太阳能电池栅线电极的优化设计

1、| 维普资讯 h ttp:/新能竦.jg抬,20(5.913严3太阳能电池栅线电极也优化设计刘翔喘庭金I云南师范大学丈阳能硏览所.昆明65QO92)M 鼻庄半导律太帕能电池的研创过程申当其各区(抻别是M凰扩扳区)的半爭休餐断和 儿何轉构赛微端龙后收集尢电汛的畅蹴电趙存应一个忧化葩卄冋耐.为了使柵觐引握的各頂杠 时趟车刪范就小.it计中把和时卸丰捅耗丸帕部分柞为址计譚虔的晝点*円时惨詢肝4番星批药 轲亜匹配，鐵寸蒔创亠牛幣宣如阳聪电也结构的it化樋践逡计才童.臬丸逋建p= ALG皿“A/p- n-n+-GaAB ftkta ft t it柞为实们分軒+址岀4个執暮鼻fit的懈谄£苛Si

2、和菲它丸阳H电泄 具有普迢性关fit词 太阳絶电也 饥化设计 就集拥 主幅 理晨电醛丫®；巴* 10| 维普资讯 h ttp:/* 10| 维普资讯 h ttp:/0引盲当选定某种半导体材料来制作太阳能电 池时，为了萩得尽町能高的光电转换效率*对 电池的结构必须进行详细设计"而设计时需 要考虑的原则有;如何减小入射光的反射 和透射损失？如何使光生载流子尽町能地 彼PF结收集，以使光电凉最大*暗电庄最 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 集起来井输送到负载上便用存柱一个与高 效电池结构设计相应的电池捌线结构的最佳 设卄问题権线结构设

3、计縛好F将植电池的串 联电阻垠小，从而使功率损耗咼小、输出功率 最大这对大面积功率辅出的草体太阳能电 池尤为重要。1太阳能电池樹线电极的优化设计一牛具有收集栅线的太阳能电池，如图1所示.光电流被樹线收集，并输出给负载 &时，在电池内将主要受到扩歆薄层电阻、 金属半导休接粧电阻以及栅线本身电阻的診 响而产生功率损失，便输出功率降低。另外, 栅线怖遮光损失，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 半面积柞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.圏2收案杨峻轉构示*圈图中符号的意义为$ A电池边长' B电池半寛度*两条收集细栅间的 间距'呼一收

4、集细栅宽度星即日主栅半 宽度f取电池最大功率输出点的电流密度为 人、电压为人。下面分别研究使这些损失最小的栅线优 化设计.1*1 眦集*搐h 1-1细栅遐光意相对功事损耗wxT与成:正.比例关系，与S成反比例 关垂.若在工艺上尽可能地it w#撤到最小* 相对啊S尽可能宽些那么收集栅遮光损耗 可降至最小“光刻技术可便甲小于gm然 而采用樓网印刷或掩橫真空蒸镀电扱技术很b 12细柵电阻总相对功率损耗凡与亠和5成正比例关系，因 此根据心N金属怵电阻率/细栅厚度选用 低体电阻率的金JS材料做成短的收集栅并 且增加其厚度.可适当地降低j另外.控制 的大小，可有效地降低P卄 线覽均匀时* rft = 3

5、;线性变宽时1- L 3細柵接魅电匣总相对功事损耗p 几$必=（帶）”T是半导体与金雇栅輸的接 触电阻或称比电阻，单位为。匚HA减小乩 增大屮"可降低Per，b 2 主爾臺L 2-主抽谴光相对殆率擴耗巴=辔1比2主栅电粗相对功車掏耗心=霁咏根踞心二彎器礬*选用低体电 阻率的金属材料增加主栅的厚度可适当地 降低Rz1*23主厠的最佳尺寸由f （恥）=尸卄戸厂云+种蔔疔决定h即由马曙=°、可求得;将此倩代入亢礦J中，得到：（入+入）層二也、广烹1. Z 顶层横向电汛息如封功血损耗氏=绛 在电池厠线没计中，扩散薄层的横肉电 痢损失是主要的.由佃式知.当$0时"模 向电流

6、损失可忽略，此时细栅设计出現愚佳 值菇由八四片古巴+凡WtV<50,忽略舍L项） 由戈饬=乩可得上air,（爭）严 将其代入需）中，得到*/（耐。丄戸E /?心+粥金"（羽(10)(11)由（12式知.对于实际的电池10）式右 端是有限僑足值。当0时”要求Wr*遠 在实琢设计中是无意义的为就一般用迭代 法来实现最佳栅线吐计。具挥处理为给定一 个工艺上可实现的W.值对式右端用 实脸值代入便可以求得=个S /取3 = sn为初试值*然后按照牛顿迭代法得到下 述格式叫冒-K3%卩斗-&（）匕尸2（Xf+FJO = 12.3严心C12）进抒迭代计算，当5为某一不变值时”便是 S

7、”民严心收敛于S $呗值."式、（10）式和（1对式是玄阳能电池栅 城电极优化设计的基本公式"2实例考虑一块面税为2cmX2cm的正方晤 p-AG GaiAl/p-n-n-GaAs 丈阳能电池* 这牛电池在AM0光谱下的最大输出电压* 10| 维普资讯 h ttp:/V为0.85V,电流密度 几为3<jmA/cm填 克因予F为0.83°电池分为两牛单元每牛单元长A- 加m宽B = kmD设收集栅线电极的平均厚 度为主栅的厚度为殆tm电扱材料为 Au-Zn合金*其体电阻率为Z 35卩。亡则 收集栅的薄层电阻为：& = 2. 35/(3X100?=0-

8、00783(0/? 主栅的薄层电阻为血=2 35/(5 X 100) = 0- 0047 (/) 由此可因此呆用氏主栅和短收 集栅条构成电池上电极°在一个单无电池中由公式(D*锥琨主 栅5=4)的最佳宽度为*WB =A -段/弘护eV吨I叩= 2X1X0,00470. 030 20. 85 =0. 0129<cm)因为实际主栅是两牛单元电池舍用囲 此它的实际宽度；U129a20- 025<em)这样*锥形主栅从可能的最小宽度到它 的最大宽度为oOS 16.绘出血+和的函数关系如图3所示" 考虑工艺上的因素*主樹厚度控制在5 10pm之间*即把 心 控制在0. 0

9、0235 0+ 00片口/之伯.上电极主栅部分甘施功耗 的贡献可控制奁3%以下*S 3 Fe+P*与Jffb美崇圈2+ 2 対丽电楓根据工艺上可能实现的最小宽度来确定 电流收集栅的宽度.取晒=100pm = Cl 010cm.a图4给出了收集栅遮光损耗匕r与牙的 关慕，可以看出f5<0+15时曲线变化 率很大。取irt =(L 010cm -支曲线'把F卅 控制在】0%以下.则S必须大于o* 1cm.函 数图象在S>0+时趋于平坦，更宽的栅线间距甘减小遮光樹失的作用不明显故取0.4cm同时由lVr - 0- 005cm这一支曲线说 明：若愈小，则整牛函数图象愈亀于平 坦，遮

10、光摑耗也愈小$的取值荊围对遮光损 耗影响不大.D 050,20.350.53 4血与$关棗图S 5 P”与矶美聚圏收集栅何距S在16 4cm之闾取 值丫可得出戸廿与尺工之间函数关系如图5所 示考虑丁艺上的因盍，收集册电概厚度控制 在2脈m之间丫即把 &控制在> 0029- ooian/之间，此时电阻功率损耗F油对输S 6尸*与$关聚圏出总功耗的贡献可控制在65%以下"由图6 知，这部分损耗对上电扱总功率损耗的贡欷 很小可患略不计B2. 3 M层旷敛层绘出珂与况之间函数图象.如图7所 示"把富控制在01U 4cm之间"这部分榻 耗对输出总功率损耗的贡献

11、很大，是考虑的 重直之一.由图T可见后匚增大到500(1/, 其费耗不超过6%。通过计算机进行大量的数据计算和分 析*得出的栅线电极优化设计圧柑应的各种 功率擬耗如表1所示. 12 | 维普资讯 h ttp:/ 12 | 维普资讯 h ttp:/豪1椅域电laftttifttt的相应型率损耗RcWDy 肌E1)PrtX!OPrfXKT*He X10-1PuXlfl-8(PTt4-Pi)X10-rPX10r10. DQ. 5113.53& 70h9S7/fi82. 5S5花24 00.418丄朋S. 50心L032.5S6.34JO. 00. 36S2-55肛£0271120乱

12、昭67940. 00.3B864. 402-342 587. 1656。0-315蛊164. L03.IS1-462 5S7-4760-D0.2&72, 053. 90氛361- 562.587-毡70.00” 2831.953. 703-531. 653.587.99SO. D0-2711.873. 503$»1.732朋3 2290- 00L2611. 8Q3.40T3 $32- 533- 451000. 2531.743- 30乱962-昭&桩*本叢鮒出的值爲造壮运算启的嚴桂忧化惊.垂申*p三尸rf十卜典1+尸M+P.L为嚴功率抽禅Mb = 30mA氏mJVa0

13、- 85V»lVr = |0- OlOcm = cmz = 0- 007530/C *= Or OQ47X1/Q 4 A = 2cm B 1cm B 主栅0- 0258ciri* 12 | 维普资讯 h ttp:/隔=莎不石(13)由表1得出；薄民电阻校小的电池，栅线 间隔较大：w»®电阻较大的电池+栅线间隔 较小.顶层薄层电阻J?与推亲浓度N的结屎 抽和电子迁移率如之间的关噩为匸q = l6X 10-1?C，电子迁移宰取 吐= BOOOcmVCV 引卫，由公式(13河得表盒 12 | 维普资讯 h ttp:/聲匚与的关基蜀(/mil)Ro口0. 10.20. 3

14、血40-5660-7S0.91.0JVjlCXIO11)107S. 139-126-01S.5IE. 613.011-29. 778-駆7-fil2035- 1id. 515.09.777. SI6.51& 5S4.翻4- 343.93026, 0130艮驛6-515,234. 343.723去2”朋2” 6040】弘5乳776.514.883.913.262-792 - 442-17!95501&. &7.81& 213.913 132-CG2,2315L 74L5时13. 0$514. 343.262” 602.17h刖1-631U5L307011- 2&a

15、mp;. 5S$ 722-7S2 .23L861-551 401-241-12B09.77氣SS3.26木441-95Lf3L40LZ21.0S1驱轴S. 6£4. 34氐朋2. L7L711.45Y41090,960. B71007-同I3.9J20J.95h5S130b 120*昶0. 870. 76 12 |维晋贽讯 nttp:/|由表2可査出结深町、薄层电阻R和扩 散薄层掺杂浓度心的对应值*以期达到能 妨在实验上控制Na的目的.3结论底效率半导休太阳能电池除本身的理论 结构设计和实现也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供 负载使用亦是一个重要问题这就

16、是本文研 究的栅线电极的优化设计。文中对给定的丈 阳能电池给出了获取最大功率输出的栅线电 扱设计方法做了描述并以设计实例件为应 用说朋。一个宾验上易于实现的设计结果可 将发电功率的最大损耗控制茯7%左右即 输出功牢大于93%.薄层电阻氏匚控制在300/左右（即拚 杂哝度N占控制在而收集栅薄层 电阻心和主栅薄层电阻尺必控制在 io-an/n之间（即层厚在1igm之闾），可 由表1对应査出细栅间距5的大小，从而得 到优化的栅线设计口參考立獗ru 澳马丁 格林着*李玮立等译”龙阳电池 工作原理、工艺和乘统的应用北京电 子工业出版社即.2刘感科，導、光电池及其应用.北京*科学出版社J989”（原鬲旧卯

17、年9月15日收到13|维晋贽讯 nttp:/|13|维晋贽讯 nttp:/|OPTIMUM DESIGN OF SOLAR CELL CONTACT GRIDLiu Xiang Chen TingjintSoix Exbfy Reftanh fnitteuU' of Yunnan Normal Unitiernly»Kunming 65&092)AbstraclIn the process q( deYeLcping semiconduct nr solar cells,the re is a pre Mem of optimizing callectcr electrode whn semiconductor psrameters and geometric parameters have been certain. For reducing th串 relative power less c且used by contact grid iit is the most important to put 亡mpha«is on the large relative power loss At the seme time tcoordiimtion of all parameters is given <then ati optimum