1、晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 1 中山大学硕士学位论文 晶体硅太阳电池 表面 金属化工艺及性能研究 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 2 摘 要 金属化工艺是晶体硅太阳电池制备过程中最为关键的工艺之一。目前晶体硅太阳电池使用最为广泛的金属化工艺包含前、背电极及背表面场的丝网印刷和烧结工艺。研究金属化工艺参数，电极形成机理以及电池性能参数对提高金属化工艺应用水平具有重要的意义。 本文的主要研究内容和结果如下： （ 1） 研究了烧结工艺和不同浆料对太阳电池输出性能的影响。采用物理提纯法硅片制作太阳电池，并通过改变烧结最高温度和网带速率（频率 ）来优化烧结工艺，并得到最佳的烧结温度
2、870 和网带频率 42Hz。 采用 PC1D 软件对不同的硅基底和前表面掺杂浓度进行模拟计算， 前表面掺杂浓度越低， Voc、 Isc、 FF、Eta 数值越高，而对于硅基底掺杂浓度升高变化，除 Isc 单调递减之外，其它各参数都是先递增后递减。针对两种不同 Ag 浆料，分别在不同方块电阻的硅片上制备太阳电池，比较分析了各组太阳电池的输出性能参数，短路电流随方阻值升高而升高。 B2 浆料在高方阻硅片上具有更优异的适应性，在 47.9 /sq 方阻上转换效率达到最高。经工艺优化后，转换效率继续提高了 0.26%。 （ 2）前电极的 Ag-Si 接触形成机理以及电流传输机制目前还没有得到很好的解
3、释。本文利用 SEM 和 EDS 分析技术对前电极烧结工艺以及 Ag-Si 接触的形成机理进行了分析，提出了四种 Ag-Si界面的接触形式，并根据不同的界面接触形式，提出了两步隧道效应和多步隧道效应电流传输机制是最主要的电流传输方式。 （ 3）本文对太阳电池中产生旁路结的原因及机理进行了分析，仿真模拟了旁路结线性部分和非线性部分对太阳电池开路电压的影响。当并联电阻大于 1时对开路电压的影响开始变小，当耗尽区复合饱和电流小于 10-7A 时对开路电压的影响可以忽略。 利用 Suns-Voc 技术可以测量太阳电池的理想因子以及漏电流大小，从而判断旁路结的情况，测试结果与模拟结果相吻合。 采用 红外
4、热成像系统 观察太阳电池旁路结，可检测到明显的旁路结漏电区域，通过切除太阳电池局部微小旁路结漏电部分，开路电压和转换效率可得到明显提升，电池并联电阻与开路电压关系的测试结果与模拟结果一致。 关键词： 丝网印刷 烧结 旁路结 量子效率 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 3 Analysis of the Surface Metallization Process and Performance of Crystalline Silicon Solar Cells ABSTRACT Metallization is one of the most crucial technologies i
5、n the manufacturing process of crystalline silicon solar cell. Currently, the most popular metallization process includes the screen-printing and sintering of the front/back electrodes and back surface field. It is a significant work to study the parameters of the metallization, formation mechanism
6、of the electrode and the effect to the performance of the solar cell. The thesis includes the content as following: (1) we investigate the effect of sintering process and different Ag pastes to the open-circuit voltage. Using the silicon wafers purified by physics technique, we optimize the sinter p
7、rocess by adjusting the highest temperature and the transfer velocity to manufacture solar cells, we obtain the optimal temperature at 870 and 42 Hz velocity. The effect of dopant concentration to the performance of solar cell is also studied by PC1D. we conclude that the higher sheet resistance is
8、suitable for manufacturing higher efficiency solar cells. There are two types of paste to apply to different sheet resistance silicon wafers. We conclude that one of the paste B2 has good performance in the high sheet resistance condition through analyzing the electrics parameters. After optimizing
9、the diffusion and sintering process, the convert efficiency of solar cells are increased 0.26%. (2) we investigate the sintering process of front contacts and the formation mechanisms of Ag-Si contacts using SEM and EDS method. Four types of interface structures of Ag-Si contacts are presented. (3)
10、we analyze the mechanism of shunts resulted from solar cells preparation process. The effect of linear and nonlinear parts of shunts on open-circuit voltage of the cells is simulated. Using the Suns-Voc technique, we analyze the diode ideality factor and leakage current. The tested data is consisten
11、t with the simulating data. Using the Infrared Thermography System, the leakage current of shunts could be detected distinctly. The open-circuit voltage and conversion efficiency are promoted 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 4 obviously by cutting the minor regions of shunts observed in infrared images. Keywords
12、: Screen-printing sintering shunt QE Suns-Voc 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 5 目 录 第一章 绪论 . 7 1.1 晶 体硅太阳电池理论基础 . 7 1.1.1 理想晶体硅太阳电池 . 7 1.1.2 短路电流（ Isc） . 8 1.1.3 开路电压（ Voc） . 8 1.1.4 填充因子（ FF） . 9 1.1.5 转化效率（ Eta） . 10 1.1.6 晶体硅太阳电池性能的影响因素 . 10 1.2 研究意义 . 13 1.3 国内外晶体硅太阳电池发展现状 . 14 1.3.1 晶体硅太阳电池产业化发展现状 . 14 1.
13、3.2 高效晶体硅太阳电池发展现状 . 16 1.3.3 双面晶体硅太阳电池发展现状 . 21 1.4 主要研究内容及思路 . 26 第二章 晶体硅太阳电池丝网印刷与烧结工艺 . 28 2.1 丝网印刷和烧结工艺概述 . 28 2.2 欧姆接触原理 . 29 2.3 烧结温度和带速对太阳电池输出性能的影响 . 31 2.4 硅片掺杂浓度对太阳电池性能影响的模拟分析 . 33 2.5 浆料和扩散方阻对太阳电池输出性能的影响 . 40 2.6 本章小结 . 44 第三章 晶体硅太阳电池前电极形成机理分析 . 45 3.1 实验描述 . 45 3.2 Ag-Si 接触的形成机理 . 46 3.3 电
14、流传输机制 . 48 3.4 本章小结 . 49 第四章 晶体硅太阳电池旁路结对开路电压的影响分析 . 50 4.1 理论模拟开路电压的影响因素 . 50 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 6 4.1.1 太阳电池双二极管模型的理论模拟 . 50 4.1.2 PC1D 软件模拟并联电阻对开路电压的影响 . 53 4.2 Suns-Voc 测量分析 . 53 4.3 旁路结的红外测温分析 . 58 4.4 本章小结 . 59 第五章 太阳电池表面金属化工艺展望 . 60 结语 .61 参考文献 63 攻读硕士学位期间发表论文情况 . 68 致谢 69 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究
15、 7 第一章 绪论 1.1 晶体硅太阳电池理论基础 1.1.1 理想晶体硅太阳电池 太阳电池是一种能够直接将太阳辐射能转化为电能的电子器件。 晶体硅太阳电池是目前市场上应用最为广泛的一种太阳电池。对 p 型或 n 型硅衬底进行相反类型的源掺杂，形成 n+或 p+型发射区，经电子扩散之后形成内建电场，可将光照条件下产生的光生载流子进行分离。常规晶体硅太阳电池结构 及工作原理如下图 1-1 所示： 图 1-1 n+pp+型 晶体硅太阳电池结构及工作原理示意图 太阳电池理想 I-V 特性方程 ，即工作状态电流 -电压关系式， 如 式 1-11： 1e x p0 n k TqVIII ph （ 1-1
16、） 其中， q为电子电量， k为波尔兹曼常数， T为绝对温度， I0为二极管饱和电晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 8 流， n为二极管理想因子。 一般晶体硅太阳电池 I-V 曲线如 图 1-2 所示，纵坐标表示电流，最大值为短路电流 Isc，横坐标表示电压，最大值为开路电压 Voc。 图 1-2 太阳电池 I-V 曲线图 1.1.2 短路电流 （ Isc） 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，对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流 Iph，所以短 路电流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
17、流密度概念 Jsc，即单位面积上流过的电流，单位为 A/cm2。 （ 2） 光照强度以及光谱分布。 （ 3） 太阳电池的减反射、 陷光效果 和前表面栅线的遮挡面积 。 （ 4） 电子收集效率。这主要取决于表面钝化效果以及少子寿命。如在非常好的表面钝化和一致的电子 -空穴对产生率条件下，短路电流密度 2为： pnsc LLqGJ (1-2) 其中 G 为电子 -空穴产生率， Ln、 Lp 分别为电子和空穴扩散长 度。 1.1.3 开路电压 （ Voc） 当太阳电池外接电路开路时，可得到太阳电池的有效最大电压，即开路电压晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 9 Voc。在开路状态下，流经太阳电池
18、的净电流为 0。在方程（ 1-1）中，令 I=0，可得到 ： 1ln 0IIqn k TV phoc （ 1-3） 从中可以看出， Voc 的大小与以下因素相关： （ 1） 光生电流 Iph。可以看出， Iph的改变量有限，其对 Voc 的大小影响也较小。 （ 2） 反向饱和电流 I0。在太阳电池中， I0的变化通常可达几个数量级，所以它对 Voc 的影响非常大。而 I0决定于太阳电池的各种复合 机制 ，所以通常Voc 的大小可以用来检测太阳电池的复合大小。 1.1.4 填充因子 （ FF） Vo c 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
19、的输出功率为 0。 填充因子表示最大功率点处功率与 VocIsc 的比值。 图 1-3 填充因子 FF 定义示意图 根据理想 I-V 特性方程，可求得最大功率点处 Vmp，解微分方程 d（ IV） /dV = 0，可 得到超越方程 ： 1ln n k TqVqn k TVV mpocmp (1-4) 该方程只是 Vmp 和 Voc 的关系，若要得到 FF 和 Imp 还需要另外的方程，非常复杂。一般计算 FF 可采用经验公式 3： 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 10 1 )72.0ln ( oc ococ v vvFF (1-5)其中 voc 定义为“归一化 Voc” , ococ
20、VnkTqv (1-6)根据 方程 (1-6)，高的开路电压可得 到高的填充因子。 1.1.5 转化效率 （ Eta） 太阳电池转换效率 Eta 是表示单位面积上将辐照能量转换为多少电能的量。通常定义为： inSCOCinmp P FFIVPPE ta (1-7) 其中 Pin表示入射光功率。转换效率越高，表示在单位面积上单位辐照强度下能产生更多的电能。其大小与 Voc、 Isc、 FF 息息相关。 1.1.6 晶体硅太阳电池 性能 的影响因素 1.1.6.1 特征电阻 RCH 特征电阻表示在最大功率点条件下太阳电池的 负载电阻。当负载电阻等于特征电阻时，太阳电池的最大功率加载到负载上，太阳电池也同时运行在最大功率条件下。 如图 1-4 所示： mpmpCH IVR （ 1-8） 也可近似表示为： scocCH IVR （ 1-9） 所以一般的电流电压关系可表示为： I=V/RCH。
