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铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响

  铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响_能源/化工_工程科技_专业资料。为了降低太阳电池的成本,提高光电转换效率,生产厂家不断追求减小硅片的厚度,以降低原材料的成本,目前,硅片厚度已由300 Lm 降到200Lm,相应产生每瓦电能所耗的硅片量减少20% 。随着硅太阳电池衬底质量的不断提升,太阳电池的少子寿命也不断增大,当少子扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显 。因此,为了提高电池的效率,就必须考虑如何降低电池背表面的复合速度。

  铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响 摘要: 摘要 为了降低太阳电池的成本,提高光电转换效率,生产厂家不断追求减小硅片的厚 度,以降低原材料的成本,目前,硅片厚度已由 300 Lm 降到 200Lm,相应产生每瓦电能 所耗的硅片量减少 20% 。随着硅太阳电池衬底质量的不断提升 ... 为了降低太阳电池的成本,提高光电转换效率,生产厂家不断追求减小硅片的厚度,以降低原材 料的成本,目前,硅片厚度已由 300 Lm 降到 200Lm,相应产生每瓦电能所耗的硅片量减少 20% 。 随着硅太阳电池衬底质量的不断提升,太阳电池的少子寿命也不断增大,当少子扩散长度与硅片的厚 度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显 。因此,为了提高电 池的效率,就必须考虑如何降低电池背表面的复合速度。因而研究铝背场、硅片厚度对太阳电池输出 性能的影响就显得十分必要。 本文利用 PC1D 仿真软件模拟了铝背场与硅片厚度对 n / p2p 结构的单晶硅太阳电池输出特性的影 响, 研究成果可为优化太阳电池生产工艺提供理论依据, 并为最终实现太阳电池工艺模拟做技术准备。 + + 一、模型与仿线D 是微电子器件特性模拟程序,并着重于光伏器件的模拟,它利用完全耦合的非线性方程模拟 分析单晶半导体器件中电子和空穴的准一维传输过程,是一个模拟太阳电池性能较常用的仿真程序。 在硅太阳电池物理特性研究方面起着重要作用,并逐渐成为模拟太阳电池软件的行业标准软件。 图 1 为单晶硅太阳电池结构图。太阳光从电池右侧 n 层射入,依次经过电池的 n 层、p 层和 p+层。 其中前表面 n 层和 p 层分别连接电池的正电极和背电极,各层材料参数见表 1。且设电池表面积为 100 cm2 ,光表面反射率为 10% ,电子背反射率为 78%;少子寿命为 33. 67 Ls,即少子扩散长度为 300 Lm; 前表面的复合速度 Sp= 105cm/ s。 + + + + 本文采用 AM1. 5 光谱, 25e, 100mW/ cm2 的标准测试条件, 模拟了单晶硅太阳电池硅片厚度在 50~ 350 Lm 变化时,有无铝背场情况下的输出性能。无铝背场时,将背表面复合速度在欧姆接触情况下 设为 Sn= 108cm/ s; 有铝背场时,将 Sn 近似为 0。 二、结果与讨论 1、 对太阳电池短路电流的影响 图 2 给出了硅片厚度与电池短路电流间的变化规律。由图 2 可知,随着硅片厚度 h 的减小,无铝 背场结构的太阳电池的短路电流随之降低, 有铝背场结构的电池短路电流随硅片厚度的减小先缓慢增 大而后减小。比较分析发现,随着硅片厚度的减小,铝背场的作用越来越大,且有铝背场结构的太阳 电池至少取得 8% 的电流增益。 无铝背场时,电池的短路电流随电池厚度的减小而降低。因为太阳电池吸收光子能量产生电子 2 空穴对, 基体材料对入射光的吸收是按 I ( x ) = I 0exp( - A( K) x) 规律变化( I 0 是太阳电池表面 x= 0 处 的入射光强,A(K) 是太阳电池材料对波长为 K 的光的吸收系数,I ( x) 是表面至太阳电池内 x 处的 光强) 。单晶硅太阳电池要吸收 99% 的光所需要的吸收厚度为 384 Lm。在 50~ 350 Lm 厚度范围内, 随太阳电池厚度的减小,基体不能充分地吸收入射光,从而影响产生电子 2 空穴对数目,导致太阳电 池的短路电流降低。 有铝背场时,只有硅片厚度小于 200 Lm 时,才能很明显地观察到短路电流随着硅片厚度 的减小而减小。Isc 的这种变化趋势,本文认为是由于铝背场的高反射率所致。一方面, 提高 Is c; 另一方面, 由于铝背场有助于减小金属与半导体间的接触电阻, 从而降低 Rs 值, 硅片厚度小于 300 Lm,基体不能完全地吸收入射光,部分光到达铝背场处,由于发生高 内背表面反射,这种作用的最终结果是基体内总的光生载流子数目几乎不变。且由于硅 片厚度变薄, 电子 2 空穴对的产生更接近 p2n 结, 因而更有利于 p2n 结对载流子的收集。 大量的实验证实,铝背场的这种效应能提高短路电流。本文所得结果与实验观察相吻合。 2、对太阳电池开路电压的影响 图 3 给出了硅片厚度与电池开路电压间的变化规律。由图 3 可知,无铝背场时电池 的开路电压随着硅片厚度的减小而减小。有铝背场时电池的开路电压则随之增加,但增 幅很小。 且有铝背场时可比无铝背场时获得明显的开路电压增益, 最小处也可达 10mV; 随 着硅片厚度的减小,铝背场对太阳电池开路电压的影响也是越来越大。 无铝背场结构的背表面的复合速度很高( 本文中设置为 1. 0@10 ) ,硅片厚度的减 小使这一高复合速度的表面越来越靠近 p2n 结,表面复合的增加胜过基体内的复合,使 得 J0 增加,最终导致 Voc 降低。 而有铝背场时, 硅片厚度的减小同样也会导致高复合速度的表面越来越接近 p2n 结, 但一方面由于 p2p 接触势垒的存在,将阻止 p 区光生电子向背表面运动而发生复合,这 也就等效降低了背表面对光生电子的复合速度; 另一方面到达 p2p 结两侧的光生载流子 也将被 p2p 的内建电场分开,从而建立光生电压。由于这两方面的作用使得在有铝背场 情况下,单晶硅太阳电池开路电压随着硅片厚度减小而升高。 + + + 8 3、对太阳电池填充因子的影响 填充因子 FF 是指太阳电池最大功率与开路电压与短路电流乘积的比值, 是评价太阳 电池输出特性的一个重要参数。它的值越高,表明太阳电池的输出特性越接近于矩形, 光电转换效率也就越高。 图 4 给出了硅片厚度与电池填充因子间的变化规律。由图 4 可知,无铝背场时电池 的填充因子随着硅片厚度的减小呈现先缓慢增大,而后迅速减小的趋势。有铝背场时电 池的填充因子则随之迅速增大。且随着硅片厚度的减小,铝背场对太阳电池填充因子的 影响越来越大。 目前的研究已经证实,影响太阳电池输出特性的内部因素中,串、并联电阻对填充 因子的影响最大: 串联电阻越小,并联电阻越大,填充因子则随之变大。另一个影响因 2 素则是日照强度。由于本文中采用的是 100 mW/cm 的标准测试条件,因而未考虑日照强 度的影响。因而在无铝背场情况下,硅片厚度减小,使得 Rs 值降低,从而填充因子出现 增大的趋势。当厚度小于一定值后,由于不能有效的吸收入射光,导致填充因子急剧下 降。在有铝背场情况下,填充因子的这种变化趋势是由于硅片厚度减小与 p2p 结均能有 效得降低 Rs 值,从而使得填充因子在硅片厚度减小时迅速增加。 + 4、对太阳电池光电转换效率的影响 本文中 G 的计算公式为 G= 10Is cVocFF ( 3) 显然为了获得最大转换效率就必然要获得尽可能大的开路电压、短路电流与填充因子的乘积。根 据公式( 3) 可计算出光电转换效率,结果如图 5 所示。没有铝背场结构时,光电转换效率随着厚度的 减小而减小。有铝背场时光电转换效率则呈现先增大而后减小的趋势,变化幅度很小。有铝背场至少 可提高 1% 的转换效率提升。可以看出,随着硅片厚度的减小,铝背场对提高太阳电池光电转换效率 的作用越来越明显。 由图 2,3,4 可知,无铝背场时太阳电池的开路电压、短路电流均随着厚度的减小而减小,填充 因子随着厚度的减小先增大而后急剧减小。那么显然由公式( 3) 可知,太阳电池的转换效率将随硅片 厚度的减小而迅速降低,且降低速度越来越大。 有铝背场时,由于短路电流随着硅片厚度减小而呈一先缓慢增加再减小的趋势,而开路电压与填 充因子则是随着硅片厚度的减小而增大,那么由公式( 3) 可知,太阳能电池光电转换效率也将呈现与 短路电流一样的变化趋势,只是变化得更缓慢。 通过比较分析可知, 在有铝背场时由于硅片厚度的减小会使得开路电压与短路电流呈不降反升的变化 趋势,因而为了获得最大光电效率则需要在开路电压、短路电流与填充因子三者之间做一折中。由图 可知,在本仿真环境下,当硅片厚度为 120Lm 时单晶硅太阳电池即获得最大的光电转换效率。 三、结论 1) 硅片厚度越小,铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响就越大; 在本模型中,有铝背场情况下, 硅片厚度为 120Lm 时就获得最大效率。 2) 对没有铝背场结构的电池, 其短路电流随着硅片厚度的减小而降低; 有铝背场结构的电池, 其短路 电流则先缓慢增大而后减小,且有铝背场至少取得 8%的电流增益。 3) 对没有铝背场结构的电池, 其开路电压随着硅片厚度的减小而降低; 有铝背场结构的电池, 其开路 电压则随之增加,但增幅很小。且有铝背场结构具有明显的开路电压增益,至少可获得 10 mV 的电 压增益。 4) 对没有铝背场结构的电池, 其填充因子随着厚度的减小而先缓慢增大后迅速减小; 而有铝背场结构 的电池则迅速增大; 且厚度越小,铝背场对填充因子的提升越明显。 5) 对没有铝背场结构的电池,其光电转换效率随着厚度的减小而减小; 而有铝背场结构的电池则 先增加而后减小,且至少可提高 1%的转换效率。

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