高效单晶硅太阳电池的结构分析与设计

J.WuhanUniv.(Nat.Sci.Ed.)Vol.51No.S2　Dec.2005,072～074

文章编号:167128836(2005)S220072203

高效单晶硅太阳电池的结构分析与设计

杜樊立,付秋明,陈炳若󰂍

(武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉430072)

　　摘　要:完成了对目前光电转换效率最高的商品单晶硅太阳电池的结构分析,并结合其结构特点得到了影响转换效率的关键因素.完成了全背电极太阳电池的版图设计,采用高少子寿命硅材料,进行了多项工艺实验,发现绒面制作前的硅片表面预处理条件对短路电流值有重要影响,预处理时间的不同造成短路电流值有显著差别.

关　键　词:高效单晶硅太阳电池;转换效率;全背电极中图分类号:TN364　　　文献标识码:A

论分析的基础上,完成了全背电极高效单晶硅电池

引　言0　

　　能源是一个国家经济和社会发展的基础.目前广泛使用的石油、天然气、煤炭等化石能源面临着严峻的挑战.今年2月我国通过了《中华人民共和国可再生能源法》,从立法角度推进可再生能源的开发和利用,这是解决我国能源与环境、实现可持续发展的重要战略决策.

在小水电、太阳能、风能、潮汐、地热、生物质能等可再生能源中,不论从资源的数量、分布的普遍性,还是从清洁性、技术的可靠成熟性来说,太阳能都具有更大的优越性,光伏发电已成为可再生能源利用的首要方式,而晶硅太阳电池一直占据着光伏市场的最大份额.与其它的可再生能源一样,目前要使之从补充能源过渡到替代能源,太阳电池光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本,围绕着降低生产成本的目标,低效廉价的太阳电池和高效单晶硅太阳电池所取得的效果是相同的.因此,提高太阳能电池的转换效率,一直是科学研究的的热门课题.近年来高效单晶硅太阳能电池已获得巨大成就,美国、德国、日本,特别是美国,商品高效电池的转换效率已超过20%,已见报道的转换效率高达24.7%[1].

针对高效单晶硅太阳能电池的研究,本文对转换效率超过20%高效单晶硅太阳电池的横向及纵向结构进行了分析;在对提高太阳电池效率进行理

的版图及相关的工艺条件设计,并对关键工艺进行了对比实验,得到较好的结果.

理论分析1　

两类因素影响太阳电池效率:①光学损失.包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失,其中反射和阴影损失是可以通过技术措施减小的,而长波非吸收损失与半导体性质有关;②电学损失.它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻和金属2半导体接触电阻损失.相对而言,欧姆损失在技术上比较容易降低,其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳电池的开路电压,而提高电池效率的关键之一就是提高开路电压Voc.

光生载流子的复合主要是高浓度扩散层在前表面引入了大量的复合中心,而太阳能光谱分布的峰值在550nm左右,光生载流子集中在表面附近[2];此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度Sb对太阳电池特性的影响也很明显,而从商业太阳电池来看,为了降低太阳电池的成本和提高效率,现在生产厂家也在不断地减小硅片的厚度,以降低原材料的价格.因此必须有减少前、背两个表面的光生载流子复合的结构和措施.

　　收稿日期:2005209210　　　󰂍通讯联系人　E2mail:brchen@whu.edu.cn

基金项目:武汉珈伟科技有限公司横向课题资助项目

作者简介:杜樊立(19822),男,硕士生,现从事光电器件研究.　E2mail:roger.super@163.com

第S2期杜樊立等:高效单晶硅太阳电池的结构分析与设计

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高效单晶硅太阳电池的分析2　

2.1　性能指标

图1为美国SunPowerA2300高效单晶硅太阳电池的平面图,其大小为125mm×125mm,标准测试条件下开路电压为0.670V,短路电流为5.9A,商品电池的转换效率为21.5%.相对于传统太阳电池,A2300每平方英寸能多提供50%的能量.

图2　铜缀饰法显示的电池背面的显微图片2.4　纵向结构为加大陷光效果,A2300太阳电池正表面采用金字塔绒面结构,在接近正入射时其反射损失可达到10%以下,而且绒面光电池的p2n结面积比光面大的多,可以提高短路电流[5].电池的正表面设计有多层抗反膜,以增大不同方向入射光的收集效率.正表面高浓度杂质扩散形成的漂移电场有助于提高太阳电池电池的开路电压.

3　实验与结果

本文所研制的高效晶硅太阳电池指标为:开路电压Voc≥650mv;短路电流Jsc≥37mA/cm2;填充因子≥75%;转换效率η≥18%.

图1　SunPowerA2300的平面图

2.2　平面结构

A2300结构独特,用来收集和传导电流的金属

接触电极全在电池背面,不会遮挡受光面.用化学方法去除样片背面的金属层和SiO2层,使用铜缀饰法,如图2可以清晰的显示,P型扩散区也作在电池背面,P区与N区交替出现;引线孔是间断排列的、

直径为100μm的圆形;A2300太阳电池的金属电极采用叉指型结构,XPS谱表明电极材料为Cu、Sn、W等.P区和P区电极宽度均为1.6mm,N区和N

因此,选用少子寿命为1ms的衬底材料,电阻

率为2Ω/cm,大小为20mm×20mm的N型硅片.电池采用全背电极结构形式,PN结仍在电池背面,该设计给PN结制作提供了较宽的工艺容差,大大减小了太阳电池的表面复合[6].

掩膜版设计包括了P扩散掩膜版、N扩散掩膜版、引线孔掩膜版和电极栅线掩膜版.增加N扩散是为了得到一个背面的漂移电场,减小太阳电池的背面复合,进一步提高太阳电池的短路电流和开路电压.引线孔掩膜版版图如图3所示,其尺寸应在考虑良好欧姆接触的基础上尽量减小接触面积,因此P区引线孔设计为两排宽度均是0.3mm的条状结构,两个条状结构间隔是0.3mm,N区引线孔宽度是0.2mm.

根据衬底材料电阻率设计了工艺条件,并完成电池制作的前面全部工艺.P扩散和N扩散的关键是要仔细保护少子寿命.少子寿命高,效率就相对高;少子寿命低,效率相对就要低,因此在工艺中要加强用N2和H2混合气体退火,使高寿命硅材料的少子寿命得到保护.

先用20%的NaOH溶液在85℃的水浴条件下

区电极宽度均为0.4mm.2.3　衬底材料

与通常硅太阳电池采用P型衬底材料不同,热探针测试表明A2300使用了N型硅材料,其少子寿命高达1ms,少子扩散系数为10cm2/s[3].在理论

上可计算出少子扩散长度约为1000μm,衬底材料厚度为270±40μm.虽然金属电极完全制作在电池背面,背电极仍能够顺利的收集到光生载流子[4].所以A2300独特的结构是以特殊材料制成的.

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武汉大学学报(理学版)第51卷

预处理5min,再用2%的NaOH和异丙醇混合溶液在相同的水浴条件下处理30min完成了绒面制作,其结构如图4所示.

与普通材料相比,开路电压Voc提高了25%左右,但短路电流提高并不显著.实验还表明绒面制作前的硅片表面预处理条件对短路电流值有重要影响,将硅片置于温度为85℃的20%的NaOH溶液中预处理,处理时间的不同造成短路电流值有显著差别.

结　论4　

实验表明,通过使用全背电极结构和绒面结构能有效的增加太阳电池的受光面积和产生更多的光生载流子,从而提高太阳电池的性能.

参考文献:

图3　引线孔版图

[1]　赵玉文,李仲明,莫春东,等.高效单晶硅太阳电池的研

制[J].太阳能学报,1996,17(2):1232126.

[2]　刘恩科,朱秉升.半导体物理学[M].北京;国防工业

出版社,1999.

[3]　沃尔夫HF.硅半导体工艺数据手册[M].北京:国防

工业出版社,1975.

[4]　CudzinovicMJ.ProcessSimplificationstothePega2

susSolarCell[M].NewYork:IEEEPress,2002.

[5]　McIntoshRK,ShawCN,CotterEJ.LightTrap2

pinginSunpower’sA2300SolarCells[R].New

SouthWales:UniversityofNSW,CentreforPhotovol2taicEngineering,2004.

[6]　GuoJiun2hua,CotterEJ.Laser2GroovedBackside

ContactSolarCellWith6802mVOpen2CircuitVoltage[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2004,54(12):218622192.

图4　绒面结构

　　测试结果表明:在相同的扩散条件下,有无绒面

结构,短路电流Jsc至少相差30%;采用高寿命材料

StructureAnalysisandDesignofHighEfficiencySiliconSolarCells

DUFan2li,FUQiu2ming,CHENBing2ruo

(SchoolofPhysicsandTechnology,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China)

　　Abstract:Thestructureofthecommercialsiliconsolarcellswhichhavethehighestefficiencyatpres2entisanalyzedandthekeyfactorwhichaffectstheefficiencywiththetypicalstructureofthecellsisfound.Thelayoutsoftheallback2contactsolarcellsaredesigned,withthat,conductingseveraltechnicalexperimentsusingthesiliconmaterialwhichhaslongminoritycarrierlifetime.Itshowsthatpretreatmentconditionofthepreparationoftexturedsingle2crystalsiliconisveryimportantfortheshortcircuitcurrent,andthedifferentpretreatmenttimeleadtodifferentshortcircuitcurrent.

Keywords:highefficiencysiliconsolarcells;efficiency;allback2contactelectrodes