毕业论文——背面点接触晶体硅太阳电池的研究.doc

1、 I 背面点接触晶体硅太阳电池的研究 【 摘要 】 进一步提高光电转换效率，降低成本是太阳电池今后的发展方向。晶体硅太阳电池理论的效率限制在 25%左右，为了使晶体硅太阳电池的效率向理论极限进一步靠近，通常有 几种方法：提高电池表面与背面的钝化效果；引入陷光结构， 增加阳光在电池内的光程； 通过减反射层降低表面对太阳光的反射；改进发射极与基极的电极构造 ，降低串联电阻以及正面栅线遮光面积等等。 若给常规太阳电池引入背反射器（ rear mirror），一方面可以 将入射到电池背面的阳光反射回电池，进行二次吸收，提高电池对阳光的利用 率，同时可以将晶体硅电池无法吸收的红外光反射回大气，避免电池升

2、温过快；另一方面可以对电池背面进行钝化，降低电池的表面态密度，从而减少载流子背面复合速率，提升电池的开路电压与短路电流。由于背反射器一般为介质层不导电， 必须使背电极穿过介质层与 p 型硅衬底接触才能制作成电池。但是电极穿越介质层面积不能太大否则会降低背反射器的作用。由此 背面 引入了规则分布的点电极 。本文通过 模拟软件 PC1D 对背面点接触晶体 硅 电池 进行了 模拟 ，采用丝网印刷点电极制作了太阳电池与模拟结果进行对比。 首先，利用 PC1D 模拟了太阳电池背反射率对电 池输出参数的影响。发现 在常规电池厚度（ 180 m）下，随着 背反射率 的提高，太阳电池的表现变好，各项输出参数有

3、明显提升。之后利用 PC1D 模拟了不同点电极图样对电池参数的影响，发现电池转换效率随着面积比 f的增大而增大。当 f 增加到 0.1 时效率的提升趋于缓慢。当 f由 0.3 提升到 0.9 时电池效率仅仅提高了 0.2%。 其次，利用丝网印刷技术制作了 常规太阳电池和背面点接触太阳电池 。对比发现 ,相同制造工艺下背点接触电池表现不如常规电池，效率的下降高于模拟结果。主要原因是通过烧结，电极用的 Al 未能和 Si 衬底形成良好的欧姆接触 ，导致背点接触电池串联电阻大，并联电阻小。电池制作工艺需要进一步改善。 【 关键词 】 ： 晶体硅太阳电池；背反射器； SiN；背面点接触 II Abst

4、ract The photovoltaic industry requires a higher light-electricity transform efficiency and a lower cost to make it more competitive among new energy. The theoretical limit of efficiency in solar cells is around 25%. To make the products efficiency approach to the theoretical limit, there are severa

5、l ways: improving the passivation technology in front and rear surface of the cell; incorporating light-trapping structure to increase the light route length to the cell; through the anti-reflection layer to decrease the reflectance of solar cells; ameliorating the emitter and base construct to redu

6、ce the series resistance and the shadow brought by the front electrode. If a rear mirror is incorporated into the solar cell, the cell will have a better performance. On the first condition the incident light will be reflected back to the cell by the rear surface. Thus will raise the absorbing rate

7、and increase the efficienc y of the cell. It can also reflect the infrared light which can not absorbed by the cell back to the air, reducing the raising velocity of the cell temperature. On the other hand the rear mirror material will act as a passivation layer to decrease the back surface recombin

8、ation velocity, in order to increase the short circuit current and the open circuit voltage. In most condition the rear mirror is a dielectric layer which insulates the electrons and holes. So that we must make the base electrode through the dielectric layer in order to contact with the p-Si. Consid

9、ering the contact area must take up a low percent of the cell square, we design a rear point electrode in order. In this thesis we use PC1D to simulate the rear point contact solar cell performance. Then we use screen printing technique manufacturing a set of solar cells to compare with the simulate

10、 results. Firstly, we use PC1D simulate the influence of the rear surface light reflection ratio to the cell performance. The result shows that under the normal thickness (180m), along with the raise of the rear reflection ratio, the cell has a better performance and each output parameter raises obv

11、iously. Then we simulate the influence of different electrode distribution to the cell performance, and the result shows the efficiency will rise with the square ratio f. When f increases to 0.1, the raise of efficiency tend to be slow; when f raises from 0.3 to 0.9, the efficiency only raise 0.2%.

12、In succession we use the screen printing technique manufacturing two groups of solar cells. One is the normal structure cells and the other is the rear point contact cells. Through the comparison, we found that the point contact cells have a worse performance than the normal cells by the same manufa

13、cturing arts. The main reason is the electrode material Al could not have a ideal ohm contact with the p-Si under layer. So the cells series resistance is relative high, and the shunt resistance is relative low. The manufacture arts should be improved in the later experiment. Keywords: crystalline s

14、ilicon solar cells; rear mirror; SiN; rear point contact III 目录 摘要 I Abstract II 一、 绪论 1 1.1 太阳电池的基本原理 1 1.1.1 光的反射与折射 1 1.1.2 半导体中的光吸收 1 1.1.3 PN 结中的光生伏特效应 2 1.1.4 太阳电池基本参数 3 1.2 高效晶体硅太阳电池的现状 6 1.3 太阳电池背反射器 的介绍 11 1.4 背点接触太阳电池的介绍 12 二、 背面点接触晶体硅太阳电池的软件模拟 1 3 2.1 模拟软件 PC1D的介绍 13 2.2 背反射器的模拟 13 2.3 背面

15、点接触的模拟 19 三、 背面点接触晶体硅太阳电池的实验研究 27 3.1 太阳电池的结构设计 27 3.1.1 背反射器的结构设计 27 3.1.2 点电极的图样设计 29 3.2 实验步骤 30 3.3 电池性能测试与分析 32 四、 总结 与展望 36 参考文献 37 致谢 381 第一章 绪论 1.1 太阳电池基本原理 与半导体太阳电池相关的光电转换大致包括三个物理过程 :(1)光在空气 半导体界面上的反射与折射 ;（ 2)光子激发产生电子 空穴对 ;(3)非平衡载流子的扩散和漂移，并被势场分离 1。 1.1.1 光的反射与折射 一束单色光入射到半导体表面后，其中一部分将被反射，反射光

16、与入射光强度之比称反射系数 R,其余部分透射入半导体内。显然，透射系数 1 R （ 1.1） 对半导体这类光吸收材料，折射率 cn 可写为 cn n ik （ 1.2） 其中， n为普通折射率， k 为消光系数， cn , n, k 都是入射光波长 的函数。 当光垂直入射到折射率和消光系数分别为 n, k 的介质上时，反射系数与 n, k的关系 : 2222( 1)( 1)nkR （ 1.3） 在硅太阳电池感兴趣的波长范围内 (3001100nm)，由于 n 3.5，相当于R 30%。对非垂直入射情况，也有类似结果。 1.1.2 半导体中的光吸收 半导体受到光照时，价带中的电子 受光子激发而跃

17、迁到导带，同时在价带中留下一个空穴。这一过程称半导体的本征吸收过程。发生本征吸收的条件是光了能量大于或等于半导体禁带宽度，即 ghE 。因而不同半导体材料都存在各自的吸收限 : 0 ghcE（ 1.4） 波长大于 。的光则无法被吸收。对硅而言，这一吸收限 0 1100nm 。 2 半导 体内亦存在其它形式的光吸收过程，如杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收等等。对一般太阳电池而言，感兴趣的主要是本征吸收。 由于光吸收作用，射入半导体内的光强随射入深度而衰减。在 dx 距离内被吸收的光强为 ( ) ( )x dx 。其中定义为吸收系数。这样在半导体内深度为 x处的光强与 x=0 处光强 0 的关系

18、为 0() xxe （ 1.5） 吸收系数与消光系数 k 有如下关系： 4 k （ 1.6） 对于 GaAs 一类直接带隙半导体而言，由于本征吸收过程不需声子参与，因而吸收系数较大。而对 Si 一类间接带隙半导体而言，其本征吸收过程一般需声了参与，跃迁发生几率较低，因而吸收系数也较小。 1.1.3 PN 结的光生伏特效应 图 1.1 PN 结的光生伏特效应 当 p-n 结处于平衡状态时，在 p-n 结处有一个耗尽区，其中存在着势 垒 电场，该电场的方向由 n 区指向 p 区。如图 1.1（ a)所示，电池 被太阳照射时，能量 h大于或等于禁带宽度 gE 的光 子 ，穿过减反射膜进入硅中。在 n

19、 区、 耗尽区 、 p区中激发出光生电 子 空穴对。光生电 子 空穴对在耗尽区中产生后，立即被 势垒 电场分离，光生电 子 被送进 n区，光生空穴则被推进 p区。在 n区中，光生电 子 空穴对产生后，光生空穴 (少 子 )便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n3 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 )留在 p 区。如此，在 p-n结附近形成与势 垒 电场方向相反的光生电动势如图 1.1（ b)所示，这就是光生伏特

20、效应。当光电池接上负载后，光电流从 p 区经负载流至 n区 ； 负载中即得到功率输出。当外电路开路时，光生伏特电动势 Vo 即为光照射时的开路电压。太阳能电池接上负载 之后，则被结分开的光生载流子 中就有一部分把能量消耗于降低 p-n 结势垒 ，也即用于建立工作电压，而剩余光生载流 子 则用于产生光生电流。 1.1.4 太阳电池基本参数 太阳电池实际上就 是一个大面积光电二极管， 在阳光照射下可以产生直流电，其能量转换可用理想化等效电路模型（图 1.2）来说明。图中 IL是入射光产生的恒流源的强度，恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子。 Is是二极管饱和电流， RL是负载电阻。 图 1.2 太

21、阳电池理想化等效电路模型 其理想 I-V特性为 /( 1)qV kTsLI I e I （ 1.7） 式中 q 为电子电量， k 是波尔兹曼常数， T 是绝对温度 。 一般太阳电池典型的 I-V曲线见图 1.3。其中纵坐标最大值为短路电流 Isc，横坐标最大值为开路电压 Voc。 除去这两个，太阳电池的基本参数还有填充因子FF和电池效率 Eta2。 4 图 1.3 一般太阳电池的 I-V曲线 1.1.4.1 短路电流 当太阳电池的输出电压为 0，即外接电路短路时，流经太阳电池体内的电流为短路电流 Isc。短路电流来自于电池对光生载流子的收集 ，对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流，所以短路

22、电路的大小和以下几个因素相关联： （ 1）太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电流密度概念 Jsc，即单位面积上流过的电流，单位为 A/cm2。 （ 2）入射光强度及光谱分布。 （ 3）太阳电池对光的吸收和反射。 （ 4）电池对电子的收集能力。主要取决于表面钝化效果及少子寿命。 硅太阳电池在 AM1.5 光谱下的最高 Jsc 为 46 mA/cm2，实验室的电池能达到42 mA/cm2，商业电池一般在 28 35 mA/cm2之间。 1.1.4.2 开路电压 当太阳电池外接电路开路时，课得到太阳电池的有效最大电压，即开路电压Voc。在开路状态下，流经太阳电池的 净 电流为 0。在上式中，令 I

23、=0，得到 ln 1LocSIkTV qI （ 1.8） 上式说明 Voc 主要与以下两个变量有关： （ 1） 光生电流 IL， 但由图 1.3 可以看出， IL的大小改变有限，所以其对 Voc5 的影响较小。 （ 2）饱和电流 Is。 Is 和电池的复合机制有关。所以通常 Voc 可以用来检测太阳电池的复合。 1.1.4.3 填充因子 Voc 和 Isc 是太阳电池所能达到的最大电压和电流值，但是，从 I-V 特性曲线上可以看出，此时的输出功率为 0。填充因子则表示最大功率点处功率与Voc Isc 的比值，见图 1.4。 mImp poc scVFF VI （ 1.9） 图 1.4 填充因子

24、 FF 示意图 填充因子 FF 可以用来检测 I-V 曲线的方正程度。太阳电池的电压越高意味着 FF 就越大，相比之下一个较为圆滑的 I-V曲线所占面积更小，使得 FF 相应变小。 要计算 FF，一般有经验公式： ln( 0.72 )1oc ococvvFF v （ 1.10） 其中 voc定义为“归一化 Voc”： oc ocqvVnkT（ 1.11） 6 1.1.4.4 转换 效率 转换效率是太阳电池之间进行相互比较的一个最常用的参数，其定义为电池自身输出能量与从太阳处接受到能量的比值： m a x oc scin inP V I FFEta PP （ 1.12） 太阳电池的效率取决于入射

25、光谱、光强和电池温度，为了能客观反映电池的表现，测试转换效率的条件必须小心地控制。一般地 面 上的太阳电池测试条件为大气质量（ AM） 1.5，气温 25。 对于实际太阳电池，影响转换效率的主要因素一个是串联电阻 RS，主要包括正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电 阻和电极电阻三部分；另外一个是并联电阻 RSH，主要原因是电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的。由于光生电动势使 p-n结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流。 1.2 高效晶体硅太阳电池的现状 由于常规太阳电池工艺简单，成本较低，适合大规模工业化生

26、产 ，因此目前市场上 占主导地位的 产品仍然是常规丝网印刷单 p-n 结晶体硅太阳电池 ，占有率达 80%以上。 其基本结构如图 1.5。 图 1.5 常规晶体硅太阳电池结构图 7 常规晶体硅太阳电池基本工艺如下 3： （ 1） 通过化学腐蚀来消除由于切片造成的硅片表面的损伤，同是还可以制作绒面金字塔结构，减少光反射。常用 NaOH 腐蚀硅片。 （ 2） 以 POCl3作为扩散源在 P 型硅上扩散 。 （ 3） 等离子体刻蚀掉边缘 p-n 结防止短路。 （ 4） 在氢氟酸溶液中溶解掉硅表面的磷硅玻璃。 （ 5） 用 PECVD 技术在硅片表面沉积一层 SiNx减反射膜，同时起到表面钝化和体钝化

27、的效果。 （ 6） 在太阳电池正面和背面分别印刷上电极以及 Al 背场，并经过低温烘烤和高温烧结， 最终制成太阳电池。 但是 常规晶体硅太阳电池的光电转换效率在 17% 18%左右，距离 25%的效率极限依然有一段距离。 为 了进一步提高电池效率，实验室以及市场上出现了一些新型高效晶体硅电池，现就这些高效晶体硅电池作一些概述。 1.2.1 刻槽埋栅电极单晶硅电池 刻槽埋栅电极单晶硅太阳电池因其埋栅电极的独特结构，使电极阴影面积由常规电池的 10 15下降至 2 4，短路电流可上升 12，同时槽内采用重扩散，使金属硅界面的面积增大，接触电阻降低，从而使填充因子提高 10 4。其基本结构如图 1.6： 图 1.6 刻槽埋栅太阳电池结构图