基底材料对太阳能电池转换效率的影响

基底材料对太阳能电池转换效率的影响基底材料对太阳能电池转换效率的影响 2011年11月30日基体材料对太阳能电池转换率及参数的影响 20083414 徐佳晙摘要:太阳能电池的基底材料与其各项表征参数息息相关，本文从太阳能电池的开路电压、短路电流和填充因子的影响因素三方面来分析基底材料的作用与优化方案。关键词:基底材料开路电压短路电流填充因子 1 引言由半导体理论，二极管主要是由能隙为E,E的半导体构成，如图1.1所示。E为CVC半导体导电带，E为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，V 产生电子和空...

基底材料对太阳能电池转换效率的影响 2011年11月30日基体材料对太阳能电池转换率及参数的影响 20083414 徐佳晙摘要:太阳能电池的基底材料与其各项表征参数息息相关，本文从太阳能电池的开路电压、短路电流和填充因子的影响因素三方面来分析基底材料的作用与优化方案。关键词:基底材料开路电压短路电流填充因子 1 引言由半导体理论，二极管主要是由能隙为E,E的半导体构成，如图1.1所示。E为CVC半导体导电带，E为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，V 产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。导电带电子EC 光子能隙价电带 EV空穴图1 电子能带激发原理和电池原理图太阳能电池的基底材料有硅、无机盐的多元化合物材料、功能高分子材料以及纳米材料等。一般要求材料的禁带宽度不要太宽，要有较高的光电转换效率。 2 太阳能电池的重要参数在太阳能电池被照明时，在负载上会得到伏安特性曲线，曲线上任意一点都称为工作点，对应着工作电压和工作电流。 P,IVmmm 最佳工作点，即为工作电流和工作电压乘积最大时的工作点，此时有最大功率输出。 - 1 - 2011年11月30日图3 太阳能电池伏安特性曲线填充因数即为输出最大功率与开路电压和短路电流乘积之比。 Pmax FF,UIocsc 填充因数表征太阳能电池的优劣，在一定光强下，填充因数越大，曲线越“方”，输出功率也越高，它与入射光强，反向饱和电流，A因子，串联，并联电阻密切相关。太阳能电池受到照明时，输出功率与入射光功率之比称为太阳能电池的效率，也成光转换效率。 UIFFocsc, ,，100%, 3 材料对转换效率的影响以及提高效率的途径 3.1 材料禁带宽度对开路电压影响我们将效率公式更细化得到: (F*F)(V*F)IEPscgm,, ,APAPtintin 其中，为包括栅线图形面积在内的太阳能电池总面积，为单位面积的入射光APtin 功率。由此可知，当短路电流随增加而减小，开路电压随增加而增大，在EEE,1.4eVggg附近出现效率的极大值。也就是说，碲化镉、砷化镓、锑化铝等可能是比硅更为优越的光电材料。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: - 2 - 2011年11月30日 2 V,E,(E,E),(E,E),(kT/q)ln(NN/N)dgcffvADi 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。禁带宽度是材料的固有属性。对于硅，禁带宽度为1.12ev，理论上所得到的最大开压为700mv，相应的最高FF为84%。 3.2 材料厚度对开路电压影响材料的厚度对开路电压也有影响，以硅片为例，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。因此在制作不同规格的太阳能电池时，需要选择适当的硅片厚度，使其在一定的工作环境下能够有较好的工作表现。 3.3材料掺杂浓度对开路电压影响适当的提高掺杂浓度能提高载流子的运输效率，从而很好的提高开路电压。但是，当浓度过大，使得顶区浓度过高时，会引起重掺杂效应，重掺杂效应的结果，会引起禁带宽度收缩，导致开路电压降低。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。 3.3暗电流对短路电流影响当p-n结处于正偏状态时，略去串联电阻的影响，在负载上得到的电流密度是，其中为暗电流，它消耗着光电流，降低了开路电压，给转换效率带来负J,J,JJLDD 面影响。 22nnn1qV/kTqV/2kTiii J,(qD，qD)(e,1)，qW(e,1)Dnp,NLNL2AnDp 显然，当p区、n区得掺杂浓度越大，少子寿命越长，扩散长度越长，暗电流中的注入电流分量就越小。要减小暗电流中的复合电流分量，需要减少耗尽区宽度，减少耗尽区中的复合中心，并把载流子的寿命维持在高水平上。在高掺杂时，暗电流中海包含了隧穿电流 Jt BV J,KNett - 3 - 2011年11月30日其参数都与电子有效质量，内建电场，掺杂浓度，介电常数和隧道的能态密度有关，高掺杂时易发生隧穿效应，产生复合电流。为了减小暗电流的方法有四:1)减少空间电荷区的复合能级 2)抑制高掺杂效应 3)增加少子寿命 4)加强漂移场，减少表面复合。 3.4工艺加工对短路电流影响为了增加材料的吸光性能，在硅片清洗工艺中，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。在丝网印刷工艺中，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。 3.5“死层”对短路电流影响在硅电池表层中，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’。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。影响少子输运，降低光电转换的效率。‘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 4 总结基体材料从很多方面都会影响太阳能电池的性能和转换效率。大的短路电流，开路电压和填充因数可以获得高的转化效率，前面已经讨论了个参数的影响因素。死层，大的表面复合速度，低寿命都会会降低效率。防止死层，减少结深，加入漂移场，改善寿命，选择性能优良的基体材料是太阳能电池制作工艺中改善太阳能电池效率的重要途径。 - 4 -

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