太阳能电池参数学习.ppt

太阳能电池简介 太阳能电池基本原理 太阳能电池示意图 左图示意地画出了硅pn结太阳能电池的结构 其包含上部电极 n型半导体 p型半导体以及下部电极和背电场 太阳能电池就是一个pn结 由于pn结势垒区内存在较强的内建电场 结两边的光生少数载流子受该场的作用 定向移动产生正向电流 我们通过对成品电池片模拟太阳光的光照 测试相关性能 测试界面简介 太阳能电池的各表征参数 测试分选处主要表征以下太阳能电池性能数据 Temperature 测试温度E 测试光强Pmpp 最佳工作点处工作功率Umpp 最佳工作点处工作电压Impp 最佳工作点处工作电流Uoc 开路电压 Isc 短路电流Rs 串联电阻Rsh 并联电阻FF 填充因子Ncell 转化效率Iap 操作点的电流Irev1 反向电压为6伏时的反向电流Irev2 反向电压为12伏时的反向电流 Pmpp 2 光强为500时最佳工作点的功率Uoc 2 光强为500时最佳工作点的电压Isc 2 光强为500时最佳工作点的电流FF 2 光强为500时的填充因子NCell 2 光强为500时的转化效率我们主要关注开路电压 短路电流 串联电阻 并联电阻 填充因子 转化效率及暗电流 什么是填充因子 测试量的相关关系 填充因子即太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比 用FF表示 FF Pm IscVoc ImVm IscVoc 转化效率Eff Pm MS Pm FFIscVoc 对于标准状况下 M 1000W m2 100mW cm2 高的短路电流 开路电压 填充因子能有效的提高电池片转化效率 我们可以通过工艺调试进行相关工艺优化 以提高电池的转化效率 电性能直接相关 12 开路电压 短路电流 填充因子 13 开路电压 短路电流 填充因子 开路电压的影响因素 开压影响 测试温度 开路电压受测试机温度影响 受测试机温度影响 随着温度的升高 开路电压会下降 为了保证测试数据的稳定性及可比性 我们的测试温度有一定要求 我们控制在20度到26度 开压影响 原材料 开压影响 原材料 硅片厚度 开路电压受硅片厚度的影响 当硅片厚度在200um以上时 开路电压和硅片厚度是独立关系 当硅片厚度小于200um时 随着硅片厚度的降低 开路电压随之减少 开压影响 原材料 禁带宽度 理论上最大的开路电压是由PN结的内建势垒电压所决定 内建势垒电压与半导体的禁带宽度Eg 导带能级Eo 价带能级Ev及费米能级Ef之间的关系为 开压影响 原材料 禁带宽度 从上式可以看出如果费米能级越接近导带底和满带顶 则内建电压越高 但实际上开压VOC有一个峰值 当顶区浓度过高时 会引起重掺杂效应 重掺杂效应的结果 会导致开路电压的降低 这是由于重掺杂引起禁带宽度收缩 影响本征载流子浓度 影响有效参杂浓度和降低少子寿命 开压影响 原材料 禁带宽度 禁带宽度是材料的固有属性 对于硅 禁带宽度为1 1ev 理论上所得到的最大开压为700mv 相应的最高FF为84 开压影响 电流电压特性 根据p n结整流方程 在正向偏压下 通过结的正向电流为 IF Is exp qV kT 1 其中 V是光生电压 Is是反向饱和电流 什么是电流电压特性 开压影响 电流电压特性 Io为反向饱和电流 n 掺杂浓度 Il 短路电流 影响Voc的因素为短路电流 反向饱和电流和温度 掺杂浓度是由扩散工序决定 开压影响 电流电压特性 开压影响 电流电压特性 掺杂浓度 适当的提高掺杂浓度能很好的提高开路电压 当浓度过大 引起重掺杂时 会使禁带宽度收缩 开路电压反而减小 重掺杂还会影响有效载流子浓度 减少少子寿命 开压影响 电流电压特性 掺杂浓度 因此 为了获得较好的电性能参数 必须选择合适的顶区掺杂浓度 使这一浓度能有较好的开路电压 同时又不致引起电场衰退 这个掺杂浓度由于受禁带宽度 基体材料特性的影响 一般通过实验确定 选择最佳的掺杂浓度 开压影响 电流电压特性 电流 电流影响分为短路电流及暗电流的影响 暗电流会降低开路电压 同时还会降低短路电流 暗电流的相关影响会详细介绍 28 开路电压 短路电流 填充因子 短路电流的影响因素 短路电流影响 提高吸光 短路电流影响 提高吸光 增大光强 增大光强直接增大了注入的太阳光光子流的数量 直接的提高了可激发电子空穴对数目 很好的提高了短路电流 短路电流影响 提高吸光 增大吸光 增大吸光能提高太阳光的吸收 前清洗的绒面做到了光的二次吸收 一定程度上增大了太阳光的吸收 进行绒面改善能提高电池的转化效率 后清洗减少刻边宽度 增大电池表面的可利用面积 提高了电池短路电流 进而改善了转化效率 PECVD的减反射膜 增大了表面光的二次吸收 提高的太阳光的二次利用 增大了短路电流 丝网端的正面电极也遮住了一定的光的吸收 正面电极一般遮住了约10 的太阳光 增大栅线的高宽比 选择合适的栅线数目能从一定程度上提高太阳能电池的转化效率 电池片过薄 会有一部分光透过电池片 造成光的损失 现采用全背面印刷铝浆对这部分损失有很大削弱 由于背面的漂移场的存在 使一部分原本透过电池片的光子再次回到硅片机体内 增大了光子的再次吸收 短路电流影响 多激发电子空穴对 多激发电子空穴对 禁带宽度 太阳电池的特性极大的受到顶区和基区性能的影响 硅是一种非竖直跃迁的材料 他的吸收系数随着波长的变化较为缓慢 在光子能量达到硅的禁带宽度时 吸收系数在100每平方厘米之内 因此光谱中有很大一部分的光子将透过PN结 在基区内被吸收 由此可见 硅太阳电池的性能一定程度上取决于基区情况 多激发电子空穴对 禁带宽度 材料的禁带宽度越大 电池的开路电压越高 但由于能量小于禁带宽度的光子不能激发电子空穴对 因此随着材料的禁带宽度的增大 太阳光中产生光电流的光子比例也相应得降低 从而减弱光电流 多激发电子空穴对 禁带宽度 材料的禁带宽度与所获得的最大电流的关系 多激发电子空穴对 死层 什么是死层 在扩散区中 由于不活泼磷原子处于晶格间隙位置 会引起晶格缺陷 而且 由于磷和硅的原子半径不匹配 高浓度的磷会造成晶格缺陷 因此 在硅电池表层中 少数载流子的寿命极低 表层吸收短波光子所产生的光生载流子对电池的光电流输出贡献甚微 此表层称为 死层 多激发电子空穴对 死层 死层 的存在是不可避免的 但是可以利用一些方法来减少 死层 的影响 为了改善电池的短波光谱响应 可以将发射结结深做的很浅 以减少 死层 的影响 消除死层 提高了短波光谱在顶区的光电效应 多激发电子空穴对 浅结工艺 制备浅结的器件能够相当可观的提高光电流 附加漂移场又能进一步增大光电流 多激发电子空穴对 浅结工艺 计算出短路电流与结深的关系 多激发电子空穴对 浅结工艺 当结深减少时 由于降低了复合损失 此外基区提供的光电流比顶区提供的大 因此顶区中高的表面复合速度和低的少子寿命对光电流的影响显得没那么重要了 增加基区的电阻率 减少电离杂质的散射 有利于增大扩散长度和少子寿命 从而改善了光电流 短路电流影响 降低暗电流 降低暗电流 通过前面讨论知道降低暗电流可以有效的提高开路电压和短路电流 暗电流分为注入电流 隧道电流和复合电流三种 电池片的暗电流密度是注入电流密度 隧道电流密度和复合电流密度三者之和 一般通过减少复合电流的方法来减少暗电流 降低暗电流 什么是注入电流 在非平衡PN结中 有载流子越过势垒高度从N区注入P区或从P区注入N区而形成的电流 称为注入电流 降低暗电流 什么是隧道电流 他相当于载流子不必越过势垒高度 可以直接穿过禁带进入另一区域形成的电流 这种电流称为隧道电流 降低暗电流 复合电流 实际上在势垒中 存在着电子和空穴的复合 产生复合电流 降低暗电流 复合电流 工艺端能通过适当工艺手法减少复合电流的大小 前清洗通过去除机械损伤层 减少硅片的表面态 能适当的减少表面复合 切片油污 金属离子等是较强的复合中心 去除油污 金属离子等能适当的改善复合电流 表面的洁净度对扩散有很大的帮助 降低暗电流 复合电流 PECVD的钝化能很好的减少硅片的表面态 减少硅片的晶格缺陷等 它的表面钝化及体钝化大大减少了复合中心 很好的减少了暗电流 提升了开路电压及短路电流 降低暗电流 复合电流 丝网端的背场 利用杂质在金属中的溶解度大于在硅中的溶解度 背场有很好的吸杂作用 进一步减少了复合中心的存在 同时 背场的存在能很好的进行再次钝化 很好的去除悬挂键 减少了复合电流 所以 铝背场对电池的暗电流有很大影响 同时影响了开路电压及短路电流 降低暗电流 复合电流 少子寿命 较长的少子寿命和扩散长度能提高电子空穴对的分离时间 能减少电子空穴对的复合 降低暗电流 复合电流 少子寿命 很薄的扩散层通常用扩散法制备 其少子寿命和扩散长度依赖于参杂剂的类型 表面浓度以及扩散之前的表面处理情况 降低暗电流 复合电流 少子寿命 少子寿命和扩散长度与晶体生长方法 基区制备工艺 基区电阻率 复合中心杂质 如氧 铜等 的含量 退火温度和退火时间等有着密切联系 杂质能级和杂质浓度的影响 1 存在着大量的 有害 杂质 深陷阱能级杂质 如铜 铁和金等2 存在着浓度高的浅杂质能级的杂质 虽然他们的俘获截面小 但浓度高 因此俘获也显著 3 通过能带间的俄歇复合作用 使少子寿命按掺杂浓度的平方成反比的衰减 4 重掺杂引起晶格畸变 能带收缩 增大复合 热处理的影响 在450度左右退火 能使硅材料少子寿命增长很多 热处理的影响 在太阳能电池的制备过程中 须经相当的高温退火的高温处理 所以可以预计成品器件的少子寿命低于材料的寿命 寿命随着退火温度 冷却速度 表面处理和晶体生长方法而异 与硅中粗存在的氧的状态也有密切关系 表面复合及晶粒间界的影响 半导体表面由于存在着各种表面状态 所以会造成光生载流子的复合损失 这些表面态可能是由 悬挂键 化学残留物 金属沉积和自然氧引起的 表面复合及晶粒界间的影响 由于光照表面的复合速度大 因此顶区少子寿命短 为了减少载流子的复合 一般采用浅结工艺 可以通过对硅晶体的腐蚀 降低表面复合速度 PECVD的钝化等都能有效的降低表面态 由于硅材料的电子激发多在基区内 因此 对于硅材料背面复合十分重要 所以 背场的吸杂等背场处理对电池性能影响较大 表面复合及晶粒界间的影响 对于多晶器件来说 晶粒界间的复合速度十分重要 若晶粒大小比掺杂浓度相同的单晶的扩散长度小的多 那么多晶电池的有效寿命和扩散长度将大大的低于单晶中的值 63 开路电压 短路电流 填充因子 填充因数的影响 填充因数 影响FF的因素 影响FF的主要因素是Rs和Rsh Rs越小FF越大 Rsh越大 FF越大 串联电阻对FF的影响 并联电阻对FF的影响 串联电阻影响因素 串联电阻是指材料的体电阻 薄层电阻 电极接触电阻以及电极本身传导电流所构成的总串联电阻 串联电阻的影响 Rs主要有以下几个组成部分 P型基体电阻 主要与基体的掺杂浓度和基体厚度有关 N型重掺层电阻 主要与扩散浓度有关 在太阳电池掺杂浓度范围内 扩散浓度越大 n型层电阻越小 电极的金属电阻 这与Ag浆 Al浆和AgAl浆的本来特性 以及烧结的质量有关 串联电阻的影响 电极和硅片的接触电阻 接触电阻受n型层和p型层掺杂浓度影响较大 掺杂浓度越高 接触电阻越小 N型层的掺杂浓度受扩散影响 p型层的掺杂浓度除与基体掺杂浓度有关外 还与银铝浆的特性有关 另外 接触电阻受烧结的影响较大 烧结不好 前电极没能烧穿SiNx层 或者Ag Si合金形成的不好都会影响接触电阻的大小 并联电阻的影响因素 并联电阻的影响 影响Rsh的因素主要有 电池边缘漏电 这主要是刻蚀不够 或者是过刻导