太陽電池光學(xué)損失和頂電極優(yōu)化設(shè)計

1、 江西太陽能科技職業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 論 文題 目：太陽電池光學(xué)損失和頂電極優(yōu)化設(shè)計學(xué) 校：江西太陽能科技職業(yè)學(xué)院專 業(yè)：光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù)班 級：10光伏材料四班學(xué)生姓名：梁 珍學(xué) 號：指導(dǎo)教師：李禹華時間：2010年10月29日目 錄摘 要2第一章：引言3第二章 晶體硅太陽電池金屬電極光學(xué)損失的理論分析與實驗研究42.1引言52.2理論計算52.3樣品制備82.4結(jié)果與討論102.5結(jié)論11第三章 太陽能電池柵線電極的優(yōu)化設(shè)計113.1太陽電池載流子收集圖示113.2實例描述123.3頂層擴(kuò)散層133.4 結(jié)論14致 謝15參考文獻(xiàn)16摘 要本文基于絲網(wǎng)印刷和絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池，分

2、析了太陽電池前表面金屬電極引起的光學(xué)損失的各種情況考慮到空氣-玻璃界面和金屬電極兩側(cè)邊緣區(qū)域的反射，通過將金屬電極截面近似為半橢圓形模擬了電極的光學(xué)損失，計算得到的有效寬度比約為金屬電極幾何寬度的40%通過對不同類型樣品反射譜的測量計算，同時在理論模擬和實驗測量上得到了太陽電池前表面金屬電極的光學(xué)損失，相應(yīng)的理論與實驗結(jié)果相符。關(guān)鍵詞：光學(xué)損失，有效寬度比，光誘導(dǎo)電鍍，反射譜AbstractOnemainfactorofrestrictingindustrialcrystallinesolarcellefficiencyistheopticallossescausedbythemetalfro

3、ntsidecontactsincludingtheabsorptionlossandreflectionlossBasedonscreen-printedandscreen-printedseedlayersthickenedbylight-inducedelectroplatingsolarcellsinthispapervariouscasesofopticallossesduetothemetalcontactsareanalyzedTakingintoaccountthereflectionsintheair-glassinterfaceandtheedgeregionsofmeta

4、lcontactstheopticallossesaresimulatedbyassumingapproximatelyhalf-ovalcross-sectionofmetalcontactsTheresultsshowthattheeffectivewidthratioisabout40%ofthemetalcontactgeometrywidthBymeasuringandcalculatingthereflectionspectraofdifferenttypesofsamplestheopticallossesofthemetalfrontsidecontactsofsolarcel

5、lsareobtainedintheoreticalsimulationandexperimentalmeasurementThecorrespondingtheoryandtheexperimentalresultsareingoodagreementwitheachother efficiency electronic properties herrington chalcopyrite第一章：引言目前常規(guī)產(chǎn)業(yè)化晶體硅太陽電池前表面主要是由產(chǎn)生光電流13的氮化硅受光區(qū)域和收集電流的金屬柵線電極組成，而由于電極電阻引起的電學(xué)損失和電極遮光引起的光學(xué)損失是制約太陽電池效率提升的主要因素加大柵線

6、寬度可以減低柵線的線電阻，減小電學(xué)損失，但是也同時增大了金屬電極的遮光面積，優(yōu)化的電池設(shè)計需要綜合考慮電池電學(xué)損失和光學(xué)損失兩方面的因素，例如在前表面制備大的高寬比的金屬電極德國研究所為此采用了前表面雙層金屬電極的方法：首先采用絲網(wǎng)印刷在前表面制備金屬電極種子層，然后應(yīng)用光誘導(dǎo)電鍍的方法加厚銀電極，得到低柵線電阻的太陽電池在光誘導(dǎo)電鍍的過程中，太陽電池浸入銀鍍液，電池背表面與外電源陰極相連，前表面受光照產(chǎn)生光電流與外電源陽極相連的銀棒浸入電鍍液體，在電勢驅(qū)動下產(chǎn)生銀離子沉積在前表面金屬電極上使用光誘導(dǎo)電鍍技術(shù)得到了效率高達(dá)23.3%的實驗室級的太陽電池4，而采用雙層極技術(shù)得到了效率為18.4%

7、的產(chǎn)業(yè)化高效太陽電池5在光誘導(dǎo)電鍍過程中，柵線寬度不斷增加，增大了前表面的光學(xué)損失，影響了效率的提升，因此分析前表面金屬電極的所引起的光學(xué)損失的產(chǎn)生機(jī)理，研究平衡電學(xué)損失和光學(xué)損失矛盾的技術(shù)路線至關(guān)重要已有文獻(xiàn)將金屬電極的截面假定為半圓形，通過在太陽電池表面覆蓋異丙醇和玻璃半定量的分析了前表面電池的光學(xué)損失6本文基于產(chǎn)業(yè)化太陽電池普遍采用的絲網(wǎng)印刷技術(shù)和新興的絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍技術(shù)，綜合考慮了封裝后（EVA）和玻璃的影響，分析了太陽電池前表面光學(xué)損失產(chǎn)生的各種情況，將金屬電極近似為半橢圓形，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀測和反射譜79測量，定量模擬計算了前表面金屬電極引起的光學(xué)損失，并與實驗

8、上所得到的封裝太陽電池的光學(xué)損失結(jié)果進(jìn)行了比較.當(dāng)選定某種半導(dǎo)體材料來制作太陽能電池時，為了獲得盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率，對電池的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。而設(shè)計時考慮的原則有：如何減小入射光的反射和透射損失？如何使光生載流子盡可能地被結(jié)收集，以使光電流最大、暗電流最??？功率損耗最小的電流收集柵線的設(shè)計。太陽能電池芯片做好之后，為了將光電流收集起來并輸送到負(fù)載上使用，存在一個與高效電池結(jié)構(gòu)設(shè)計相應(yīng)的電池柵線結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計問題。柵線結(jié)構(gòu)設(shè)計得好，將使電池的串聯(lián)電阻最小，從而使功率損耗最小、輸出功率最大，這對大面積功率輸出的單體太陽能電池尤為重要。第二章 晶體硅太陽電池金屬電極光學(xué)損失的理論分析與實驗研

9、究本文基于絲網(wǎng)印刷和絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池，分析了太陽電池前表面金屬電極引起的光學(xué)損失的各種情況考慮到空氣-玻璃界面和金屬電極兩側(cè)邊緣區(qū)域的反射，通過將金屬電極截面近似為半橢圓形模擬了電極的光學(xué)損失，計算得到的有效寬度比約為金屬電極幾何寬度的如通過對不同類型樣品反射譜的測量計算，同時 在理論模擬和實驗測量上得到了太陽電池前表面金屬電極的光學(xué)損失，相應(yīng)的理論與實驗結(jié)果相符合.2.1引言目前常規(guī)產(chǎn)業(yè)化晶體硅太陽電池前表面主要是由產(chǎn)生光電流的氮化硅受光區(qū)域和收集電流的金屬柵線電極組成，而由于電極電阻引起的電學(xué)損失和電極遮光引起的光學(xué)損失是制約太陽電池效率提升的主要因素，加大柵線可低柵線的線電阻

10、，減小電學(xué)損失，但是也同時增大了金屬電極的遮光面積，優(yōu)化的電池設(shè)計需要綜合考慮電池電學(xué)損失和光學(xué)損失兩方面的因素，例如在前表面制備大的高寬比金屬電極為此采用了前表面雙層金屬電極的方法：首先，采用絲網(wǎng)印刷在前表面制備金屬電極種子層，后應(yīng)用光誘導(dǎo)電鍍的方法加厚銀電極，得到低柵線電阻的太陽電池，光誘導(dǎo)電鍍的過程中，陽電池浸入銀鍍液，電池背表面與外電源陰極相連，前表 面受光照產(chǎn)生光電流。外電源陽極相連的銀棒浸入電鍍液體，在電勢驅(qū)動下產(chǎn)生銀離子沉積在前表 面金屬電極上使用光誘導(dǎo)電鍍技術(shù)得到了效率高23.3%實驗室級的太陽電池，而采用雙層電技術(shù)得到了轉(zhuǎn)化效率為18.4%的產(chǎn)業(yè)化高效太陽電池。在光誘導(dǎo)電鍍過

11、程中，柵線寬度增加，增大了前表面的光學(xué)損失，影響了效率的提升，因此分析前表面金屬電極的所引起的光學(xué)損失的產(chǎn)生機(jī)理，研究平衡電學(xué)損失和光學(xué)損失矛盾的技術(shù)路線至關(guān)重。有文獻(xiàn)將金屬電極的截面假定為半圓形，通過在太陽電池表面覆蓋異丙醇和玻璃半定量的分析了前表面電池的光學(xué)損失本文基于產(chǎn)業(yè)化太陽電池普遍采用的絲網(wǎng)印刷技術(shù)和新興的絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍技術(shù)，考慮了封裝后乙烯醋酸乙烯脂共聚物的影響，分析了太陽電池前表面光學(xué)損失產(chǎn)生的各種情況，將金屬電極近似為半橢圓形，通過掃描電子顯微鏡和反射譜“9測量，定量模擬計算了前表面金 屬電極引起的光學(xué)損失，并與實驗上所得到的封裝太陽電池光學(xué)損失結(jié)果進(jìn)行了比較。2.2理論

12、計算當(dāng)太陽光透過玻璃和EVA入射到晶體硅太陽電池上時，入射到電池電極表面的太陽光部分被吸收，部分被反射出組件，部分反射到電池氮化硅受光區(qū)域由于金屬電極對太陽光的吸收會造成吸收損失，而電極將入射的太陽光反射出組件會造成反射損失，這兩部分損失之和就是金屬電極所產(chǎn)生的光學(xué)損失決定晶體硅太陽電池前表面光學(xué)損失的因素并不是簡單的細(xì)柵和主柵的幾何寬度，而是根據(jù)柵線具體的形態(tài)所決定的有效寬度比由于部分入射的太陽光被金屬電極和封裝玻璃反射到太陽電池的受光區(qū)域，與直接入射到太陽電池氮化硅減反薄膜的太陽光共同產(chǎn)生光電流，因此有效寬度比實際上明顯小于金屬電極的幾何寬度表征光學(xué)損失的有效寬度比定義為經(jīng)太陽電池金屬電極

13、反射后離開電池組件的部分太陽光與入射到太陽電池表面的太陽光總量的比值晶體硅太陽電池被封裝在玻璃下面，其中封裝材料EVA的厚度遠(yuǎn)大于入射太陽光的波長，因此可以忽略入射光的干涉效應(yīng)1012根據(jù)太陽電池自動跟蹤系統(tǒng)能夠自動跟蹤太陽的高度角與方位角，使得入射的太陽光始終垂直于封裝的太陽電池陣列的表面以獲取最大發(fā)電效率的特點(diǎn)，前表面銀電極對太陽光的反射主要分為以下4種情況，如圖1所示1）金屬電極的反射光線在空氣-玻璃界面的反射角超過全反射的臨界角，光線全反射回到太陽電池受光區(qū)域2）太陽光入射到金屬電極兩側(cè)邊緣區(qū)域，直接反射到電池受光表面3）太陽光透過玻璃和EVA入射到金屬電極中間區(qū)域，然后經(jīng)反射回到太陽

14、電池表面4）太陽光透過玻璃和EVA入射到金屬電極中間區(qū)域，然后經(jīng)折射離開組件。圖1.陽光被金屬電極反射的四種不同情況在第1），2）和3）種情況中，太陽光雖然入射金屬電極表面，但是還是被反射到太陽電池氮化硅受光區(qū)域，參與了光電流的產(chǎn)生然而在第4）種情況中，太陽光被金屬電極反射后在空氣-玻璃界面折射出太陽電池組件，決定了金屬電極光學(xué)損失的有效寬度比在可見光波段玻璃的折射率近似為nglass=1.52，EVA的折射率為nEVA=1.48，根據(jù)斯涅爾定律13，14，空氣-玻璃界面的全反射臨界角和相應(yīng)的玻璃-EVA界面入射角表示為：（）（）（2）由于空氣的折射率近似為nair=1，因此在發(fā)生全反射時，=

15、41.1°和=42.5°根據(jù)實驗上SEM的觀測，絲網(wǎng)印刷與絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池的金屬電極的截面近似于半橢圓形如果采用直角坐標(biāo)系，取坐標(biāo)原點(diǎn)位于橢圓中心，并且假設(shè)橢圓的長半軸為a，離心率為e，根據(jù)橢圓方程和反射定律，恰好發(fā)生全反射的位置表示為（3）而當(dāng)太陽光入射到金屬電極邊緣，電極對光線的反射角逐漸變大，則太陽光將直接反射到太陽電池氮化硅區(qū)域，通過幾何關(guān)系計算得到第2）種情況中的臨界位置表示為：（4）根據(jù)光的波動理論和菲涅耳公式1517，將入射太陽光分為振動平面平行于入射面的水平偏振光和垂直于入射面的垂直偏振光18，在空氣-玻璃界面處的透射率表示為：（5）其中air和

16、glass分別代表在空氣-玻璃界面處，出射太陽光的入射角和折射角當(dāng)太陽光入射在金屬電極的中間區(qū)域，即在第3）和第4）種小角度反射的情況中，反射的太陽光被折射出電池組件的透射率超過95%；而當(dāng)太陽光入射在金屬電極兩側(cè)區(qū)域，即在第1）種大角度反射的情況中，透射率為0，發(fā)生全反射，如圖2所示圖2氣-玻璃界面處透射率與入射角度的關(guān)系考慮到實際中太陽電池金屬電極表面的起伏，并非所有射在金屬電極中間區(qū)域的太陽光都會被直接小角度反射，金屬電極表面更接近于漫反射。太陽光的朗伯面19，如圖3所示最終可能被折射出電池組件的太陽光在金屬電極上的反射角應(yīng)該小于/2，因此入射在金屬電極中間區(qū)域的太陽光最終被反射出電池組

17、件的比例可以表示圖太陽電池金屬表面微結(jié)構(gòu)其中和分別代表球坐標(biāo)系中的方位角和仰角太陽光入射到金屬電極后，部分會被銀電極吸收，造成金屬電極的吸收損失如果假設(shè)金屬銀電極對太陽光的吸收系數(shù)為silver，那么表征光學(xué)損失的金屬電極的有效寬度比可以表示為太陽電池金屬電極的光學(xué)損失是包括氮化硅受光區(qū)域在內(nèi)的電極吸收損失和反射損失之和與入射總光強(qiáng)的比值，表示為：其中，S代表金屬電極。2.3樣品制備本文實驗采用電阻率2·cm，太陽能級的p型125mm×125mm單晶硅片作為樣品單晶硅片經(jīng)過NaOH，Na2CO3和IPA的堿式制絨，三氯氧磷管式熱擴(kuò)散（方塊電阻為60±2/），CF4

18、和O2的等離子體去邊，去除表面殘余磷硅玻璃，平板式PECVD沉積折射率2.05，厚度80nm的SiNx：H減反鈍化薄膜，然后絲網(wǎng)印刷背電極和背電場將樣品分為兩部分：一部分絲網(wǎng)印刷前表面銀電極，其中柵線間距2mm；另一部分絲印銀電極后進(jìn)行光誘導(dǎo)電鍍銀增加前表面電極幾何面積取部分樣品作為參考片進(jìn)行SEM的觀測，其余樣品使用EVA和玻璃封裝這兩種電池樣品，然后進(jìn)行確定前表面光學(xué)損失的反射譜測試我們使用美國光伏測量公司（PVMeasurements，Inc）的QEX7測試系統(tǒng)測試反射譜，其中采用氙弧燈作為太陽光的模擬光源，入射的圓形光斑直徑為1cm單晶硅太陽電池前表面光學(xué)損失實驗的基本流程如圖4所示：

19、通過SEM的觀測可知，絲網(wǎng)印刷樣品的金屬電極截面寬度約為102m，而絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍銀的樣品電極截面寬度為118m，因此理論計算的橢圓半長軸長分別取為51m和59m，如圖5所示：2.4結(jié)果與討論介紹前表面銀電極所引起的光學(xué)損失是電極的吸收損失和反射損失之和，需要通過測量計算五種不同類型的樣品的反射譜獲得，分別是：絲網(wǎng)印刷太陽電池、絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池、表面絲網(wǎng)印刷柵線面積超過反射譜測量光斑尺寸的太陽電池、表面光誘導(dǎo)電鍍銀電極面積超過反射譜測量光斑尺寸的太陽電池、表面只有氮化硅的太陽電池通過在測量過程中改變樣品類型和入射光斑的覆蓋區(qū)域可以測量得到不同物理含義的反射譜：入射光斑同時覆蓋

20、金屬電極柵線和氮化硅受光區(qū)域得到太陽電池的反射譜Rcell全照射在太陽電池金屬電極區(qū)域可以獲得銀電極的反射譜Rsilver；入射光斑完全照射在氮化硅表面得到參考反射譜Rsin，因此實驗上太陽電池前表面金屬電極所引起的光學(xué)損失表示為：（）其中，Asilver/cell和ASiN/cell分別表示測量反射譜Rcell時入射光斑照射在銀電極區(qū)域的面積和氮化硅區(qū)域的面積，而Asilver和ASiN則分別表示測量反射譜Rsilver和RSiN時入射光斑的面積，如圖6所示通過將銀電極的吸收系數(shù)確定為為silver=1Rsilver，根據(jù)（7）和（8）式可以得到理論上太陽電池前表面光學(xué)損失的數(shù)值，因此絲網(wǎng)印

21、刷和絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池前表面光學(xué)損失的實驗與理論曲線如圖7所示根據(jù)（8）式中有效寬度比與金屬電極光學(xué)損失的關(guān)系，可以得到絲網(wǎng)印刷和絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電圖7絲網(wǎng)印刷和絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池的前表面光學(xué)損失的實驗與理論曲線鍍太陽電池的有效寬度比的實驗數(shù)據(jù)，OLcontact=OLcell·S/2a，有效寬度比的理論和實驗曲線如圖8所示其中，有效寬度比數(shù)值都在40%以下，說明在直接入射到金屬電極上的太陽光中，約有60%的光仍然會參與產(chǎn)生光電流此外，絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍銀太陽電池具有更大的金屬電極面積，增大了反射損失，因此有更大的光學(xué)損失進(jìn)行光誘導(dǎo)電鍍銀后，金屬電極的寬度增加了

22、15.7%，理論光學(xué)損失平均增加了8.5%，實驗光學(xué)損失平均增加了10.9%，理論與實驗的相差主要來自于理論計算所采用的SEM觀測的參考電池柵線寬度與測量反射譜所采用的太陽電池柵線實際寬度的差異圖8絲網(wǎng)印刷和絲網(wǎng)印刷后光誘2.5結(jié)論本文分析了產(chǎn)業(yè)化太陽電池前表面光學(xué)損失的各種情況，研究了常規(guī)絲網(wǎng)印刷和新興的絲網(wǎng)印刷后光誘導(dǎo)電鍍太陽電池的前表面金屬電極的光學(xué)損失，通過將太陽電池前表面金屬電極截面近似為半橢圓形，結(jié)合SEM的觀測和不同類型樣品反射譜的測量計算，理論模擬和實驗測量了金屬電極的有效寬度比和光學(xué)損失結(jié)果表明表征光學(xué)損失的電池電極的有效寬度比約為金屬電極幾何寬度的40%，理論模擬的有效寬度

23、比和光學(xué)損失結(jié)果與相應(yīng)的實驗測量結(jié)果相符合。第三章 太陽能電池柵線電極的優(yōu)化設(shè)計3.1太陽電池載流子收集圖示一個具有收集柵線的太陽能電池，光電流被柵線收集，并輸出給負(fù)載時，在電池內(nèi)將主要受到擴(kuò)散薄層電阻、金屬半導(dǎo)體接觸電阻以及柵線本身電阻的影響而產(chǎn)生功率損失，使輸出功率降低。另外，柵線的遮光損失，亦直接降低光電流輸出柵線結(jié)構(gòu)如圖所示。我們將圖中的一半面積作為一個單元來研究收集光生載流子。如圖（1）所示：柵線結(jié)構(gòu)如圖所示。我們將圖中的一半面積作為一個單元來研究收集光生載流子過程中帶來的各種損失。圖中符號的意義為：電池邊長；電池半寬度兩條收集細(xì)柵間的間距；Wf收集細(xì)柵寬度；Wa主柵半寬度；取電池最

24、大功率輸出點(diǎn)的電流密度為Jm，電壓為Vm。3.2實例描述考慮一塊面積為×的正方形太陽能電池。這個電池在光譜下的最大輸出電壓M為，電流密度，為填充因子為.。電池分為兩個單元，每個單元長，寬。設(shè)收集柵線電極的平均厚度為，主柵的厚度為，電極材料為合金，其體電阻率為微歐，則收集柵的薄層電阻為：（×）一0.00783（歐口）主柵的薄層電阻為：（×）一0.0047（歐口）由此可見，RSCRSB，因此采用長主柵和短收集柵條構(gòu)成電池上電極。3.3頂層擴(kuò)散層繪出P與之間函數(shù)圖象，如圖所示。把控制在之聞這部分損耗對輸出總功率損耗的貢獻(xiàn)很大，是考慮的重點(diǎn)之一。由圖可見，增大到歐口，其損耗不超過6%。通過計算機(jī)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計算和分析，得出的柵線電極優(yōu)化設(shè)計及相應(yīng)的各種功率損耗如表所示。由表得出：薄層電阻較小的電池，柵線間隔較大；而薄層電阻較大的電池，柵線問隔較小。頂層薄層電阻R與摻雜濃度N、結(jié)深XI和電子遷移率之間的關(guān)系為：、q=1.6x1019C，電子遷移率取80000cm2/（V.S）2有上述公式可的表2