-
提高丝网印刷太阳电池效率的路径
Roadmap to Enhance the Efficiency of a
Screen Printed Solar Cell
生产程序概况如下
:
1
．
初始表面处理与绒面成型
(Etching
，
Cleaning and
Texturing
Surfaces)
↓
2
．
磷扩散
制
p/n
结与参数测试
(Phosph
orus Diffusion and Test)
↓
3
．
等离子周边刻蚀与表面腐蚀清洗
(Plasma
Etching
and
PSG
Chemical
Etching)
↓
4
．
减反射
膜淀积，钝化与正面电场
(Si
3
N<
/p>
4
Anti-reflection
- AR
Coating)
↓
5
．
丝网印刷电极和烧结背场（
Screen
Printing,
Sintering
and
Back
Surface
Field
）
↓
6
．
电池性能测试和分类
(Measurement and
Sorting)
从
1970
年代至
2003
年左右，规模化生产太阳能
电池的效率最高
14
％。
低成本、
高效率，
< br>相互联系，
高效率是关键，
现在生产
18
％
。
光－电能量转换效率
η
为：
P
max
I
mp
V
mp
I
sc
V
oc
FF
?
?
?
?
P
< br>in
P
in
P
< br>in
在太阳能电池
I-V
特性曲线上作出
R
s
和
R
sh
(
Δ
V/
Δ
I
=
R
s
，<
/p>
Δ
V/
Δ
I
= R
sh
）的图示。作出最大功率点
Pm
及表示
FF
的方框图，写出用
I,V
表示
FF<
/p>
和
Pm
的公式。
I
R
sh
=
Δ
V/
Δ<
/p>
I
Isc
I
m
Δ
V
Pm
Δ
I
Rs=
Δ
V/
Δ
I
Δ
V
V
m
Voc
Δ
I
V
FF
?
I
m<
/p>
V
m
；
I
sc
V
oc
P
m
=
I
m
V
m
=
I
sc
V
oc
FF
图
p-n
结的品质与
FF
、
R
s
和
R
sh
的关系
1
．
与
能量转换效率
η
相关的参数
(
The Components of Efficiency
)
（
1
）
开路电压
V
oc
(
Open circuit voltage
V
oc
)
V
oc
?
nkT
I
L
ln(
?
1
)
q
I
o
式中
, I
o
是无光照时电池的反向饱和电流
;q
是电子电荷
;k
是
玻尔兹曼常数
;T
是绝对温度
;n
是二极管理想因子
.
（
2
）
短路电流密度
J
sc
(<
/p>
Short circuit current density
J
sc
)
短路电流
I
sc
：
理想状态下，
应等于光生电流
I
L
，
即
I
sc
＝
I
L
。
(
short
circuit
current,
I
sc
,
which
ideally
is
equal
to
the
light generated current
I
L
)
（
3
）
填充因子
FF
(
Fill factor
FF
)
填充因子
FF
：
FF
?
V
mp
I
mp
V
oc
I
sc
。
实际上是在有光照的
I
－
V
曲线内最大矩形面积的测量。
(
Fill
factor
defined
as
the
measure
of
squareness
of
the
illuminated I-V curve or
FF
?
P<
/p>
max
I
mp
V
mp
I
sc
V
oc
FF
结果，能量转换效率
?
?
。
?
?
P
in
P
in
P
in
V
mp
I
mp
V
oc
I
sc
)
(
The energy
conversion efficiency Eff.
?
?
P
max
I
mp
V<
/p>
mp
I
sc
V<
/p>
oc
FF
)
<
/p>
?
?
P
in
P
in
P
in
2
．有那些参数影响开路电压
Voc
的呢？
(What parameters affect
V
oc
)
材料－光伏有源材料：电阻
率
ρ
，少子寿命
τ
，其它杂质等
(
Material
－
active material,
ρ
τ
…
)
。
表面发射极掺杂层
(
Emitter<
/p>
)
；
背面电场
（
BSF
）
(
Back surface
field
)
；
漏电流－反向饱和电流
I
o
(
Leakage
currents
–
reverse
saturation
current
)
；
理想因子
n
(
Ideality factor
n
)
；
并联电阻
R
sh
(
Shunt
resistance
)
；
钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化
(
Pa
ssivation
–
surface
and
inner
)
。
3
．有那些参数影响短路电流
I
sc
的呢？
(Wh
at
parameters
affect
the
short circuit
currents)
绒面结构
(
Surface
Texture
);
正面减反射膜
(
AR
coating
)
；
表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度
(
Emitter
–
high
or
low
surface
phosphorus
concentration
)
；
减少遮光损失
(
Reduce
shading loss
)
；
串连电阻
R
s
(
Series
resistance
);
背面反射
(
Back surface
reflectance
)
；
钝化技术－电池材料的表面和内部的钝化
(
P
assivation
–
surface
and
inner
)
。
4
．
有那些
参数影响填充因子
FF
的呢？
(Wha
t parameters affect the FF)
表面发射极掺杂层－高或低的磷浓度
(
Emitter
–
high
or
low
surface
phosphorus
concentration
)
；
<
/p>
去
除周边
pn
结
和
去
磷
硅玻
璃
(
Remove
edge
junction
and
phosphorus silicon
glass
)
；
串连电阻
R
s
(
< br>电极接触、金属指条宽度和纵横比大小
)(
Series
resistance (contact,
finger etc)
);
正面减反射膜
(
AR
coating
)
；
金属电极接触的烧结
(
Firing
< br>)
；
并联电阻
R
sh
(
Shunt
resistance
)
。
5
．
有那些
参数影响填充因子
FF
的呢？
(Wha
t parameters affect the FF)
等效电路
(Equivalent Circuit)
（在光照下的太阳电池）
(Illuminated
Solar Cell)
电池结构（损失的成分）
Cell Structure
(Loss Components)
Bus bar
Gridline
Co
ntact
n
+
-Si
Shunting/
Leakage
Sheet
Bulk
Contact
S
< br>i
-
p
o
c
k
t
c
a
n
t
c
a
b
?
?
q
?
V
?
JR
s
?
?
?
?
?
q
?
V
?
JR
< br>s
?
?
?
?
V
?
JR
s
?
J
?
J<
/p>
L
?
J
01
?
exp
?
.
?
n
kT
?
?
?
1
?
?
J
02
?
exp
?
?
n
kT
?
?
?
1
?
?
R
1
2
sh
?
?
?
?
?
?
?
?
6
．为了提高丝网印刷（
SP
）填充因子
FF
，必须解决下列问题：
(To
improve SP fill factors, the following must be
determined):
（<
/p>
1
）
金属电极接触的烧结对总串连电阻<
/p>
R
s
（特别是对
r
c
）的影响；
(effect of contact firing on the
overall
R
series
(especially on r
c
))
< br>（
2
）
金属电极接触的烧结对<
/p>
pn
结质量（并联电阻
R
sh
和
J
< br>02
）的影
响；
(impact of contact firing on junction
quality (
R
shunt
and
J
o2
))
What parameters affect the
FF
Cell Structure
(Loss
Components)
Equivalent
Circuit
(Illuminated Solar
Cell)
R
series
Bus b
ar
Gridline
Contact
J
V
n
+
-S
i
Shunting/
Leakage
Sheet
Bulk
Contact
J
sc
J
o1
J
o2
R
shunt
S
i
p
-
t
a
o
n
c<
/p>
k
c
t
c
b
a
?
?
q
?
V
?
JR
s
?
< br>?
?
?
?
q
?
V
?
J
R
s
?
?
?<
/p>
?
V
?
JR
s
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
< br>V
J
?
J
L
?
?
J
0
1
?
?
exp
?
1
?
J
ex
p
.
?
q
?<
/p>
V
?
JR
q
V
?
?
?
1
JR
?
?
?
?
s
?
?
n
s
kT
< br>?
J
02
?
?
exp
02
?
< br>JR
s
?
?
?
?
?
?
J
?
J
L
?<
/p>
J
01
?
exp
?
?
1
?
?
1
?
.
?
?
n
kT
R
1
?
sh
?
?
?
?
< br>n
kT
?
?
2
?
R
?
?
?
?
2
sh
?
?
?
?
n
1
kT
?
?
?
?
To
improve SP fill factors,
the following
must be determined:
?
effect
of contact firing on the overall
R
series
(especially on
r<
/p>
c
)
?
impa
ct of contact firing on junction quality
(
R
shunt
and
J
o2
)
*
减少遮光损失，提升了短路电流<
/p>
J
sc
，从而提高了能量转换效率
η
*Reduce shading
loss, improve J
sc
and
increase
η
Final
finger width
最后的金属指条宽
度
(
μ
m)
Shading
遮光所占的面
积
(%)
J
sc
Efficiency
Efficiency
Solarfun Std
短路电流
J
sc
能量转换效率
(mA/cm
2
)
η
能量转换效率
η
(%)
（林洋的标准）
(%)
150
120
100
6.3
5.0
4.2
34.4
34.8
35.3
16.7
16.9
17.2
17.3
17.5
17.8
附录
1<
/p>
：太阳能电池能量转换效率
η
太阳能电池能量转换效率
η
式表示为
:
,
是最大输出电功率与相应的输入光功率之比
,
公
?
?
P
max
I
mp
V
< br>mp
I
sc
V
< br>oc
FF
?
< br>?
P
in
P
in
P
in
式中
< br>P
in
是太阳电池整个面积的总输入光功率
.
对于陆地上的应用
,
标准测试条
件是
:
一个太阳
, AM1.5G, 1000W/m
2
(
或
100mW/cm
2
), 25
o
C.
因此
,
太阳电池的三个参数
V
oc
,
I
sc
和
FF
就能确定太阳电池的效率
.
为了
获得高的效率
,
这三个参数应该尽可能高
.
(a)
为了获得高的开路电压
V
oc
,
<
/p>
电池必须有低的正向暗电流
I
o
,
高的并联
电阻
R<
/p>
sh
.
(b)
为了获得高的光电流
(
短路电流
I<
/p>
sc
)
,
电池
材料和结构应该在紫光
,
可见光
和近红
外光谱范围有高的
,
宽的和平坦的光谱响应
,
内量子效率接近于
1.
(c)
为了获得高的填充因子
FF,
电池必
须有低的正向暗电流
I
o
,
理想因子
”
n
”
接近于
1,
串联电阻必须低
(
< 1
?
),
并联电阻
R
sh
必须大
(
>
10
2
?
·
cm
2
).
附录
2
：
太阳能电池的能量转换效率
?
与有源材料的带隙宽度
E
g
和反向饱和电
流
I
o
的直接关系
有
电流
I
通过外电路负载并跨过负载的电压为
V
时
,
光电流
< br>I
L
和
I
sc
= I
L,
那么
,
I
?
I
L
?
I
o
(
e
qV
nkT
?
1
)
?
I
sc
?
I
0
(
e
qV
(
e
nkT
qV
nkT
?
1
)
这时
,
电池的功率输出
P
为
:
P
?
IV
?<
/p>
[
I
sc
?
I
o
?
1
)]
V
式中
, I
o
是无光照时电池的反向饱和电流
;q
是电子电荷
;k
是玻尔兹
曼常数
;T
是绝对温度
;n
是二极管理想因子
.
令
dP
= 0,
即太阳电池最大的功率输出
P
max
为
:
dV
(
1
?
qV
mp
nkT
qV
mp
)
e
nkT
?
1
?
I
sc
I
o
式中
,
V
mp
是相应于最大功率输出点的电压
.
由
这个方程可以得到
I
sc
,
并代
入前面一式
,
< br>相应于最大功率输出点的电流
I
mp
可得到为
:
I
< br>mp
?
qV
mp
nkT
qV
mp
I
o
e
nkT
qV
mp
式中
,
e
nkT
可以从前面一式得到
,
代入再上一式
,
再从上面的效率公式
?
,
则
:
?
?
2
qV
mp
nkT
(
1
?
I
o
qV
mp
nkT
(
1
?
)
P
in
I
sc
)
I
o
而
I
o
与材料
带隙
E
g
相关
,
由经验公式给出
:
I
o
?
Ce
?
E
g
nkT
式中
,
C
is
是个常数
.
把它代入上面公式<
/p>
,
可以看出
效率
?
,
直接与反向饱和电
流
I
o
相关
,
也就是直接与材料带隙
E
g
相
关
.
我们可以得出下面几点结论
:
(i)
材料带隙
E
g
越宽
,
吸收的光子数越少
,
导致电池的光电流
I
L
越低
,
短路电流
I
sc
越
低
,
则效率
?
越低
;
但是
,
带隙
E
g
越宽
,
导致电池的反向饱和电流
I
o
越小
,
因而
开路电压
V
oc
越大
,
则效率
?
越高
;
(ii)
材料带隙
E
g
越窄<
/p>
,
电池的反向饱和电流
I
o
越大
,
因而开路电压<
/p>
V
oc
越小
,
则
效率
?
越低
;
吸收了高能光子激发电子
-
空穴对后
,
能量的一部份转化为晶格
振动的热能
,
浪费了光的能量
;
但是
,
材料带隙
E
g
越窄
,
可被吸收的光子数
越多
,
因而光电流
I
L
越大
,
短路电流
I
sc
越大
,
则效率
?
越高
;
(iii)
最高的效率是处在材
料带隙
E
g
?
1.4
eV.
能量转换效率
?
与材料带隙
E
g<
/p>
的关
系已经有图像曲线表证
.
附录
3
：
太阳能电
池的反向饱和电流
I
o
可表示为
：
qD
e
n
2
qD
h
n
2
i
i
I
o
?
A
(
*
F
p
?
*
F
n<
/p>
)
L
e
N
A
L
h
N
D
式中，
A
为太阳能电池的横断面积；在括号内，第一项是对
p
形材料
的，第二项是对
n
形材料的；
q
是电子电荷量，
n
i
是本征浓度，在任何确
定的半导体材料，平衡态下
n
2
np
，
n
是负电荷载流子浓度
，
p
是正电荷载
i
=
流子浓度；在
p
形材料中，
p
?
N
A
和
n
?
n<
/p>
2
i
N
A
? p,
式中
N
A
是受主杂质
浓度；而在
n
形材料中，
n
?
N
D
和
p
?
n
2
i
N
D
? n, 式中
N
D
是施主杂质浓
?
?
度；离化了
的受主
N
A
带有净负电荷，
N
A
?
N
A
，和离
化了的施主
N
?
D
带有
净正电荷，
N
?
D
?
N
D
.
F
p
是
p<
/p>
形材料一边的背面复合因子和
F
n
是
n
形材料
一边的正
面复合因子。
从这个公式可知，
要降低太阳能电池的饱和电流
I
o
(
也就是提高开路
电压
V
oc
),
就需要提高掺杂的杂质浓度
N
A
和
N
D
。但这样做
也有反作用，杂
质浓度不能太高。当掺杂的杂质浓度
N
A
和
N
D
增加时，少数载流子寿命
τ
，
少数载流子扩散长度
L
和载流子迁移率
μ
都会减少。
高掺杂的杂质浓度
N
A
和
N
D<
/p>
趋于降低饱和电流
I
o
< br>而提高开路电压
V
oc
。
硅片越薄，
越会降低体内复合，
降低饱和电流
I
o
提高
V<
/p>
oc
。但是光吸收减少了，导致短路电流下降了，这就
需要引进光陷技术来补偿。
附录
4
：<
/p>
影响电池性能
V
oc
，
I
sc
，
FF
的因素
:
V
oc
:
硅
(Si)
基片性质
< br>(
晶向
,p
型
< br>/n
型
,
电阻率
,
少子寿命等
),p/n
结掺
杂浓度
,
电池结构形式
,
并联电阻等
;
I
sc
:
硅
基片性质
(
少子寿命等
),
表面反射
,
光陷作用
,
硅片对光不全吸
收
,p/n
结对载流子不全收集和收集面积等
;
FF
:
硅
(
Si)
基片性质
(
电阻率
,
少子寿命等
),
电池结构
,
电极接触
,
串联电
阻，并联电阻等
.
目的
:
提高
V
oc
, I
sc
,
和
FF,
要有高效率，同时也要降低成本
(
采用便宜的材
料与工艺方法
).
措施
:
衬底材料质量，
绒面
,
前场
,
浅结
,
细密栅和高纵横比
,
减反射膜
,
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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