1、第四章：第四章：硅太陽能電池的設計硅太陽能電池的設計2021-10-311 4.1 基礎太陽能基礎太陽能 電池設計電池設計 4.2 光學設計光學設計 4.3 復合效應的復合效應的 降低降低 4.4 電阻損耗電阻損耗 4.5 太陽能電池太陽能電池 的結構的結構 太陽能電池的設計包括：明確電池結構的太陽能電池的設計包括：明確電池結構的參數參數以使轉換效率達到最大，以及設置一定的以使轉換效率達到最大，以及設置一定的限制條件限制條件。這些條件由太陽能電池所處的制造環境所決定。這些條件由太陽能電池所處的制造環境所決定。例如，如果用于例如，如果用于商業商業，即以生產最具價格優勢的，即以生產最具價格優勢的電

2、池為目標，則需要著重考慮制造電池的電池為目標，則需要著重考慮制造電池的成本成本問題。問題。然而，如果只是用于以獲得高轉換然而，如果只是用于以獲得高轉換效率效率為目標的實驗為目標的實驗研究，則主要考慮的便是最高效率而不是成本。研究，則主要考慮的便是最高效率而不是成本。2021-10-312 4.1.1 基礎太陽能電池設計基礎太陽能電池設計 4.1.1 基礎太陽能電池設計基礎太陽能電池設計硅太陽能電池效率的演變硅太陽能電池效率的演變 4.1.1 基礎太陽能電池設計基礎太陽能電池設計 理論上，光伏電池的最高轉換效率能達到理論上，光伏電池的最高轉換效率能達到90%以上以上。然。然而，這一數字的獲得是以

3、幾個假設為前提的，這些假設在實而，這一數字的獲得是以幾個假設為前提的，這些假設在實際上很難或根本不可能達到，至少在現今人類的科技水平和際上很難或根本不可能達到，至少在現今人類的科技水平和對器件物理的理解上很難達到。對器件物理的理解上很難達到。對于對于硅太陽能電池來說硅太陽能電池來說，其在一個太陽照射下，比較，其在一個太陽照射下，比較實際的理論最高效率值大約為實際的理論最高效率值大約為26%-28%。現今現今實驗室測得的實驗室測得的硅太陽能電池的最高效率為硅太陽能電池的最高效率為24.7%。 4.1.1 基礎太陽能電池設計基礎太陽能電池設計 理論值與實際測量值之間的理論值與實際測量值之間的差距差

4、距主要來自主要來自兩個方面因素兩個方面因素。首先首先，在計算理論最大效率時，人們，在計算理論最大效率時，人們假設所有入射光子假設所有入射光子的能量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁帶的能量都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁帶寬度與其能量相等的材料吸收了寬度與其能量相等的材料吸收了。為了獲得這種理論效果，人們想出一種由無限多層材料為了獲得這種理論效果，人們想出一種由無限多層材料禁帶寬度不同的電池疊加在一起的模型，每一層都只吸收能量禁帶寬度不同的電池疊加在一起的模型，每一層都只吸收能量與其禁帶寬度相等的光子。與其禁帶寬度相等的光子。 第二第二個因素是個因素是假設入射光有高聚

5、光比。并假設溫度和電假設入射光有高聚光比。并假設溫度和電阻效應對聚光太陽能電池的影響很小，而光強的增加能適當增阻效應對聚光太陽能電池的影響很小，而光強的增加能適當增加短路電流。加短路電流。因為開路電壓因為開路電壓VOC受短路電流的影響，受短路電流的影響，VOC隨著光強呈對數隨著光強呈對數上升。再者，因為填充因子也隨著上升。再者，因為填充因子也隨著VOC的提高而提高，所以填的提高而提高，所以填充因子同樣隨著光強的增加而提高。因光強的增加而額外上升充因子同樣隨著光強的增加而提高。因光強的增加而額外上升的的VOC和和FF使聚光太陽能電池獲得更高的效率。使聚光太陽能電池獲得更高的效率。 2021-10

6、-31UNSW新南威爾士大學6 4.1.1 基礎太陽能電池設計基礎太陽能電池設計 為獲得最高效率為獲得最高效率，在設計單節太陽能電池時，在設計單節太陽能電池時，應注意幾項原則：應注意幾項原則： 1. 提高能被電池吸收并生產載流子的光的數量。提高能被電池吸收并生產載流子的光的數量。 2. 提高提高pn結收集光生載流子的能力。結收集光生載流子的能力。 3. 盡量減小黑暗前置電流。盡量減小黑暗前置電流。 4. 提取不受電阻損耗的電流。提取不受電阻損耗的電流。2021-10-31UNSW新南威爾士大學7 4.1.1 基礎太陽能電池設計基礎太陽能電池設計被頂端被頂端電極所電極所阻擋阻擋表面反射表面反射被

7、電池的背面反射被電池的背面反射光的損耗主要光的損耗主要以降低短路電以降低短路電流的方式影響太陽能電池的流的方式影響太陽能電池的功率。功率。被損耗的光包括本來有能力被損耗的光包括本來有能力在電池中產生電子空穴對，在電池中產生電子空穴對，但是但是被電池表面反射走的光被電池表面反射走的光線線。對于大多數太陽能電池。對于大多數太陽能電池來說，所有的可見光都能產來說，所有的可見光都能產生電子空穴對，因此它們都生電子空穴對，因此它們都能被很好地吸收。能被很好地吸收。2021-10-31UNSW新南威爾士大學8 4.2.1 光學特性光學特性 光的損耗光的損耗有很多有很多減少光損失減少光損失的方法：的方法：1

8、、盡量使電池頂端電極覆蓋的面積達到最小（盡管這樣可能、盡量使電池頂端電極覆蓋的面積達到最小（盡管這樣可能導致串聯電阻的增加）。這一點在導致串聯電阻的增加）。這一點在串聯電阻（后述）串聯電阻（后述）一節一節中有詳細討論中有詳細討論 。2、在電池上表面加減反射膜、在電池上表面加減反射膜3、表面制絨、表面制絨4、增加電池的厚度以提高吸收（盡管任何在與、增加電池的厚度以提高吸收（盡管任何在與pn結的距離大結的距離大于擴散長度的區域被吸收的光，都因載流子的復合而對短于擴散長度的區域被吸收的光，都因載流子的復合而對短路電流沒有貢獻）路電流沒有貢獻）5、通過表面制絨與光陷阱的結合來增加電池中光的路徑長度、通

9、過表面制絨與光陷阱的結合來增加電池中光的路徑長度2021-10-31UNSW新南威爾士大學9 4.2.1 光學特性光學特性 光的損耗光的損耗 加在太陽能電池上表面的減反射膜與在其他加在太陽能電池上表面的減反射膜與在其他光學器件（如相機鏡頭）上的膜相似。它們包含光學器件（如相機鏡頭）上的膜相似。它們包含了一層了一層很薄的介電材料層，膜的厚度經過特殊設很薄的介電材料層，膜的厚度經過特殊設計計，光在膜間發生干涉效應，避免了像在半導體，光在膜間發生干涉效應，避免了像在半導體表面那樣被反射出去。表面那樣被反射出去。這些避免被反射出去的光這些避免被反射出去的光與其它光發生破壞性干擾，導致被反射出電池的與其

10、它光發生破壞性干擾，導致被反射出電池的光強為零光強為零。2021-10-31UNSW新南威爾士大學10 4.2.2 光學特性光學特性 減反射膜減反射膜 4.2.2 光學特性光學特性 減反射膜減反射膜使用厚度為四分之一波長的減反射膜來減少表面反射。使用厚度為四分之一波長的減反射膜來減少表面反射。(a)破壞性破壞性干涉導致干涉導致反射光為反射光為零零(b)建設性建設性干涉導致干涉導致所有的光所有的光都被反射都被反射所有光所有光傳入半傳入半導體導體沒有光沒有光傳入半傳入半導體導體 減反射膜的厚度經過特殊設計，剛好減反射膜的厚度經過特殊設計，剛好為入射光波長的為入射光波長的四分之一四分之一。計算過程如

11、下：對于折射率為計算過程如下：對于折射率為n1的薄膜材料，入射光的薄膜材料，入射光真空中的波長為真空中的波長為0 0，則使反射最小化的薄膜厚度為，則使反射最小化的薄膜厚度為 d1 1= =0 0/ /（4 4n1 1） 如果減反射膜的折射率為膜兩邊的材料的折射率如果減反射膜的折射率為膜兩邊的材料的折射率的幾何平均數，反射將被進一步降低。即的幾何平均數，反射將被進一步降低。即102nn n 2021-10-3112 4.2.2 光學特性光學特性 減反射膜減反射膜 4.2.2 光學特性光學特性 減反射膜減反射膜 盡管，通過上面的公式，選用相應厚度、折射率盡管，通過上面的公式，選用相應厚度、折射率膜

12、和相應波長的光，能使反射的光減少到零，但是膜和相應波長的光，能使反射的光減少到零，但是每每一種厚度和折射率只能對應一種波長的光一種厚度和折射率只能對應一種波長的光。在光伏應用中在光伏應用中，人們設計薄膜的厚度和反射率，人們設計薄膜的厚度和反射率，以以使波長為使波長為0.6m的光的反射率達到最小的光的反射率達到最小。因為這個。因為這個波長的能量最接近太陽光譜能量的峰值。波長的能量最接近太陽光譜能量的峰值。 如果鍍上如果鍍上多層減反射膜多層減反射膜，能減少反射率的光譜范，能減少反射率的光譜范圍將非常寬。但是，對于多數商業太陽能電池來講，圍將非常寬。但是，對于多數商業太陽能電池來講，這樣的成本通常太

13、高。這樣的成本通常太高。 4.2.2 光學特性光學特性 減反射膜減反射膜裸硅裸硅覆蓋有折射率為覆蓋有折射率為2.3的最優化抗反膜玻璃的硅的最優化抗反膜玻璃的硅（僅）覆蓋玻璃的硅（僅）覆蓋玻璃的硅Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating. 在硅在硅表面制絨表面制絨，可以與減反射膜相結合，也可以單獨使，可以與減反射膜相結合，也可以單獨使用，都用，都能達到減小反射的效果能達到減小反射的效果。因為任何。因為任何表面的缺陷表面

14、的缺陷都能增都能增加光反彈回表面而不是離開表面的概率，所以都能起到減小加光反彈回表面而不是離開表面的概率，所以都能起到減小反射的效果。反射的效果。2021-10-31UNSW新南威爾士大學15 4.2.3 光學特性光學特性 表面制絨表面制絨 4.2.3 光學特性光學特性 表面制絨表面制絨 表面制絨有幾種方法。表面制絨有幾種方法。一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面刻蝕便能達到制絨效一塊單晶硅襯底可以沿著晶體表面刻蝕便能達到制絨效果。如果表面能恰當符合內部原子結構的話，硅表面的晶體結果。如果表面能恰當符合內部原子結構的話，硅表面的晶體結構將變成由金字塔構成的表面。下圖畫出了一個這樣的金字塔構將變成由金

15、字塔構成的表面。下圖畫出了一個這樣的金字塔結構，而緊接著的是用電子顯微鏡拍攝的硅表面制絨。這種制結構，而緊接著的是用電子顯微鏡拍攝的硅表面制絨。這種制絨方式叫絨方式叫“隨機型金字塔隨機型金字塔”制絨制絨，通常在單晶硅電池制造上使，通常在單晶硅電池制造上使用。用。 右圖便是組成晶硅右圖便是組成晶硅太陽能電池制絨表面的太陽能電池制絨表面的金字塔結構金字塔結構。單晶硅單晶硅制絨表面的電子顯微鏡掃描照片制絨表面的電子顯微鏡掃描照片 另一種表面制絨方式叫另一種表面制絨方式叫“倒金字塔型倒金字塔型”制絨。這種制絨制絨。這種制絨方法是往硅表面下面刻蝕，而不是從表面往上刻蝕，如圖所方法是往硅表面下面刻蝕，而不

16、是從表面往上刻蝕，如圖所示。示。 4.2.3 光學特性光學特性 表面制絨表面制絨單晶硅單晶硅制絨表面的電子顯微鏡掃描照片制絨表面的電子顯微鏡掃描照片 像減小表面反射一樣，像減小表面反射一樣，充分的吸收入射光也是獲得高轉換充分的吸收入射光也是獲得高轉換效率的必要途徑之一效率的必要途徑之一。而。而吸收光的多少則取決于光路徑的長度吸收光的多少則取決于光路徑的長度和吸收系數和吸收系數。下面的動畫展示了硅太陽能電池對光的吸收是如。下面的動畫展示了硅太陽能電池對光的吸收是如何隨著電池厚度變化的。何隨著電池厚度變化的。2021-10-31UNSW新南威爾士大學18 對于厚度超過對于厚度超過10mm的硅的硅電

17、池來說，入射光能量大于禁電池來說，入射光能量大于禁帶寬度的部分基本全部被吸收。帶寬度的部分基本全部被吸收。總電流的總電流的100%指的是所有能被指的是所有能被硅吸收的光都被吸收了。當硅硅吸收的光都被吸收了。當硅材料厚度為材料厚度為10微米時，只有微米時，只有30%的可吸收光被吸收。損失的可吸收光被吸收。損失的光子用橙色和紅色表示。的光子用橙色和紅色表示。 4.2.4 光學特性光學特性電池厚度電池厚度 4.2.5 光學特性光學特性 光陷阱光陷阱 最佳的電池厚度并不單單是由吸收所有的光這一需要決最佳的電池厚度并不單單是由吸收所有的光這一需要決定的。例如，如果光不是在與定的。例如，如果光不是在與pn

18、結距離小于擴散長度的區域結距離小于擴散長度的區域被吸收，產生的載流子就會被復合。此外，就像被吸收，產生的載流子就會被復合。此外，就像復合引起的復合引起的電壓損失電壓損失一節所講那樣，一節所講那樣，如果電池的厚度變薄但是吸收的光如果電池的厚度變薄但是吸收的光線不變，開路電壓將比厚電池的大線不變，開路電壓將比厚電池的大。 2021-10-31UNSW新南威爾士大學19 4.2.5 光學特性光學特性 光陷阱光陷阱經過結構優化的太陽電池通常擁有比電池實際厚度長幾經過結構優化的太陽電池通常擁有比電池實際厚度長幾倍的光路徑長度，所謂倍的光路徑長度，所謂電池光路徑長度電池光路徑長度是指是指沒被吸收的光在沒被

19、吸收的光在射出電池前在電池內所走的距離射出電池前在電池內所走的距離。通常稱它為器件厚度。通常稱它為器件厚度。舉例說，一個沒有光陷阱結構的電池，它的光路徑長度舉例說，一個沒有光陷阱結構的電池，它的光路徑長度可能只相當于電池實際厚度，而經過光陷阱結構優化的電池可能只相當于電池實際厚度，而經過光陷阱結構優化的電池的路徑長度能達到厚度的的路徑長度能達到厚度的50倍，這意味著光線能在電池內來倍，這意味著光線能在電池內來回反彈許多遍。回反彈許多遍。 2021-10-31UNSW新南威爾士大學20 4.2.5 光學特性光學特性 光陷阱光陷阱 通常，通常，使光子入射在傾斜面上，隨之改變光子使光子入射在傾斜面上

20、，隨之改變光子在電池內運動的角度，便能達到光陷阱的效果在電池內運動的角度，便能達到光陷阱的效果。一。一個經過制絨的表面不僅能像前面所講的那樣減少反個經過制絨的表面不僅能像前面所講的那樣減少反射，還能使光斜著入射電池，因此光的路徑長度比射，還能使光斜著入射電池，因此光的路徑長度比厚度大。厚度大。光入射到半導體的折射角度可以通過折射定律光入射到半導體的折射角度可以通過折射定律求得：求得： n1sin1=n2sin 2 其中，其中，12分別是入射角和折射角，而分別是入射角和折射角，而n1為光入為光入射介質的折射率，射介質的折射率，n2光射出介質的折射率。光射出介質的折射率。 對上面的折射定律公式進行

21、調整，則可計算光在電池入射對上面的折射定律公式進行調整，則可計算光在電池入射的角度（即折射角）：的角度（即折射角）： 12112sinn sin/ n 2021-10-3122 對于經過表面制絨的單晶硅太陽能電池，由于晶體表面的對于經過表面制絨的單晶硅太陽能電池，由于晶體表面的存在而使得角度存在而使得角度1等于等于36，如下圖所示，如下圖所示光在經制絨的太陽能電池上的反射和入射光在經制絨的太陽能電池上的反射和入射 4.2.5 光學特性光學特性 光陷阱光陷阱 4.2.5 光學特性光學特性 光陷阱光陷阱121 -1nnsin 如果光線從折射率大的介質入射到折射率小的介質，將如果光線從折射率大的介質

22、入射到折射率小的介質，將有可能發生全反射。此時的入射角為臨界角，在上面的方程有可能發生全反射。此時的入射角為臨界角，在上面的方程中，設中，設2為為0，得：，得： 利用全內反射，可以把光困在利用全內反射，可以把光困在電池內面，使穿入電池的光成倍增電池內面，使穿入電池的光成倍增加，因此厚度很薄的電池也能擁有加，因此厚度很薄的電池也能擁有很長的光路徑長度。很長的光路徑長度。朗伯背反射層如下圖所描述：朗伯背反射層如下圖所描述： 4.2.6 光學特性光學特性朗伯背反射層朗伯背反射層UNSW新南威爾士大學新南威爾士大學小于臨界角入射小于臨界角入射的光逃出電池的光逃出電池光被全光被全反射并反射并圍困在圍困在

23、電池內電池內入射光入射光電池底部的隨機散射電池底部的隨機散射頂角等頂角等于臨界于臨界角的椎角的椎體內的體內的光損失光損失掉了掉了 朗伯朗伯背反射層背反射層是一種特殊的背反射層，它是一種特殊的背反射層，它能使反射能使反射光的方向隨機化光的方向隨機化。電池背反射層的電池背反射層的高反射率減小了背電極對光的吸收和光高反射率減小了背電極對光的吸收和光穿出電池的幾率，并把光反彈回電池體內。穿出電池的幾率，并把光反彈回電池體內。方向的隨機化使得許多反射光都被全反射回去。有些方向的隨機化使得許多反射光都被全反射回去。有些被反射被反射回電池頂端表面的光與表面的角度大于臨界角，則又再次被回電池頂端表面的光與表面

24、的角度大于臨界角，則又再次被全反射回電池內全反射回電池內。這樣一來，光被吸收的機會就大大增加了，。這樣一來，光被吸收的機會就大大增加了，因此這是一個十分有效的圍困光線的技術。因此這是一個十分有效的圍困光線的技術。 4.2.6 光學特性光學特性朗伯背反射層朗伯背反射層 復合效應同時造成光生電流（即短路電流）和開路電壓的復合效應同時造成光生電流（即短路電流）和開路電壓的損失。人們通常依據發生在電池內的損失。人們通常依據發生在電池內的區域區域不同來對復合進行分不同來對復合進行分類。一般來說，發生在電池表面（類。一般來說，發生在電池表面（表面復合表面復合）和電池體內（）和電池體內（體體復合復合）的復合

25、是主要的復合形式。而）的復合是主要的復合形式。而耗盡區耗盡區則是另外一個會發則是另外一個會發生復合的區域。生復合的區域。26 4.3.1 減少復合效應減少復合效應復合損耗復合損耗 為了讓為了讓pn結能夠吸收所有的光生載流子，結能夠吸收所有的光生載流子，表面復合和表面復合和體復合都要盡量減到最小體復合都要盡量減到最小。對于硅太陽能電池，要達到這樣。對于硅太陽能電池，要達到這樣的效果，所需條件為：的效果，所需條件為： 載流子載流子必須在與必須在與pn結距離結距離小于擴散長度的區域產生小于擴散長度的區域產生，才能擴，才能擴散到散到pn結并被收集。結并被收集。 對于局部高復合區域（比如，沒有鈍化的表面

26、和多晶硅的晶對于局部高復合區域（比如，沒有鈍化的表面和多晶硅的晶界），界），光生載流子與光生載流子與pn結的距離必須小于與高復合區域的距結的距離必須小于與高復合區域的距離離。相反，在局部低復合區域（比如鈍化的表面），光生載。相反，在局部低復合區域（比如鈍化的表面），光生載流子可以與低復合區域距離更近些，因為它依然能擴散到流子可以與低復合區域距離更近些，因為它依然能擴散到pn結并被收集，而不會復合。結并被收集，而不會復合。 2021-10-31UNSW新南威爾士大學27 4.3.2 減少復合效應減少復合效應復合引起的電流損失復合引起的電流損失 4.3.2 減少復合效應減少復合效應復合引起的電流損

27、失復合引起的電流損失 電池的前表面和背表面存在局部復合區域，意味著電池的前表面和背表面存在局部復合區域，意味著能能量不同的光子將有不同的收集概率量不同的光子將有不同的收集概率。1、藍光的吸收率很高，并且在距離前表面非常近處被吸收，、藍光的吸收率很高，并且在距離前表面非常近處被吸收，所以如果前表面是個高復合區域的話，那么藍光產生的載流所以如果前表面是個高復合區域的話，那么藍光產生的載流子就不怎么可能被子就不怎么可能被pn結收集。結收集。2、類似的，如果電池的背表面的復合效應很強，將主要影、類似的，如果電池的背表面的復合效應很強，將主要影響由紅外光產生的載流子（紅外光在電池深處產生載流子）。響由紅

28、外光產生的載流子（紅外光在電池深處產生載流子）。太陽能電池的量子效率量化了復合效應對光生電流的影響。太陽能電池的量子效率量化了復合效應對光生電流的影響。下圖描述了太陽能電池的量子效率。下圖描述了太陽能電池的量子效率。2021-10-31UNSW新南威爾士大學29理想和實際太陽能電池的典型量子效率，描述了復合損失理想和實際太陽能電池的典型量子效率，描述了復合損失和光損失的影響和光損失的影響前表面的反前表面的反射和復合射和復合體內和背面的體內和背面的復合加上沒被復合加上沒被吸收的光吸收的光 4.3.2 減少復合效應減少復合效應復合引起的電流損失復合引起的電流損失 4.3.2 減少復合效應減少復合效

29、應復合引起的電流損失復合引起的電流損失 三種不同類型的三種不同類型的晶體硅晶體硅太陽能電池的量子效率曲線。埋太陽能電池的量子效率曲線。埋柵和絲網印刷曲線表示的是電池的內部量子效率，而柵和絲網印刷曲線表示的是電池的內部量子效率，而PERL曲線則表示電池的外部量子效率。曲線則表示電池的外部量子效率。PERL電池對紅外光的響電池對紅外光的響應最好，因為被良好地鈍化，有高效率的背表面反射。應最好，因為被良好地鈍化，有高效率的背表面反射。絲網印刷絲網印刷埋柵埋柵PERL 開路電壓的損失取決于開路電壓的損失取決于pn結處復合效應的大小。能表示結處復合效應的大小。能表示復合大小的材料參數是復合大小的材料參數

30、是“二極管飽和電流二極管飽和電流”。而復合的大小由而復合的大小由pn結邊緣的少數載流子的數量控制。所結邊緣的少數載流子的數量控制。所以，黑以，黑暗飽和電流以及開路電壓將受到下面幾個因素影響暗飽和電流以及開路電壓將受到下面幾個因素影響： pn結邊緣的少數載流子數量。結邊緣的少數載流子數量。 從從pn結另一邊注入的少數載流子數量，等于在平衡狀態下結另一邊注入的少數載流子數量，等于在平衡狀態下的少數載流子數量乘以一個由電池電壓和溫度決定的指數的少數載流子數量乘以一個由電池電壓和溫度決定的指數因子。因此，因子。因此，盡量減少平衡少數載流子濃度將減少復合盡量減少平衡少數載流子濃度將減少復合。 而減少平衡

31、少數載流子濃度可以通過而減少平衡少數載流子濃度可以通過增加摻雜增加摻雜來實現。來實現。 4.3.3 減少復合效應減少復合效應復合引起的電壓損失復合引起的電壓損失 材料的擴散長度。材料的擴散長度。 長的擴散長度才能盡量減少復合并獲得高電壓。長的擴散長度才能盡量減少復合并獲得高電壓。而擴散長而擴散長度怎取決于電池材料的類型、制造電池片的過程和摻雜的度怎取決于電池材料的類型、制造電池片的過程和摻雜的情況。情況。 高摻雜導致低擴散長度高摻雜導致低擴散長度，因此需要找到長擴散長度，因此需要找到長擴散長度(它同它同時影響著電流和電壓時影響著電流和電壓)與高電壓之間的平衡。與高電壓之間的平衡。 與與pn結距

32、離小于擴散長度的區域存在局部復合區。靠近結距離小于擴散長度的區域存在局部復合區。靠近pn結結的高復合區（通常為表面或晶界）使得載流子迅速的移向它，的高復合區（通常為表面或晶界）使得載流子迅速的移向它，接著被復合，因此大幅度提高復合電流。通過接著被復合，因此大幅度提高復合電流。通過表面鈍化表面鈍化能夠能夠降低表面復合的影響。降低表面復合的影響。 2021-10-31UNSW新南威爾士大學32 4.3.3 減少復合效應減少復合效應復合引起的電壓損失復合引起的電壓損失 4.3.3 減少復合效應減少復合效應復合引起的電壓損失復合引起的電壓損失 在假設良好表面鈍化的前提下，摻雜（在假設良好表面鈍化的前提

33、下，摻雜（ND）對擴散長度）對擴散長度和開路電壓的影響。和開路電壓的影響。擴散長度擴散長度開路電壓開路電壓下圖顯示對兩種參數的權衡。下圖顯示對兩種參數的權衡。 表面復合強烈影響短路電流的同時，也強烈影響著開路表面復合強烈影響短路電流的同時，也強烈影響著開路電壓。電壓。 1、電池前表面的高復合率對短路電流產生非常不利的影、電池前表面的高復合率對短路電流產生非常不利的影響，因為響，因為前表面是電池中載流子生成率非常高的區域前表面是電池中載流子生成率非常高的區域。要降低。要降低此區域的高復合率，可以通過在此區域的高復合率，可以通過在表面鍍上鈍化層表面鍍上鈍化層（通常為二氧（通常為二氧化硅）的方式來減

34、小硅表面的懸掛鍵。化硅）的方式來減小硅表面的懸掛鍵。 4.3.4 減少復合效應減少復合效應表面復合表面復合 二氧化硅二氧化硅“鈍化鈍化”表面并減少表面復合表面并減少表面復合 降低表面復合影響的技術降低表面復合影響的技術pn結的電場結的電場 2、因為硅太陽能電池的鈍化層通常為絕緣體，所以有金屬、因為硅太陽能電池的鈍化層通常為絕緣體，所以有金屬電極的區域便不能被二氧化硅鈍化。取而代之的，是電極的區域便不能被二氧化硅鈍化。取而代之的，是在表面電在表面電極下面重摻雜，以減小表面復合的影響極下面重摻雜，以減小表面復合的影響。盡管這樣的重摻雜通常會嚴重減小擴散長度，但是由于電盡管這樣的重摻雜通常會嚴重減小

35、擴散長度，但是由于電極區域并不參與載流子的生成，因此它對載流子的收集的影響極區域并不參與載流子的生成，因此它對載流子的收集的影響并不大。并不大。在電極下面重摻雜，讓少數載流子遠離在電極下面重摻雜，讓少數載流子遠離高復合率的前端電極高復合率的前端電極pn結的電場結的電場 二氧化硅二氧化硅“鈍化鈍化”表面并表面并減少表面復合減少表面復合 降低表面復合影響的技術降低表面復合影響的技術 4.3.4 減少復合效應減少復合效應表面復合表面復合3、如果背表面與、如果背表面與pn結的距離小于擴散長度，類似的方法也結的距離小于擴散長度，類似的方法也使用在減少背表面復合率對電壓和電流的影響上。使用在減少背表面復合

36、率對電壓和電流的影響上。“背電場背電場”由電池背面的高摻雜區域組成。由電池背面的高摻雜區域組成。在高摻雜和低摻雜區在高摻雜和低摻雜區的交界處形成了類似的交界處形成了類似pn結的場結的場，相當于引入一個阻止少數載流，相當于引入一個阻止少數載流子到背面的屏障。而子到背面的屏障。而低摻雜區域的少數載流子濃度也因此保持低摻雜區域的少數載流子濃度也因此保持在了一個高水平在了一個高水平，此背電場也取得了鈍化背面的效果。，此背電場也取得了鈍化背面的效果。對電池背部進行重摻雜，讓少數載流子對電池背部進行重摻雜，讓少數載流子（這里為電子）遠離高復合率的背電極（這里為電子）遠離高復合率的背電極在電極下面重摻雜，讓

37、少數載流子遠離在電極下面重摻雜，讓少數載流子遠離高復合率的前端電極高復合率的前端電極pn結的電場結的電場 二氧化硅二氧化硅“鈍化鈍化”表面并表面并減少表面復合減少表面復合 降低表面復合影響的技術降低表面復合影響的技術 除了使除了使吸收最大吸收最大化和化和復合最小復合最小化之外，設計一化之外，設計一個高效率太陽能電池的最后一個條件，便是使寄生個高效率太陽能電池的最后一個條件，便是使寄生電阻造成的損耗降到最低。電阻造成的損耗降到最低。并聯電阻和串聯電阻都會降低電池的填充因子并聯電阻和串聯電阻都會降低電池的填充因子和效率。有害的和效率。有害的低并聯電阻低并聯電阻是一種是一種制造缺陷制造缺陷，而不，而

38、不是參數設計的問題。然而，由頂端電極電阻和發射是參數設計的問題。然而，由頂端電極電阻和發射區電阻組成的區電阻組成的串聯電阻串聯電阻就跟并聯電阻有所不同，必就跟并聯電阻有所不同，必須小心設計電池結構的類型和尺度以須小心設計電池結構的類型和尺度以優化優化電池的效電池的效率。率。 2021-10-31UNSW新南威爾士大學37 4.4.1 頂端電極的設計頂端電極的設計串聯電阻串聯電阻 4.4.1 頂端電極的設計頂端電極的設計串聯電阻串聯電阻母母柵柵子柵子柵網格線網格線 電池的串聯電阻有幾個部分組成，如下圖所示。在這些成電池的串聯電阻有幾個部分組成，如下圖所示。在這些成分中，分中，發射區和頂端電極（包

39、括子柵電阻和母柵電阻）對串發射區和頂端電極（包括子柵電阻和母柵電阻）對串聯電阻的貢獻最大，因此也是最需要優化的區域聯電阻的貢獻最大，因此也是最需要優化的區域。太陽能電池中電阻組成及電流流向太陽能電池中電阻組成及電流流向 金屬頂端電極是用來收集電池產生的電流的。金屬頂端電極是用來收集電池產生的電流的。“母柵母柵”直接直接與外部電路連接，而與外部電路連接，而“子柵子柵”負責從電池內部收集電流并傳送到負責從電池內部收集電流并傳送到母柵。母柵。在頂端電極的設計中，關鍵是要取得一個平衡，即在頂端電極的設計中，關鍵是要取得一個平衡，即窄的電窄的電極網線所造成的高電阻與寬電極網線造成的遮光面積增加的平極網線

40、所造成的高電阻與寬電極網線造成的遮光面積增加的平衡。衡。2021-10-31UNSW新南威爾士大學39子子柵柵母柵母柵 4.4.1 頂端電極的設計頂端電極的設計串聯電阻串聯電阻太陽能電池頂端觸極設計。太陽能電池頂端觸極設計。母柵和子柵連接并將產生母柵和子柵連接并將產生的電流傳到外電極。的電流傳到外電極。 通常，通常，光生電流從電池體內垂直移動到電池表面，然后光生電流從電池體內垂直移動到電池表面，然后橫向穿過重摻雜表面，直到被頂端電極收集橫向穿過重摻雜表面，直到被頂端電極收集。 電池體內的電阻和電流被假設為一個常數。電池體內的電阻和電流被假設為一個常數。電池的體電電池的體電阻阻被定義為：被定義為

41、： Rb=bw/A 考慮到電池的厚度。考慮到電池的厚度。 式中式中b為電池的體電阻率（電導率的倒數）（硅電池通常為電池的體電阻率（電導率的倒數）（硅電池通常為為0.5-5.0cm），）， A為電池面積，為電池面積，w為電池主體區域的寬度。為電池主體區域的寬度。2021-10-31UNSW新南威爾士大學40 4.4.2 頂端電極的設計頂端電極的設計體電阻體電阻母母柵柵子柵子柵網格線網格線 對于發射（區）層，其電阻率和厚度都是不知道的，對于發射（區）層，其電阻率和厚度都是不知道的，使得人們很難通過電阻率和厚度來計算表層的電阻大小。使得人們很難通過電阻率和厚度來計算表層的電阻大小。然而，然而，“表層

42、電阻率表層電阻率”，一個，一個取決于電阻率和厚度取決于電阻率和厚度的參數，的參數，卻可以通過電池的卻可以通過電池的n型層表面很輕易地測量出來。型層表面很輕易地測量出來。對于摻雜均勻的薄層來說，對于摻雜均勻的薄層來說，表層電阻率表層電阻率（方塊電阻，或膜電阻，）定義為：定義為： 其中，其中， 為為n型層的電阻率，型層的電阻率，t為表層的厚度。為表層的厚度。 表層電阻率通常表示為表層電阻率通常表示為歐姆歐姆/sq/sq或或/2021-10-31UNSW新南威爾士大學41 4.4.3 頂端電極的設計頂端電極的設計表層電阻率表層電阻率 4.4.3 頂端電極的設計頂端電極的設計表層電阻率表層電阻率 只要

43、仍然保持正方形，則無論尺寸多大，方形導電片的只要仍然保持正方形，則無論尺寸多大，方形導電片的電阻都是一樣大的電阻都是一樣大的。 在計算塊材電阻的時候，我們就可以利用方塊電阻乘以長寬比例得到，計算過程與維度無關：R=R=* * L/WL/W(L為塊材長度，W為塊材寬度） 發射區的表層電阻率可以使用發射區的表層電阻率可以使用“四點探針法四點探針法”非常容易的測出來。非常容易的測出來。電流流到探針，并在中間兩個探針之電流流到探針，并在中間兩個探針之間產生壓降。間產生壓降。n型區與型區與p型區之間的型區之間的pn結扮演著絕緣層的角色，使得測量表結扮演著絕緣層的角色，使得測量表層電阻時不受影響，此外，測

44、量時電層電阻時不受影響，此外，測量時電池必須處在黑暗環境中。池必須處在黑暗環境中。2021-10-31UNSW新南威爾士大學43 4.4.3 頂端電極的設計頂端電極的設計表層電阻率表層電阻率 4.4.3 頂端電極的設計頂端電極的設計表層電阻率表層電阻率 利用實驗測得的電壓和電流，可算得：利用實驗測得的電壓和電流，可算得： 式中式中/ln2=4.53 一般硅太陽能電池的表層電阻率在一般硅太陽能電池的表層電阻率在30-100 /之間。之間。 對于摻雜不均勻的對于摻雜不均勻的n型層來說，型層來說，的分布也是不均勻的，則：的分布也是不均勻的，則： 基于前面的表層電阻率，作為頂端電極柵間距的函數且由基于

45、前面的表層電阻率，作為頂端電極柵間距的函數且由發射區電阻造成的功率損失便可計算出來。發射區電阻造成的功率損失便可計算出來。然而，在然而，在發射區的電流流動的距離并不都是相等的發射區的電流流動的距離并不都是相等的。如果。如果電流剛好從電池內部流到電極附近，則因此路程很短。但是如電流剛好從電池內部流到電極附近，則因此路程很短。但是如果電流流到兩個柵條之間的話，則電阻路徑剛好等于兩個柵條果電流流到兩個柵條之間的話，則電阻路徑剛好等于兩個柵條距離的一半。距離的一半。45 載流子從電池的產載流子從電池的產生點流到外部電極的理生點流到外部電極的理想效果圖。需要注意的想效果圖。需要注意的是，實際中的發射區要

46、是，實際中的發射區要比圖中的薄很多。比圖中的薄很多。 4.4.4 頂端電極的設計頂端電極的設計發射區電阻發射區電阻 4.4.4 頂端電極的設計頂端電極的設計發射區電阻發射區電阻 右圖為計算由電右圖為計算由電池表層的橫向電阻造池表層的橫向電阻造成的功率損失時用到成的功率損失時用到的數據。的數據。在在y方向逐漸遞增的功率損失為：方向逐漸遞增的功率損失為：dPloss=I2dR其中其中 表層橫向電流的大小決定于表層橫向電流的大小決定于y和和I（y），在兩柵條之間），在兩柵條之間的中間點的大小為零，并沿著中間點到柵條的線逐漸增加。的中間點的大小為零，并沿著中間點到柵條的線逐漸增加。b 計算電流的方程為

47、：計算電流的方程為： I（y）=Jby J為電流密度，為電流密度，b為柵條的長度，而為柵條的長度，而y是兩柵條的間隔距離。是兩柵條的間隔距離。 終上所述，終上所述，在在1/2單元電池中，頂層阻抗引起的功率損耗單元電池中，頂層阻抗引起的功率損耗為：為： 2021-10-31UNSW新南威爾士大學47式中式中S同樣為兩柵間距。同樣為兩柵間距。在最大功率輸出點，產生的功率為在最大功率輸出點，產生的功率為 ，則，則頂層頂層 電阻引起的相對功率損耗為：電阻引起的相對功率損耗為： 4.4.4 頂端電極的設計頂端電極的設計發射區電阻發射區電阻2021-10-31UNSW新南威爾士大學48頂層阻抗引起的頂層阻

48、抗引起的相對功率損耗：相對功率損耗： 4.4.4 頂端電極的設計頂端電極的設計發射區電阻發射區電阻 對于一個典型的市售硅電池，40/,為了使由于頂層橫向電阻影響而引起的功率損耗小于4%，要求：可以看到：方塊電阻較小的電池，柵線間隔較大；而方塊電阻較大的電池，柵線間隔較小。mVVcmmAJmpmp450,/302mpmplossJVPS12mmS403. 04045. 004. 01221 接觸電阻損耗發生在硅電池與金屬電極的交界處接觸電阻損耗發生在硅電池與金屬電極的交界處。要降低。要降低接觸電阻的損耗，就必須對接觸電阻的損耗，就必須對n型層的型層的頂層進行重摻雜頂層進行重摻雜。然而，重摻雜水平

49、也會引起不良后果。即如果高濃度的磷然而，重摻雜水平也會引起不良后果。即如果高濃度的磷被擴散到硅中，當溫度下降時，多余的磷會被析出電池表層，被擴散到硅中，當溫度下降時，多余的磷會被析出電池表層，形成一層形成一層“死層死層”，在這層中光生載流子的收集幾率非常低在這層中光生載流子的收集幾率非常低。2021-10-31UNSW新南威爾士大學49頂端金屬電極頂端金屬電極金屬與硅界面的高接觸電阻金屬與硅界面的高接觸電阻對界面重摻雜以減小接觸電阻對界面重摻雜以減小接觸電阻N型發射區型發射區 4.4.5 頂端電極的設計頂端電極的設計接觸電阻接觸電阻許多商用電池因為死層的出現而導致許多商用電池因為死層的出現而導

50、致對藍光的響應很差對藍光的響應很差。解決的辦法是，解決的辦法是，對金屬電極的下面部分進行重摻雜，而表對金屬電極的下面部分進行重摻雜，而表層的其余部分則需控制在一個平衡值層的其余部分則需控制在一個平衡值，也就是在獲得，也就是在獲得低發射區低發射區飽和電流和高發射區擴散長度之間達到平衡飽和電流和高發射區擴散長度之間達到平衡。如果忽略由半導體到主柵線的電流，接觸電阻損耗僅僅是如果忽略由半導體到主柵線的電流，接觸電阻損耗僅僅是由于子柵線所引起。則由于子柵線所引起。則接觸電阻引起的功率損失比率接觸電阻引起的功率損失比率一般可近一般可近似為：似為：其中：其中：c為接觸電阻率，為接觸電阻率，WF為為子柵線寬

51、為為子柵線寬2021-10-3150頂端金屬電極頂端金屬電極金屬與硅界面的高接觸電阻金屬與硅界面的高接觸電阻對界面重摻雜以減小接觸電阻對界面重摻雜以減小接觸電阻N型發射區型發射區 4.4.5 頂端電極的設計頂端電極的設計接觸電阻接觸電阻FmpmpccfWSVJP接觸電阻引起的功率損失比率接觸電阻引起的功率損失比率：2021-10-3151FmpmpccfWSVJP頂層阻抗引起的頂層阻抗引起的相對功率損耗：相對功率損耗：tlP子柵和母柵線的電阻功率損失比率子柵和母柵線的電阻功率損失比率：FmpmpsmfrfWSVJBmP21BmpmpsmbrbWVJBAmP112其中：為電極子柵線和母柵的金屬層

52、薄層電阻。 是單元電池上子柵和母柵的平均寬度。S是子柵線的線距。AB是單元電池的面積。 如果電極各部分是線性地逐漸變細的，則m值為4；如果寬度是均勻的，則m值為3.smbsmf,BFWW ,2021-10-3152子柵和母柵線的電阻功率損失比率子柵和母柵線的電阻功率損失比率：FmpmpsmfrfWSVJBmP21BmpmpsmbrbWVJBAmP112子柵和母柵線遮光引起的功率損失比率子柵和母柵線遮光引起的功率損失比率：SWPFsfBWPBsb 頂端電極的優化設計不只有頂端電極的優化設計不只有子柵和母柵電阻的最小化子柵和母柵電阻的最小化，還包括還包括與頂端電阻有關的總的損耗的最小化與頂端電阻有

53、關的總的損耗的最小化，即包括：發射，即包括：發射區的電阻損耗、金屬電極的電阻損耗和陰影損耗。區的電阻損耗、金屬電極的電阻損耗和陰影損耗。一些一些設計的因素決定了損耗規模的大小設計的因素決定了損耗規模的大小，它們包括：，它們包括：子柵和母柵的間距、金屬的高寬橫縱比、金屬柵條的最小寬子柵和母柵的間距、金屬的高寬橫縱比、金屬柵條的最小寬度以及金屬的電阻率。如下圖所示。度以及金屬的電阻率。如下圖所示。2021-10-31UNSW新南威爾士大學53橫縱比橫縱比=高高/寬寬小的高寬橫縱比小的高寬橫縱比柵條的間距柵條的間距大的高寬橫縱比大的高寬橫縱比發射區發射區 4.4.6 頂端電極的設計頂端電極的設計金屬

54、網格的設計金屬網格的設計 4.4.6 頂端電極的設計頂端電極的設計金屬網格的設計金屬網格的設計1、柵間距對發射區電阻的影響、柵間距對發射區電阻的影響 正如我們在正如我們在發射區電阻發射區電阻一節所講的那樣，來自發射區的能一節所講的那樣，來自發射區的能量損耗大小取決于金屬網格的間距，因此，量損耗大小取決于金屬網格的間距，因此，短的柵間距有利于短的柵間距有利于降低發射區電阻降低發射區電阻。2、網格電阻、網格電阻 網格電阻的大小取決于金屬的電阻率、網格的排列布局和網格電阻的大小取決于金屬的電阻率、網格的排列布局和金屬柵條的橫縱比。金屬柵條的橫縱比。低的電阻率和高的橫縱比對電池比較有利低的電阻率和高的

55、橫縱比對電池比較有利，但也會受到制造技術的限制。但也會受到制造技術的限制。3、陰影損失、陰影損失 陰影損失是覆蓋在電池表面的金屬柵條阻擋光線射入電池陰影損失是覆蓋在電池表面的金屬柵條阻擋光線射入電池引起的。引起的。tlP設計原則設計原則 雖然頂端電極的設計方案眾多，但基于現實原因，大多雖然頂端電極的設計方案眾多，但基于現實原因，大多數的電池表面金屬網格設計都是相對簡單和十分勻稱的。數的電池表面金屬網格設計都是相對簡單和十分勻稱的。勻勻稱的網格把電池分成均等的幾部分稱的網格把電池分成均等的幾部分。2021-10-31UNSW新南威爾士大學55 4.4.6 頂端電極的設計頂端電極的設計金屬網格的設

56、計金屬網格的設計2021-10-31設計時有幾個設計時有幾個重要的原則重要的原則要注意要注意(Serreze, 1978) ： 最優的母柵寬度最優的母柵寬度，WB，此時，此時母柵的電阻損耗大小等于它的陰母柵的電阻損耗大小等于它的陰影損耗。影損耗。此時，由母柵引起的功率損失比率為：此時，由母柵引起的功率損失比率為： 寬度逐漸變小的柵條要比等寬的柵條所造成的損耗小。寬度逐漸變小的柵條要比等寬的柵條所造成的損耗小。 電池的面積越小、柵條的寬度電池的面積越小、柵條的寬度WF越小以及柵條間隔越小以及柵條間隔S越小，越小，則損耗越小。則損耗越小。2021-10-31UNSW新南威爾士大學56 4.4.6

57、頂端電極的設計頂端電極的設計金屬網格的設計金屬網格的設計mpmpsmbBVJmABWmpmpsmbsbrbVJmAPP2)(min 對于硅太陽能電池來說，經過基本設計，在表面反射、對于硅太陽能電池來說，經過基本設計，在表面反射、載流子收集、載流子復合和寄生電阻這幾方面進行優化后，載流子收集、載流子復合和寄生電阻這幾方面進行優化后，轉換效率能達到大約轉換效率能達到大約25%的理論值。下圖是進行過這樣優化的理論值。下圖是進行過這樣優化的太陽能電池。的太陽能電池。2021-10-31UNSW新南威爾士大學57制絨和鍍減反射膜制絨和鍍減反射膜表面摻雜表面摻雜母柵母柵背電極背電極子柵子柵 4.5.1 太

58、陽能電池的結構太陽能電池的結構硅太陽能電池的參數硅太陽能電池的參數基礎太陽能設計方法基礎太陽能設計方法 1. 襯底材料（通常為硅）襯底材料（通常為硅） 硅太陽能電池能在現代光伏市場占據統治地位，一部分硅太陽能電池能在現代光伏市場占據統治地位，一部分是得益于硅材料在集成電路產業的杰出表現。而就像在二極是得益于硅材料在集成電路產業的杰出表現。而就像在二極管的制造材料中一樣，硅材料的參數并不是最好的。管的制造材料中一樣，硅材料的參數并不是最好的。特別是，硅的特別是，硅的禁帶寬度禁帶寬度對于最優的太陽能電池來說，還是稍對于最優的太陽能電池來說，還是稍微微有點過低有點過低了，因為硅是直接帶隙半導體，其了

59、，因為硅是直接帶隙半導體，其吸收系數比較吸收系數比較低低。雖然低吸收系數的問題可以通過光陷阱來解決，但是很。雖然低吸收系數的問題可以通過光陷阱來解決，但是很難把硅的表層制造的很薄。盡管如此，硅的資源卻十分豐富難把硅的表層制造的很薄。盡管如此，硅的資源卻十分豐富，它在半導體制造行業的優勢使得其它材料難以匹敵。，它在半導體制造行業的優勢使得其它材料難以匹敵。 2021-10-31UNSW新南威爾士大學58 4.5.1 太陽能電池的結構太陽能電池的結構硅太陽能電池的參數硅太陽能電池的參數 4.5.1 太陽能電池的結構太陽能電池的結構硅太陽能電池的參數硅太陽能電池的參數2. 電池厚度（電池厚度（100-500m） 經過優化的伴有光陷阱和表面鈍化的硅太陽能電池，經過優化的伴有光陷阱和表面鈍化的硅太陽能電池， 厚度大概在厚度大概在100m。然而，。然而，200-500m的厚的厚 度也是很常使度也是很常使 用到的，部分原因是考慮到實