，如表面制造薄層或用到的，部分原因是考慮到實(shí)際情況，如表面制造薄層或 表