太阳电池光学损失和顶电极优化设计

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1、江西太阳能科技职业学院毕业论文题目：太阳电池光学损失和顶电极优化设计学校：江西太阳能科技职业学院专业：光伏材料加工与应用技术班级：10 光伏材料四班学生姓名：梁 珍学号： 2010110100430时间：2010年10月 29日目录摘 要3第一章：引言4第二章 晶体硅太阳电池金属电极光学损失的理论分析与实验研究52.1 引言52.2 理论计算62.3 样品制备92.4 结果与讨论102.5 结论11第三章 太阳能电池栅线电极的优化设计123.1 太阳电池载流子收集图示123.2实例描述133.3 顶层扩散层133.4 结论14致 谢 16摘要本文基于丝网印刷和丝网印刷后光诱导电镀太阳电池，分析

2、了太阳电池前表面金 属电极引起的光学损失的各种情况考虑到空气-玻璃界面和金属电极两侧边缘 区域的反射，通过将金属电极截面近似为半椭圆形模拟了电极的光学损失，计算 得到的有效宽度比约为金属电极几何宽度的 40%通过对不同类型样品反射谱的 测量计算，同时在理论模拟和实验测量上得到了太阳电池前表面金属电极的光学 损失，相应的理论与实验结果相符。关键词：光学损失，有效宽度比，光诱导电镀，反射谱AbstractOnemainfactorofrestrictingindustrialcrystallinesolarcellefficiencyistheopticallossescausedbytheme

3、talfrontsidecontactsincludingtheabsorptionlossandreflectionlossBasedonscreen-printedandscree n-printedseedlayersthickenedbylight-inducedelectroplatingsolarcellsinthispapervariouscasesofopti callossesduetothemetalcontactsareanalyzedTakingintoaccountthereflectionsintheair-glassinterfa ceandtheedgeregi

4、onsofmetalcontactstheopticallossesaresimulatedbyassumingapproximatelyhalf-o valcross-sectionofmetalcontactsTheresultsshowthattheeffectivewidthratioisabout40%ofthemetal contactgeometrywidthBymeasuringandcalculatingthereflectionspectraofdifferenttypesofsamples theopticallossesofthemetalfrontsidecontac

5、tsofsolarcellsareobtainedintheoreticalsimulationandexpe rimentalmeasurementThecorrespondingtheoryandtheexperimentalresultsareingoodagreementwit heachotherefficiency electronic properties herrington chalcopyrite第一章：引言目前常规产业化晶体硅太阳电池前表面主要是由产生光电流13的氮化硅受 光区域和收集电流的金属栅线电极组成，而由于电极电阻引起的电学损失和电极 遮光引起的光学损失是制约太阳

6、电池效率提升的主要因素加大栅线宽度可以减 低栅线的线电阻，减小电学损失，但是也同时增大了金属电极的遮光面积，优化 的电池设计需要综合考虑电池电学损失和光学损失两方面的因素，例如在前表面 制备大的高宽比的金属电极德国研究所为此采用了前表面双层金属电极的方 法：首先采用丝网印刷在前表面制备金属电极种子层，然后应用光诱导电镀的方 法加厚银电极，得到低栅线电阻的太阳电池在光诱导电镀的过程中，太阳电池 浸入银镀液，电池背表面与外电源阴极相连，前表面受光照产生光电流与外电 源阳极相连的银棒浸入电镀液体，在电势驱动下产生银离子沉积在前表面金属电 极上使用光诱导电镀技术得到了效率高达 23.3%的实验室级的太

7、阳电池4， 而采用双层极技术得到了效率为 18.4%的产业化高效太阳电池5在光诱导电 镀过程中，栅线宽度不断增加，增大了前表面的光学损失，影响了效率的提升， 因此分析前表面金属电极的所引起的光学损失的产生机理，研究平衡电学损失和 光学损失矛盾的技术路线至关重要已有文献将金属电极的截面假定为半圆形， 通过在太阳电池表面覆盖异丙醇和玻璃半定量的分析了前表面电池的光学损失 6本文基于产业化太阳电池普遍采用的丝网印刷技术和新兴的丝网印刷后光 诱导电镀技术，综合考虑了封装后(EVA)和玻璃的影响，分析了太阳电池前表 面光学损失产生的各种情况，将金属电极近似为半椭圆形，通过扫描电子显微镜(SEM)观测和反

8、射谱79测量，定量模拟计算了前表面金属电极引起的光 学损失，并与实验上所得到的封装太阳电池的光学损失结果进行了比较.当选定 某种半导体材料来制作太阳能电 池时，为了获得尽可能高的光电转换效率，对 电池的结构必须进行详细设计。而设计时考虑的原则有：如何减小入射光的反 射和透射损失？如何使光生载流子尽可能地被Pn结收集，以使光电流最 大、暗电流最小？功率损耗最小的电流收集栅线的设计。太阳能电池芯片做好 之后，为了将光电流收集起来并输送到负载上使用，存在一个与高效电池结构设 计相应的电池栅线结构的最佳设计问题。栅线结构设计得好，将使电池的串联电阻最小，从而使功率损耗最小、输出功率最大，这对大面积功率

9、输出的单体太阳 能电池尤为重要。第二章晶体硅太阳电池金属电极光学损失的理论分析与实验研究本文基于丝网印刷和丝网印刷后光诱导电镀太阳电池，分析了太阳电池前表面金 属电极引起的光学损失的各种情况考虑到空气-玻璃界面和金属电极两侧边缘区域的 反射，通过将金属电极截面近似为半椭圆形模拟了电极的光学损失，计算得到的有效 宽度比约为金属电极几何宽度的如通过对不同类型样品反射谱的测量计算，同时 在 理论模拟和实验测量上得到了太阳电池前表面金属电极的光学损失，相应的理论与实 验结果相符合.2.1 引言目前常规产业化晶体硅太阳电池前表面主要是由产生光电流的氮化硅受光区域和收集 电流的金属栅线电极组成，而由于电极

10、电阻引起的电学损失和电极遮光引起的光学损失是制 约太阳电池效率提升的主要因素，加大栅线可低栅线的线电阻，减小电学损失，但是也同时 增大了金属电极的遮光面积，优化的电池设计需要综合考虑电池电学损失和光学损失两方面 的因素，例如在前表面制备大的高宽比金属电极为此采用了前表面双层金属电极的方法：首 先，采用丝网印刷在前表面制备金属电极种子层，后应用光诱导电镀的方法加厚银电极，得 到低栅线电阻的太阳电池，光诱导电镀的过程中，阳电池浸入银镀液，电池背表面与外电源 阴极相连，前表 面受光照产生光电流。外电源阳极相连的银棒浸入电镀液体，在电势驱动下产生银离子沉积在前表面金属电 极上使用光诱导电镀技术得到了效

11、率高23.3%实验室级的太阳电池，而采用双层电技术得到 了转化效率为 18.4%的产业化高效太阳电池。在光诱导电镀过程中，栅线宽度增加，增大了前表面的光学损失，影响了效率的提升， 因此分析前表面金属电极的所引起的光学损失的产生机理，研究平衡电学损失和光学损失 矛盾的技术路线至关重。有文献将金属电极的截面假定为半圆形，通过在太阳电池表面覆 盖异丙醇和玻璃半定量的分析了前表面电池的光学损失本文基于产业化太阳电池普遍采用 的丝网印刷技术和新兴的丝网印刷后光诱导电镀技术，考虑了封装后乙烯醋酸乙烯脂共聚 物的影响，分析了太阳电池前表面光学损失产生的各种情况，将金属电极近似为半椭圆形, 通过扫描电子显微镜

12、和反射谱“9测量，定量模拟计算了前表面金属电极引起的光学损失， 并与实验上所得到的封装太阳电池光学损失结果进行了比较。2.2理论计算当太阳光透过玻璃和EVA入射到晶体硅太阳电池上时，入射到电池电极表面的太阳光部 分被吸收，部分被反射出组件，部分反射到电池氮化硅受光区域.由于金属电极对太阳光的 吸收会造成吸收损失，而电极将入射的太阳光反射出组件会造成反射损失，这两部分损失之 和就是金属电极所产生的光学损失.决定晶体硅太阳电池前表面光学损失的因素并不是简单 的细栅和主栅的几何宽度，而是根据栅线具体的形态所决定的有效宽度比.由于部分入射的 太阳光被金属电极和封装玻璃反射到太阳电池的受光区域，与直接入

13、射到太阳电池氮化硅减 反薄膜的太阳光共同产生光电流，因此有效宽度比实际上明显小于金属电极的几何宽度.表 征光学损失的有效宽度比定义为经太阳电池金属电极反射后离开电池组件的部分太阳光与 入射到太阳电池表面的太阳光总量的比值.晶体硅太阳电池被封装在玻璃下面，其中封装材 料EVA的厚度远大于入射太阳光的波长，因此可以忽略入射光的干涉效应1012.根据 太阳电池自动跟踪系统能够自动跟踪太阳的高度角与方位角，使得入射的太阳光始终垂直于 封装的太阳电池阵列的表面以获取最大发电效率的特点，前表面银电极对太阳光的反射主要 分为以下4种情况，如图1所示.1）金属电极的反射光线在空气-玻璃界面的反射角超过全反射的

14、临界角，光线全反射回到 太阳电池受光区域.2）太阳光入射到金属电极两侧边缘区域，直接反射到电池受光表面.3）太阳光透过玻璃和EVA入射到金属电极中间区域，然后经反射回到太阳电池表面.4）太阳光透过玻璃和EVA入射到金属电极中间区域，然后经折射离开组件。I劭, *79/LVA匕一命属电极图1阳光被金属电极反射的四种不同情况在第1), 2)和3)种情况中，太阳光虽然入射金属电极表面，但是还是被反射到太阳电池 氮化硅受光区域，参与了光电流的产生.然而在第4)种情况中，太阳光被金属电极反射后 在空气-玻璃界面折射出太阳电池组件，决定了金属电极光学损失的有效宽度比.在可见光 波段玻璃的折射率近似为ngl

15、ass=152, EVA的折射率为nEVA=148，根据斯涅尔定律13, 14,空气-玻璃界面的全反射临界角B和相应的玻璃-EVA界面入射角a表示为：川 (1) -in5 . . ： .(2)(2) 由于空气的折射率近似为nair=1，因此在发生全反射时，B=411。和a=42.5 .根 据实验上SEM的观测，丝网印刷与丝网印刷后光诱导电镀太阳电池的金属电极的截面近似于 半椭圆形.如果采用直角坐标系，取坐标原点位于椭圆中心，并且假设椭圆的长半轴为a, 离心率为e,根据椭圆方程和反射定律，恰好发生全反射的位置表示为(3) 而当太阳光入射到金属电极边缘，电极对光线的反射角逐渐变大，则太阳光将直接反

16、 射到太阳电池氮化硅区域，通过几何关系计算得到第2)种情况中的临界位置表示为：f 1* I 71“讣- 1 2 - /丿(4) 根据光的波动理论和菲涅耳公式】1517,将入射太阳光分为振动平面平行于入射面 的水平偏振光和垂直于入射面的垂直偏振光】18,在空气-玻璃界面处的透射率表示为：hi】旧屮心廿号眄册其中9 air和Sglass分别代表在空气-玻璃界面处，出射太阳光的入射角和折射角.当太阳光入射在金属电极的中间区域，即在第3)和第4)种小角度反射的情况中，反射的太阳光被折射出电池组件的透射率超过95%；而当太阳光入射在金属电极两侧区域，即在第1)种大角度反射的情况中，透射率为0,发生全反射

17、，如图2所示.图2.气-玻璃界面处透射率与入射角度的关系考虑到实际中太阳电池金属电极表面的起伏，并非所有射在金属电极中间区域的太阳光都会 被直接小角度反射，金属电极表面更接近于漫反射。太阳光的朗伯面19,如图3所示.最终可能被折射出电池组件的太阳光在金属电极 上的反射角应该小于a/2,因此入射在金属电极中间区域的太阳光最终被反射出电池组件的 比列可以表示 J o图3太阳电池金属表面微结构其中e和e分别代表球坐标系中的方位角和仰角太阳光入射到金属电极后，部分会被银电极吸收，造成金属电极的吸收损失.如果假设金属银电极对太阳光的吸收系数为nsilver,那么表征光学损失的金属电极的有效宽度比可以表示

18、为0“ 二 7门“ + G 一“ 丁 厂太阳电池金属电极的光学损失是包括氮化硅受光区域在内的电极吸收损失和反射损失之和*8)与入射总光强的比值，表示为：5,川 S/2a其中，s代表金属电极。2.3样品制备本文实验采用电阻率2Qcm，太阳能级的p型125mmX125mm单晶硅片作为样品.单晶硅 片经过Na0H,Na2C03和IPA的碱式制绒，三氯氧磷管式热扩散(方块电阻为6020/口)， CF4和02的等离子体去边，去除表面残余磷硅玻璃，平板式PECVD沉积折射率2.05，厚度 80nm的SiNx： H减反钝化薄膜，然后丝网印刷背电极和背电场.将样品分为两部分：一部 分丝网印刷前表面银电极，其中

19、栅线间距2mm；另一部分丝印银电极后进行光诱导电镀银增 加前表面电极几何面积.取部分样品作为参考片进行SEM的观测，其余样品使用EVA和玻璃 封装这两种电池样品，然后进行确定前表面光学损失的反射谱测试.我们使用美国光伏测量 公司(PVMeasurements，lnc.)的QEX7测试系统测试反射谱，其中采用氙弧灯作为太阳光 的模拟光源，入射的圆形光斑直径为1cm .单晶硅太阳电池前表面光学损失实验的基本流程 如图4所示：图I 歸体帀圭太阳电池金腿电刼光学损先实验流存21国$ 木阳电池金属电眾截面图四丝网讪刷：叭）超网印別后光诱导电够2.4结果与讨论介绍前表面银电极所引起的光学损失是电极的吸收损

20、失和反射损失之和，需 要通过测量计算五种不同类型的样品的反射谱获得，分别是:丝网印刷太阳电池、 丝网印刷后光诱导电镀太阳电池、表面丝网印刷栅线面积超过反射谱测量光斑尺 寸的太阳电池、表面光诱导电镀银电极面积超过反射谱测量光斑尺寸的太阳电 池、表面只有氮化硅的太阳电池.通过在测量过程中改变样品类型和入射光斑的 覆盖区域可以测量得到不同物理含义的反射谱：入射光斑同时覆盖金属电极栅线 和氮化硅受光区域得到太阳电池的反射谱R 全照射在太阳电池金属电极区域 cell可以获得银电极的反射谱R；入射光斑完全照射在氮化硅表面得到参考反射silver谱R，因此实验上太阳电池前表面金属电极所引起的光学损失表示为：

21、sin0L , = _ R v叫（9）其中,Asilver/cell和ASiN/cell分别表示测量反射谱Rcell时入射光斑照射在银电 极区域的面积和氮化硅区域的面积，而Asilver和ASiN则分别表示测量反射谱Rsilver 和RSi N时入射光斑的面积，如图6所示.通过将银电极的吸收系数确定为为nsilver=1 Rsilver，根据（7）和（8）式可以得到理论上太阳电池前表面光学损失的数值，因此 丝网印刷和丝网印刷后光诱导电镀太阳电池前表面光学损失的实验与理论曲线如图7所 示.根据（8）式中有效宽度比与金属电极光学损失的关系，可以得到丝网印刷和丝网印 刷后光诱导电图7丝网印刷和丝网印

22、刷后光诱导电镀太阳电池的前表面光学损失的实验与理论曲线镀太阳电池的有效宽度比的实验数据，OLcontact=0Lcell S/2a,有效宽度比 的理论和实验曲线如图8所示.其中，有效宽度比数值都在40%以下，说明在直接入射到 金属电极上的太阳光中，约有60%的光仍然会参与产生光电流.此外，丝网印刷后光诱导 电镀银太阳电池具有更大的金属电极面积，增大了反射损失，因此有更大的光学损失.进 行光诱导电镀银后，金属电极的宽度增加了15.7%，理论光学损失平均增加了 8.5%，实验 光学损失平均增加了 10.9%,理论与实验的相差主要来自于理论计算所采用的SEM观测的 参考电池栅线宽度与测量反射谱所采用

23、的太阳电池栅线实际宽度的差异.图8丝网印刷和丝网印刷后光诱00 ?网印刷和址网E卩刚后光诱导电皱太阳电池的餉表冈光学撬宾的实擊与理论曲塢1S1 H 城网印刷和堆网印刷后光诱导电镀太阳电池有敕亜度比 旳嘿施与理诧曲钱2.5结论本文分析了产业化太阳电池前表面光学损失的各种情况，研究了常规丝网印 刷和新兴的丝网印刷后光诱导电镀太阳电池的前表面金属电极的光学损失，通过 将太阳电池前表面金属电极截面近似为半椭圆形，结合SEM的观测和不同类型样 品反射谱的测量计算，理论模拟和实验测量了金属电极的有效宽度比和光学损 失结果表明表征光学损失的电池电极的有效宽度比约为金属电极几何宽度的 40%，理论模拟的有效宽

24、度比和光学损失结果与相应的实验测量结果相符合。第三章 太阳能电池栅线电极的优化设计31太阳电池载流子收集图示一个具有收集栅线的太阳能电池，光电流被栅线收集，并输出给负载R时， 在电池内将主要受到扩散薄层电阻、金属半导体接触电阻以及栅线本身电阻的影 响而产生功率损失，使输出功率降低。另外，栅线的遮光损失，亦直接降低光电 流输出栅线结构如图2所示。我们将图中的一半面积作为一个单元来研究收集光 生载流子。如图（1）所示：S1 太阳幅电池H作状盂示取栅线结构如图2所示。我们将图中的一半面积作为一个单元来研究收集光生 载流子过程中带来的各种损失。图中符号的意义为：A电池边长；B电池半宽度 S两条收集 细

25、栅间的间距；W 收集细栅宽度；Wa主栅半宽度；取电池最大功率输出 点的电流密度为Jm,电压为Vm。32实例描述考虑一块面积为2cmX2cm的正方形太阳能电池。这个电池在AMO光谱下的最大输出电压V为0 .85V，电流密度，为30mA/cm .填充因M子为0.83。电池分为两个单元，每个单元长A = 2cm，宽BIcm。设收集栅线电极的平均厚度为3vm,主栅的厚度为5vm，电极材料为 Au Zn合金,其体电阻率为2.3 5微欧 cm,则收集栅的薄层电阻为：R = 2.35 /(3 X100) 0.00783 (欧/ 口)主栅的薄层电阻为：R = 2.35/(5 X100) 0.0047 (欧/

26、口) 由此可见，R R，因此采用长主栅SCSB和短收集栅条构成电池上电极。3.3顶层扩散层绘出Pd与R之间函数图象，如图7所示。把S控制在0104cm之 闻 这部分损耗对输出总功率损耗的贡献很大，是考虑的重点之一。由图7可 见，Rc增大到5 0 0欧/，其损耗不超过6%。m 7尸与乘匸差系离農1橱站胞观优化世计的相应功覃搁耗址 WB Sg片X1LP.(X10EP1X1G-1pxio-10.00.5113-536-旳1-967- S32-585-722(KD 0-418550缶朋 Q32-58斷430.00”3歸55冬802-71L 302-5S6-70S通过计算机进行大量的数据十算和分析得出的

27、栅线电极优化设计及相应的各种处功率损耗如表牢所示。3,903.703-303.53L561-6S2.5&2.5&7- M7.9970.0a 2 S31-630.00-2713.503-692.5S8-2290-0X 403-33氏12-588.4210Q0.2531. U九303-6-5882寧曳恰出的智油遇此理算治的星雀优北疽畫中P=Ph+兔 d I A1卜为J&功率st帕=虫E”山 B5VtIVf= Ji U10ttrnft= em007H3H/D墮Jem, lcmi 主韜祐58cm.由表1得出：薄层电阻较小的电池，栅线间隔较大；而薄层电阻较大的电池,栅线问隔较小。顶层薄层电阻R与掺杂浓度

28、N、结深X和电子迁移率u之间的AI关系为：、q=1.6x10i9C，电子迁移率取|!=80000cm2/ (V.S)有上述公式可的表2% 2比与恥科的的共聚0” 10.20.30. 40-50.60.7巧0-911078- 1血126.019- 515-613011-29. 77&粘7-120也119-513.0社777, 316. 515”4S84. 34330瓯0盘碍6,515- 214. 343. 72乳26盅朋N 60401丄59-776- 514,883, 913,262-79盅442. 1?1-9550)5,25- 2139】3J32. 602 231鮎L 74L 61乳06-51

29、4.343.262-602.17L 861- 63L 4570lb 25- 58去722.792-23L&61-59L 401-241. 129.774価3- 2fi2、441鮎L 631. 40L 22L 09O 9S908鉞4. 34監関2-17L74L451- 241. 090. 9687100人ai3-9120h951-561.501- 120- 9SQ. 870. 7S由表2可查出结深X薄层电阻R和扩散薄层掺杂浓度N的对应值，以期达到能JA够在实验上控制N的目的。A3.4结论高效率半导体太阳能电池除本身的理论结构设计和实现电池的制作工艺研 究之外，将其产生的光电流以最大的功率收集起来

30、供负载使用，亦是一个重要问 题，这就是本文研究的栅线电极的优化设计。文中对给定的太 阳能电池给出了 获取最大功率输出的栅线电极设计方法傲了描述，并以设计实例作为应用说 明。一个实验上易于实现的设计结果可将发电功率的最大损耗控制在7 %左右， 即输出功率大于93%。薄层电阻R控制在30欧/ 口左右（即掺 杂浓度N控制在10i8/cm3 ）,A而收集栅薄层电阻R和主栅薄层电阻R控制在10-310-2欧/ 口之间（即SC SB层厚在110um之间），可由表1对应查出细栅间距S的大小，从而得到优化的栅线设计。致谢非常感谢李禹华老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的 指导，从最初的定题，到资料收

31、集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心 的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他 的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感 谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专 业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方 面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来 越多的优秀人才，桃李满天下！感谢江西太阳能学院对我三年的培养。感谢我的家人对我学习的支持和理解。感谢所有关心帮助过我的老师和同学。参考文献（1）（太阳能热利用及光伏系统重点实验室，电工研究所， 中国科学院，北京 100190（2）（中轻太阳能电池有限责任公司，北京101111（3）（中国检验检疫科学研究院，北京100123（4）澳马丁 格林著，李秀文等译太阳电池 工作原理,工艺和系统的应用北 京：电子工业出版社 1987（5）刘恩科等光电池及其应用北京：科学出版社，1989.