晶硅太阳电池效率提升方向及影响各电性能参数的因素.docx
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晶硅太阳电池效率提升方向及影响各电性能参数的因素
提高丝网印刷太阳电池效率的路径
RoadmaptoEnhancetheEfficiencyofaScreenPrintedSolarCell
卩Sw
moral
生产程序概况如下:
1.初始表面处理与绒面成型(Etching,CleaningandTexturingSurfaces)
2.磷扩散制p/n结与参数测试(PhosphorusDiffusionandTest)
3.等离子周边刻蚀与表面腐蚀清洗(PlasmaEtchingandPSGChemicalEtching)
4.减反射膜淀积,钝化与正面电场(Si3^Anti-reflection-AR
Coating)
5.丝网印刷电极和烧结背场(ScreenPrinting,SinteringandBack
SurfaceField)
6.电池性能测试和分类(MeasurementandSorting)
从1970年代至2003年左右,规模化生产太阳能电池的效率最高14%。
低成本、高效率,相互联系,高效率是关键,现在生产18%
光一电能量转换效率n为:
在太阳能电池I-V特性曲线上作出RS和Rsh(△V/△I=RS,△V/△I=Rsh)的图示。
作出最大功率点Pm及表示FF的方框图,写出用I,V表示FF和Pm的公式。
图p-n结的品质与FF金和Rsh的关系
1.与能量转换效率n相关的参数(TheComponentsofEfficiency
(1)
开路电压Voc(OpencircuitvoltageOV)
式中,Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子.
(2)短路电流密度vSc(Shortcircuitcurrentdensity*
短路电流Isc:
理想状态下,应等于光生电流Il,即Isc=Il
(shortcircuitcurrent.Is。
whichideallyisequaltothelightgeneratedcurrent^
(3)填充因子FF(FillfactorFJF
填充因子FF:
FF=Vmp^。
Voc1sc
实际上是在有光照的I—V曲线内最大矩形面积的测量。
Vmp1mp
Voc1sc
(Fillfactordefinedasthemeasureofsquarenessofthe
illuminatedI-VcurveorFF二
结果,能量转换效率二Pma^=1mpVmp二1scVgFF
pnPinPin
(TheenergyconversionefficiencyEff.
訂_Pmax_1mpVmP_1scVocFF)
RnRnPin
2.有那些参数影响开路电压Voc的呢?
(WhatparametersaffectVC)
材料-光伏有源材料:
电阻率p,少子寿命T,其它杂质等
(Material—activematerial,pt…)。
表面发射极掺杂层(Emitter);
背面电场(BSF(Backsurfacefield;
漏电流一反向饱和电流Io(Leakagecurrents-reversesaturation
current);
理想因子n(Idealityfactorn);
并联电阻R^(Shuntresistanee;
钝化技术—电池材料的表面和内部的钝化(Passivation-surface
andinner)。
3.有那些参数影响短路电流Isc的呢?
(Whatparametersaffectthe
shortcircuitcurrents)
绒面结构(SurfaceTexture
正面减反射膜(ARcoating;
表面发射极掺杂层—高或低的磷浓度(Emitter-highorlow
surfacephosphorusconcentration
减少遮光损失(Reduceshadinglo$;
串连电阻Rs(Seriesresistanc)e;
背面反射(Backsurfacereflectanc);e
钝化技术—电池材料的表面和内部的钝化(Passivation-surface
andinner)。
4.有那些参数影响填充因子FF的呢?
(WhatparametersaffecttheFF)
表面发射极掺杂层—高或低的磷浓度(Emitter-highorlow
surfacephosphorusconcentrati)o;n
去除周边pn结禾口去磷硅玻璃(Removeedgejunctionandphosphorussilicongla)s;s
串连电阻艮(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小)(Series
resistance(contact,fingeret)c;)
正面减反射膜(ARcoating);金属电极接触的烧结(Firing);并联电阻Rsh(Shuntresistanc)e。
5.有那些参数影响填充因子FF的呢?
(WhatparametersaffecttheFF)
等效电路(EquivalentCircuit)
(在光照下的太阳电池)(IlluminatedSolarCell)
电池结构(损失的成分)CellStructure(LossComponents)
6.为了提高丝网印刷(SP)填充因子FF,必须解决下列问题:
(ToimproveSPfillfactors,thefollowingmustbedetermined):
(1)金属电极接触的烧结对总串连电阻艮(特别是对見)的影响;
(effectofcontactfiringontheoverallRseries(especiallyonr))
(2)金属电极接触的烧结对pn结质量(并联电阻Rsh和J)2)的影
响;
(impactofcontactfiringonjunctionquality(Rshuntand42))
*减少遮光损失,提升了短路电流4c,从而提高了能量转换效率n
*Reduceshadingloss,improvecJndincreasen
Finalfingerwidth最后的金属指条宽度
(卩m)
Shading遮光所占的面积
(%)
4c
短路电流4c
(mA/cm2)
Efficiency能量转换效率
n
(%)
Efficiency
SolarfunStd能量转换效率n
(林洋的标准)
(%)
150
6.3
34.4
16.7
17.3
120
5.0
34.8
16.9
17.5
100
4.2
35.3
17.2
17.8
附录1:
太阳能电池能量转换效率n
太阳能电池能量转换效率n,是最大输出电功率与相应的输入光功率之比,公式表示为:
口_PmaxImpVmp1scVocFF
PinPinPin
式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率.对于陆地上的应用,标准测试条件是:
一个太阳,AM1.5G,1000W/m2(或100mW/cm2),25°C.
因此,太阳电池的三个参数Voc,Isc和FF就能确定太阳电池的效率.为了获得高的效率,这三个参数应该尽可能高.
(a)为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的正向暗电流I。
,高的并联
电阻Rsh.
(b)为了获得高的光电流(短路电流Isc),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于
1.
(c)为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的正向暗电流I。
,理想因子””接近于1,串联电阻必须低(<1⑴,并联电阻Rsh必须大(>102门cm2).
附录2:
太阳能电池的能量转换效率与有源材料的带隙宽度Eg和反向饱和电
流I。
的直接关系
有电流I通过外电路负载并跨过负载的电压为V时,光电流Il和Isc=Il,
那么,
qVqV
I 这时,电池的功率输出P为: P"V"Isc—lo(enkT-1)]V 式中,Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子. dP 令dv=o,即太阳电池最大的功率输出Pmax为: 式中,Vmp是相应于最大功率输出点的电压.由这个方程可以得到Isc,并代 入前面一式,相应于最大功率输出点的电流Imp可得到为: qVmp 式中,e研可以从前面一式得到,代入再上一式,再从上面的效率公式, 而Io与材料带隙Eg相关,由经验公式给出 Io=CenkT 式中,Cis是个常数.把它代入上面公式,可以看出效率,直接与反向饱和电流Io相关,也就是直接与材料带隙Eg相关.我们可以得出下面几点结论: (i)材料带隙Eg越宽,吸收的光子数越少,导致电池的光电流Il越低,短路电流Isc越 低,则效率越低;但是,带隙Eg越宽,导致电池的反向饱和电流Io越小,因而开路电压Voc越大,则效率越高; (ii)材料带隙Eg越窄,电池的反向饱和电流Io越大,因而开路电压Voc越小,则效率越低;吸收了高能光子激发电子-空穴对后,能量的一部份转化为晶格振动的热能,浪费了光的能量;但是,材料带隙Eg越窄,可被吸收的光子数越多,因而光电流Il越大,短路电流Isc越大,则效率越高; (iii)最高的效率是处在材料带隙Eg: 、1.4eV.能量转换效率与材料带隙Eg的关 系已经有图像曲线表证. 附录3: 太阳能电池的反向饱和电流Io可表示为: 2 F.qDhni PLhND 式中,A为太阳能电池的横断面积;在括号内,第一项是对p形材料的,第二项是对n形材料的;q是电子电荷量,ni是本征浓度,在任何确定的半导体材料,平衡态下nf=np,n是负电荷载流子浓度,p是正电荷载 流子浓度;在p形材料中,p”Na和n: 、n2Nx? p,式中Nk是受主杂质 浓度;而在n形材料中,n: -Nd和p、n2ND? n,式中ND是施主杂质浓度;离化了的受主NA带有净负电荷,NA: 、M,和离化了的施主Nd带有净正电荷,Nd: 、Nd.Fp是p形材料一边的背面复合因子和Fn是n形材料一边的正面复合因子。 从这个公式可知,要降低太阳能电池的饱和电流Io(也就是提高开路电压乂)就需要提高掺杂的杂质浓度Nk和ND。 但这样做也有反作用,杂质浓度不能太高。 当掺杂的杂质浓度NA和Nb增加时,少数载流子寿命t,少数载流子扩散长度L和载流子迁移率卩都会减少。 高掺杂的杂质浓度NA和ND趋于降低饱和电流I。 而提高开路电压V^c。 硅片越薄,越会降低体内复合,降低饱和电流Io提高Mc。 但是光吸收减少了,导致短路电流下降了,这就需要引进光陷技术来补偿。 附录4: 影响电池性能Voc,Isc,FF的因素: V>c: 硅(Si)基片性质(晶向,p型/n型,电阻率,少子寿命等),p/n结掺杂浓度,电池结构形式,并联电阻等; Isc: 硅基片性质(少子寿命等),表面反射,光陷作用,硅片对光不全吸收,p/n结对载流子不全收集和收集面积等; FF: 硅(Si)基片性质(电阻率,少子寿命等),电池结构,电极接触,串联电阻,并联电阻等. 目的: 提高Voc,Isc,和FF,要有高效率,同时也要降低成本(米用便宜的材 料与工艺方法). 措施: 衬底材料质量,绒面,前场,浅结,细密栅和高纵横比,减反射膜, 前面钝化,背场,背面钝化,体内吸杂,丝网印刷电极•(n型硅Si衬底片)等制作高效廉价的太阳能电池•(较高熔点的银浆可得较高的纵横比)。 丝网印刷电极太阳能电池与实验室高效率太阳能电池相比,高效电池 有高的纵横尺寸比(电极的高/宽),细的电极线宽,高电导率,与底下Si的接触电阻小.通常印刷20」m高,烧结后只有10」m高,对于150」m条宽,电极条的高/宽比只有0.06,很低,很差;(p54我可以做到95/20」m=0.45,是0.06的7.5倍).电极条宽1505间距3mn遮光10—12%,而高效电池只有遮光3%. 附录5: 太阳能电池的理想因子n: 实际状态下的太阳能电池(二极管)理想因子n: 二极管理想因子n是一个处于1至2之间的数值。 n是衡量pn结好坏的最重要标志,它由半导体材料和制造技术决定。 (1)理想情况下,如果p区和n区的扩散电流起支配作用,那么,理想因 子n=1; (2)非理想情况下,pn结空间电荷耗尽区的复合电流起支配作用,那么, 因子n=2。 对于太阳能电池, (i)辐射复合限制条件下,理想因子n三1,与电流的低注入或高注入无关; (ii)俄歇复合限制条件下,低电流注入时理想因子n=1;高电流注入时n 由小于1(<1)减少至2/3; (iii)材料内部缺陷复合限制条件下,低电流注入时理想因子n=1;高电流 注入时n由大于1(>1)增加至2;总之,理想因子n随着电流的减少而增加。 第十一节进一步提高效率的思路 在光伏企业中,流传着这样一种说法: 硅晶片太阳能电池的制造每提高一个 百分点(1%的效率,就等于节省了10%勺成本。 虽然数据未必很准确,但宏观原理是毫无疑问的。 8.11.1进一步提高效率的要点 企业要想进一步提高太阳能电池的能量转换效率,必须考虑: 1•理论上的可能性 光伏有源材料的选取,电池结构的设计,工艺路线的现实性等等。 2•可得到的光伏有源材料的质量 例如: 目前由于硅(Si)片材料的紧缺,质量不合格的硅(Si)片也充当好硅(Si)片,造成技术上很大的混乱,电池性能不好找不出正确的原因。 3•技术管理层和技术人员及技术工人的水平 4•加工设备、加工环境、管理水平等等。 8.11.2进一步提高效率的措施 1.Si晶片太阳能电池,要提高效率nT,同时减少每瓦产电的晶片重量的消耗Wg/Wp增大每片的产能S/片T。 2006年 2007年 WgJ/Wp 10g/Wp 7g/Wp WpT/片 >3.5W/片,多晶 >4.0W/片,多晶 国际产能 2.5GW 13GW 国内产能 0.45GW 4.6GW 2.Si晶片太阳能电池绒面 棱型金字塔应该小而均匀,大小一致。 大小约1至2^0 3.PECVD平板式好或是管式好? SiNx减反射膜PECVD装置: 多晶硅片太阳能电池用管式PECVD更好一些,因为PECVD管式更有力地把氢(H)原子打进体内和晶内,使H原子不容易挥发出去,起更好的钝化作用。 4.Si单晶片太阳能电池在线(In-line)或后测试分析 PVGS可做出18%±3%的高效率单晶Si片太阳能电池。 成品率97%。 每天投产4万片156X156mm。 栅线(finger)丝网印刷条宽90卩m25—30卩m高。 18%高效率的电池是用平板式PECVD制减反射薄膜的。 (1)如何确定理想情况下的FF。 : Rs=0,Rsh=x,算出Voc (2)LBIC激光诱导电流(短波用激光波长633nm);(长波用激光波长972nm); 原材料片拉单晶时存在技术问题,材料质量有问题,这种测试后出 现各种颜色圆圈;边缘也因电池加工过程不好而出现不正常斑点。 (3)量子效率(内量子效率IQE)、外量子效率EQE光反射率测定 (4)光谱响应测定 (5)电极与Si片接触电阻分布的均匀性测定 电极AspectRatio(纵横比);Texture高低差。 (6)铝背场 Si片留下180卩m背面铝膜厚37卩 Si片减薄: (a)不能减得太薄,减薄了效率降低; (b)减薄后容易损伤、碎片、裂片。 200卩m的片子约减薄10卩m最合适。 (7)绒面 改善后的绒面棱型金字塔小而均匀。 (8)扩散 扩散炉口、中间、炉尾的分布;每个片子各个位置的分布。 (9)反射率比较的研究 (10)光谱响应及量子效率测量研究 不但要考虑能量转换效率,特别强调要有公司本身的特色。 在薄膜技术中,化合物薄膜技术将来会占有更多的市场份额。 8.11.3进一步提高丝网印刷太阳电池效率的路径 从1970年代至2003年左右,规模化生产太阳能电池的效率最高14% 低成本、咼效率,相互联系,咼效率是关键,现在生产18%。 光一电能量转换效率n为: 二Pmax_ImPVmP二]scVocFF -Pn「Pn「Pin △V/ I,V 在太阳能电池I-V特性曲线上作出Rs和Rsh(△V/△I=Rs,△I=Rsh)的图示。 作出最大功率点Pm及表示FF的方框图,写出用表示FF和Pm的公式。 2与能量转换效率n相关的参数: (1)开路电压V)c (2)短路电流密度Jsc 短路电流Isc: 理想状态下,应等于光生电流IL,艮卩Isc=IL (3) 填充因子FF IscVocFF Pin 实际上是在有光照的I—V曲线内最大矩形面积的测量。 i-=Pmax=ImPVmP PinPin 2.有那些参数影响开路电压Voc的呢? 材料-光伏有源材料: 电阻率p,少子寿命t,其它杂质等。 表面发射极掺杂层;背面电场(BSF; 漏电流一反向饱和电流I0; 理想因子n; 并联电阻Rsh; 钝化技术一电池材料的表面和内部的钝化。 3.有那些参数影响短路电流Isc的呢? 绒面结构 正面减反射膜; 表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度; 减少遮光损失;串连电阻R;背面反射; 钝化技术一电池材料的表面和内部的钝化。 4.有那些参数影响填充因子FF的呢? 表面发射极掺杂层-高或低的磷浓度;去除周边pn结和去磷硅玻璃;串连电阻R(电极接触、金属指条宽度和纵横比大小);正面减反射膜;金属电极接触的烘烤、烧结;并联电阻Rsh。 5.有那些参数影响填充因子FF的呢? 等效电路(在光照下的太阳电池) 电池结构(损失的成分) Busbar n [expqg: JV]_J°2[exp J=Ji-J01ex n1kT丿 +1(V+JR) : In2kT丿」Rsh 6•为了提高丝网印刷(SP)填充因子FF,必须解决下列问题: (1)金属电极接触的烧结对总串连电阻R(特别是对rc)的影响; (2)金属电极接触的烧结对pn结质量(并联电阻Rsh和J°2)的影响; 减少遮光损失,提升了短路电流Jsc,从而提高了能量转换效率n 最后的金属指条宽度 (卩m) 遮光所占的面积 (%) 短路电流Jsc 2 (mA/cm) 能量转换效率 n (%) 能量转换效率n(林洋的标准) (%) 150 6.3 34.4 16.7 17.3 120 5.0 34.8 16.9 17.5 100 4.2 35.3 17.2 17.8 附录1: 太阳能电池能量转换效率n 太阳能电池能量转换效率n,是最大输出电功率与相应的输入光功率之比,公式表示为: PmaxImpVmpIscVocFF 二Pin=Pin二Pin 式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率.对于陆地上的应用,标准测试条件是: 一个太阳,AM1.5G,1000W/m2(或100mW/cm2),25°C. 因此,太阳电池的三个参数Voc,Isc和FF就能确定太阳电池的效率.为了获得高的效率,这三个参数应该尽可能高. (a)为了获得高的开路电压Voc,电池必须有低的正向暗电流I。 ,高的并联 电阻Rsh. (b)为了获得高的光电流(短路电流Isc),电池材料和结构应该在紫光,可见光和近红外光谱范围有高的,宽的和平坦的光谱响应,内量子效率接近于1. (c)为了获得高的填充因子FF,电池必须有低的正向暗电流I。 ,理想因子””接近于1,串联电阻必须低(<1⑴,并联电阻Rsh必须大(>102门cm2). 附录2: 太阳能电池的能量转换效率与有源材料的带隙宽度Eg和反向饱和电 流I。 的直接关系 有电流I通过外电路负载并跨过负载的电压为V时,光电流Il和Isc=Il, 那么, qVqV I 这时,电池的功率输出P为: P=IV=[lsc—lo(enkT-1)]V 式中,Io是无光照时电池的反向饱和电流;q是电子电荷;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;n是二极管理想因子. dP 令dv=o,即太阳电池最大的功率输出Pmax为: 式中,Vmp是相应于最大功率输出点的电压.由这个方程可以得到Isc,并代 入前面一式,相应于最大功率输出点的电流Imp可得到为: qVmp 式中,e研可以从前面一式得到,代入再上一式,再从上面的效率公式, 而Io与材料带隙Eg相关,由经验公式给出 Io=CenkT 式中,Cis是个常数.把它代入上面公式,可以看出效率,直接与反向饱和电 流Io相关,也就是直接与材料带隙Eg相关.我们可以得出下面几点结论: (i)材料带隙Eg越宽,吸收的光子数越少,导致电池的光电流Il越低,短路电流 Isc越低,则效率越低;但是,带隙Eg越宽,导致电池的反向饱和电流Io越小,因而开路电压Voc越大,则效率越高; (ii)材料带隙Eg越窄,电池的反向饱和电流Io越大,因而开路电压Voc越小,则效率越低;吸收了高能光子激发电子-空穴对后,能量的一部份转化为晶格振动的热能,浪费了光的能量;但是,材料带隙Eg越窄,可被吸收的光子数越多,因而光电流Il越大,短路电流Isc越大,贝燉率越高; (iii)最高的效率是处在材料带隙Eg: 、1.4eV.能量转换效率与材料带隙Eg的 关系已经有图像曲线表证. 附录3: 太阳能电池的反向饱和电流Io可表示为: 2 F.qDhni PLhND 式中,A为太阳能电池的横断面积;在括号内,第一项是对p形材料的,第二项是对n形材料的;q是电子电荷量,ni是本征浓度,在任何确定的半导体材料,平衡态下nf=np,n是负电荷载流子浓度,p是正电荷载 流子浓度;在p形材料中,p”Na和n: 、n2Nx? p,式中Nk是受主杂质 浓度;而在n形材料中,n: -Nd和p、n2ND? n,式中ND是施主杂质浓度;离化了的受主
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