电池片电性能参数分析

太阳电池是一种能够直接将太阳辐射能转化为电能的电子器件。晶

体硅太阳电池是目前市场上应用最为广泛的一种太阳电池。对P型或n

型硅衬底进行相反类型的源掺杂，形成n+或p+型发射区，经电子扩散

之后形成内建电场，可将光照条件下产生的光生载流子进行分离。常规

晶体硅太阳电池结构及工作原理

如下图所示

Sunlight

MeialandAntireflectivelayer

w-typeJ>yer

e

p-tvpelayer

Meialcunwd

太阳电池理想l-V特性方程，即工作状态电流.电压关系式，如

式l=lph—IO[exp(qv/nkT)—1](1-1)

其中，q为电子电量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I。为二

极管饱和电流，Iph为光生电流，n为二极管理想因子。一般晶体硅太

阳电池I-V曲线如图1—2所示，纵坐标表示电流，最大值为短路电流反，

横坐标表示电压，最大值为开路电压Voc。

内的电流

为短路电流Isc,对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流Iph,

所以短路电

流的大小和以下几个因素相关联：

(1)太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电流密度概念Jsc,即

单位

面积上流过的电流，单位为A/cm2。

(2)光照强度以及光谱分布。

(3)太阳电池的减反射、陷光效果和前表面栅线的遮挡面积。

(4)电子收集效率。这主要取决于表面钝化效果以及少子寿命。如在

非常

好的表面钝化和一致的电子.空穴对产生率条件下，短路电流密度

为：JSC=qG(Ln+Lp)

其中G为电子.空穴产生率，Ln、Lp分别为电子和空穴扩散长度。

Isc偏低的原因：

，、绒面较差=＞光反射率较大；

2、扩散方块电阻偏低=＞磷掺杂过多；

,3、丝网印刷第三道出现虚印、断线或者副栅线宽度过宽

等现象=电流不能被有效地收集；

4、烧结炉温度出现较大波动；

•重掺杂会加大表面复合

•烧结不好引起欧姆接触不好，致

使串联电阻增大

当太阳电池外接电路开路时.可得到太阳电池的有效最大电压，即

开路电压Voco在开路状态下，流经太阳电池的净电流为Oo在方程(1-1)

中，令1-0,可得到:VOC=(nkT/q)ln(lph/IO+l)o,从中可以看出,Voc

的大小与以下因素相关：

⑴光生电流Iph可以看出，Iph的改变量有限，其对Voc的大小影响

也较小。

(2)反向饱和电流10。在太阳电池中，10的变化通常可达几个数量级,

所以它

对Voc的影响非常大。而10决定于太阳电池的各种复合机制，

所以通常Voc的大小可以用来检测太阳电池的复合大小。

Voc偏低的原因：

，、绒面较差n扩散pi站不均匀；

2、扩散方块电阻偏高A无法形成有效的电势差；

[铝浆型号用错；

,3、丝网印刷第二道铝浆搅拌不均匀；

印刷重量偏低；

.4、烧结温度出现波动；

1.方块电阻不均匀，结深高低不一

致，烧结Ag电极渗透中，有的地方接

触不好，有的地方可能过烧

2.即掺杂太少

Voc和Isc是太FEI电池所能达到的最大电压和电流值，但是，从I—V

特性曲线上可以看出，此时的输出功率为0。填充因子表示最大功率点

处功率与VocXIsc的比值。根据理想I-V特性方程，可求得最大功率点处

Vmp解微分方程可得到一个超越方程非常复杂，只是Vmp和Voc的关

系O

一般计算FF可用经验公式：

FF=[voc—ln(voc+0.72)]/(voc+1)

voc为归一化Voc

Uoc=Vocq/(nkT)

高的开压可得到高的填充因子。

FF偏低的原因：

[1、Rs偏高(参考Rs偏高的产生原因)；

2、Rsh偏低(参考Rsh偏低的产生原因)；

太阳电池转换效率Eta是表示单位面积上将辐照能量转换为多少电

能的量。通常定义为

Eta=Pmp/Pin=VoclscFF/Pin

Pin表示入射光功率

转换效率越高，表示在单位面积上单位辐照强度下能产生更多的电

能。其大小与Voc、Isc、FF息息相关。

1＞特征电阻Rch

特征电阻表示在最大功率点条件下太阳电池的负载电阻。当负载电

阻等于特征电阻时，太阳能电池的最大功率加载到负载上，同时电池也

运行在最大功率条件下。Rch=Vmp/lmp

可近似表示为Rch=Voc/lsc

所以一般电流电压关系可表示为l=V/Rch

太阳电池的自身电阻的存在消耗了太阳电池的功率，降低填充因子

和转换效率，通常指串联电阻和并联电阻，如图1.5所示。由于电阻

的值与面积密切相关，通常在分析时采用“归一化电阻

(nomalizedresistance)〃概念，其单位为Qcm2,根据欧姆定律，将I值以

J值替代,得到:R(Qcm2)=V/J

图1-5太阳电池串联电阻和并联电阻示意图

考虑串联电阻和并联电阻的影响，得到填充因子表达式(142)

FF=FFQ(1-5)+驯

“十0・7FF。(1-1.1%

voc以

其中FF。为理想状态的填充因子,

图1-5太阳电池串联电阻和并联电阻示意图

串联电阻主要来自于以下四个方面：

(1)晶体硅的体电阻和发射区电阻，即p.n结两侧P区和n区材料

的电阻。

(2)电极用的金属与硅表面层的接触电阻，即正面和背面的金属与

半导体表面

之间的接触电阻，也包括p.n结深度、杂质浓度和接触面积大小

的影响，

这是串联电阻最大的部分。

⑶器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。

⑷电极接触用的金属本身和它们的互联电阻。

Rs偏高的原因：

1、绒面较差=＞电极接触不均匀；

2、扩散方块电阻偏高=接触电阻增大；

,3、丝网印刷第三道出现虚印、断线=＞接触电阻增大;

4、烧结炉温度出现较大波动；

并联电阻主要与晶体硅材料质量和太阳电池制造过程中引入的玦

陷和杂质有关，并联电阻使光生电流产生反向分流，降低工作电压，严

重影响FF.其主要来自四部分。

(1)太阳电池周边因扩散p-n结时会引入p・n结完全或部分的短路。

(2)非理想的p-n结或p-n结内部不完善部分的漏电短路。

(3)衬底和薄膜层及p.n结之间的部分漏电。

(4)多晶体或薄膜的晶体界面的部分漏电。

Rsh偏低的原因：

」、绒面较差=扩散pn结不均匀；

2、扩散方块电阻偏高=p磔过浅;

'未完全刻蚀n边缘漏电;

3、刻蚀

过度刻蚀=pn结被破坏;

硅片表面被浆料污染(尤其是铝浆污染)=pn结被破坏;

・4、丝网印刷

漏浆=上下电极发生短路，产生漏电；

15、烧结温度过昌=pn结被破坏;

2.扩散方块电阻偏高，即扩散掺杂浓度低，导

致内建电场偏低，耗尽区电阻变小

3.未完全刻蚀必然导致边缘漏电，容易理解；

过度刻蚀导致并联电阻降低，是因为PN结所占的

横截面积变小，所以耗尽层总电阻变小。

4.铝浆在N区的扩散会破坏PN结，因为它是受主

杂质。正面滴落的铝浆，有可能在烧结过程中扩

散穿过PN结，导致PN结被破坏发生短路。如果硅

片边缘附有漏浆，可直接引起边缘漏电。

5.烧结温度太高，可导致Ag的扩散太大，以致

穿过PN结，直接导致短路

如同多数半导体器件一样，太阳电池的运行状态对温度的变化也比

较敏感。

温度的升高，可使硅材料的禁带宽度降低，电子具有更低的能量就

可从价带越过

禁带到达导带，短路电流会有提高。温度的变化，影响最大的是

Voc

随温度升高，Voc降低，主要是由于反向饱和电流10对温度非常敏

感。

Io_--------

其中q为电荷，D为少子扩散系数，L为少子扩散长度，ND为掺杂

浓度，足为本

征载流子浓度，以上的几个参数中，基本上都是温度的函数。

标准烧结工艺需要经过低温、中温、高温、冷却四个阶段。烧结炉

低温温度一般在400X以内，中温温度为300〜700'C,高温温度为700〜

900〃C。在低温阶段，浆料中的有机溶剂和有机粘合剂被蒸发或被燃烧。

在中温阶段.玻璃料开始熔化，Ag颗粒开始聚合。在高温阶段，Ag、sj

及玻璃料成分发生反应，形成Ag-Si接触；冷却时，Ag粒子在硅片表

面结晶生长。高温驱动表面H离予向硅片内部扩散。实际在硅片上发生

的反应温度远低于烧结炉设定温度，KyunghaeKim等人研究Ag与Si的

实际最佳反应温度为605度.远低于Ag—si共晶点温度835'C,这可能

是由于反麻体系中含有多相成分（Ag、Si、Pb、Bi等）而使合金熔点降低。

实际的烧结炉各温区温度，需要综合考虑n层的扩散浓度、浆料成分、

减反射膜厚度等诸多因素来设定。

。金属与半导体接触时可以形成非整流接触，即欧姆接触。欧姆接

触是指这样。的接触：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内

部的平衡载流子浓度发0生显著的改变。日前，在太阳电池中，主要是

利用隧道效应的原理在硅表面上制0造欧姆接触。6在半导体理论中可

知，重掺杂的p—n结可以产生显著的隧道如流。金属和半6导体接触

时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变的很薄，电子可以通过

6隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，隧道电流甚至超过热电子

发射电流而。成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接

触电阻可以很小，可虬。晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究,6

用作欧姆接触。因此，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近

理想的欧。姆接触

掺杂浓度越高，接触电阻Rc越小。半导体材料重掺杂时，可得到

欧姆接触。

太阳电池要得到好的欧姆接触，必须对太阳电池发射区进行重掺杂。

但是重掺杂同时会带来许多负面效应。例如，增大表面复合速率、SiNx

表面钝化效果差，降低短波光谱响应等。正因为如此，世界各研究

机构积极开发选择性发射极太阳电池，只在金属电极下面极小的区域实

现重掺杂，而在非金属接触区域实行轻度掺杂。

常规丝网印刷工艺制各的太阳电池相对蒸镀电极电池，性能显著下

降，其中遮挡和重掺杂效应导致的效率损失占到了0.8%o

前面提到，要形成良好的欧姆接触，必须在发射区进行重掺杂，但

重掺杂会带来许多的负面影响，如表面、体内复合速率增大、钝化效果

差等。不光是发射区的重掺杂，硅衬底的掺杂浓度