提高晶硅电池效率的措施研究
提高晶硅电池效率的措施研究[20191223160605]
摘 要
本文将普通晶硅太阳能电池与高效晶硅太阳能电池的效率作对比，从光学角度和电学角度着手，分析晶硅太阳能电池转换效率低下的原因，主要有光学损失和电学损失两部分,并且总结了光学优化和电学优化的方法和技术措施。光学损失是由于晶硅太阳能电池不能将所有的入射光都吸收而转换成电能。光学上的损失主要包括表面反射损失、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性。光学优化是为了增加晶硅太阳能电池内部的入射光子或光子通量，从而达到提高晶硅电池效率和降低生产成本的目的。光学优化的方法包括：（1）光陷阱结构，（2）减反射膜，（2）激光刻槽埋栅结构。
电学损失包括半导体表面及体内的光生载流子复合以及金属和半导体的接触电阻损失等。文章中采用PC1D仿真软件，通过计算机模拟方法分析各因素对太阳能电池造成的影响以及影响程度。电学优化主要是为了减少载流子的复合中心以及减低载流子的复合速率，从而达到提高晶硅电池效率和降低生产成本的目的。电学优化的方法包括：（1）制备钝化层，（2）增加铝背场，（3）高效晶体硅电池技术。
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关键字:晶硅太阳能电池光学损失电学损失
目 录
1. 引言 1
1.1晶硅太阳能电池的产业现状 1
1.2晶硅太阳能电池的目的和意义 1
1.3研究思路和技术方法 1
2. 晶硅太阳能电池的效率分析 3
2.1普通晶硅太阳能电池和高效晶硅太阳能电池的对比 3
2.2光学损失 3
2.2.1光谱的影响 3
2.2.2电池前表面反射损失 4
2.2.3遮挡损失 4
2.3电学损失 5
2.3.1PC1D软件模拟复合损失 5
2.3.2欧姆损失 6
2.3.3PC1D软件模拟串联电阻的损失 7
3. PC1D软件模拟提高晶硅太阳能电池效率 10
3.1PC1D软件模拟光学优化 10
3.1.1PC1D软件模拟减反射膜 10
3.1.2PC1D软件模拟光陷阱结构 12
3.1.3激光刻槽埋栅结构 15
3.2PC1D软件模拟电学优化 15
3.2.1增加钝化层 15
3.2.2PC1D软件模拟铝背场 17
3.2.3高效晶体硅电池技术 19
4. 高效太阳能电池探索 20
4.1高效太阳能电池的研究方向 20
4.2砷化镓太阳能电池 20
4.3叠层太阳能电池 22
4.4聚光太阳能电池 23
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
1. 引言
1.1晶硅太阳能电池的产业现状
经过几十年的努力，我国在晶硅太阳能电池方面取得了可喜的研究成果，2cm*2cm单晶硅高效电池效率达到20.4%，5cm*5cm刻槽埋栅单晶硅电池效率达到18.6%，2cm*2cm多晶硅电池效率达到16%，10cm*10cm多晶硅电池效率达到13%～15%。就目前来说，我国晶硅太阳能电池生产发展迅速，并且呈现爆发式的增长。由于主要设备、技术来自国外，大厂商品质量接近国外产品水品。在市场上，晶硅太阳能电池的需求潜力增大。但是因为原材料瓶颈，严重制约了我国晶硅太阳能电池的发展。而且国内缺乏这方面的技术型人才，更缺少技术更新和创新能力。
现今，世界晶硅太阳能电池的生产呈现几个特点：
（1） 需求旺盛，产业规模迅速扩大；
（2） 原材料瓶颈逐渐显露，太阳能电池成本不但不下降反而明显上升；
（3） 没有大的技术突破，但渐进性技术进步一直在进行；
（4） 电池不断向超大、超薄的方向发展，尺寸200cm*200cm和厚度160um的电池片已经开始工业化生产，100cm*100cm的太阳能电池已被淘汰。
1.2晶硅太阳能电池的目的和意义
针对晶硅太阳能电池转换效率低下的现象，通过从光学角度和电学角度，分析了晶硅太阳能电池转换效率低下的原因，并且总结了光学优化和电学优化的方法和技术措施。利用PC1D软件中的器件模拟，分析各因素对太阳能电池造成的影响以及影响程度，找出能够提高晶硅太阳能电池效率的可行性方法。
现阶段，由于晶硅太阳能电池的转换效率不高，电池通常只能将有效吸收的六分之一的光能转换成电能，导致很大部分的光能未被利用而损失。所以在效率上提高光电转换能力，不仅可以转换更多的电能，而且节省了制造晶硅太阳能电池的成本。此外，制备晶硅太阳能电池的原材料供不应求，导致电池的制造不断提高。所以在生产工艺程序上提高晶硅太阳能电池的质量，间接降低了电池的生产成本。
1.3研究思路和技术方法
到目前为止，晶体硅太阳电池的最高理论转换效率为29%，实验室已经成功实现的最高转换效率为24.7%，但是低成本(丝网印刷工艺)大规模生产的晶硅太阳能电池的转换效率却只有17%左右。由于晶硅太阳能电池的理论转换效率和实际转换效率的较大差距，通过从光学角度和电学角度着手，分析电池效率低下的原因，并且总结了光学优化和电学优化的方法和技术措施。
理论分析改善晶硅太阳能电池的转换效率的方法以及可行途径，从光学角度和电学角度两个方面着手。光学优化的办法包括：（1）制备光陷阱结构，（2）制备减反射膜，（3）激光刻槽埋栅结构；电学优化的办法包括：（1）制备钝化层，（2）增加铝背场，（3）高效晶体硅电池技术。再利用PC1D仿真软件，通过计算机模拟分析各个光学因素和各个电学因素对晶硅太阳能电池造成的影响以及影响程度。
2. 晶硅太阳能电池的效率分析
1
2.1普通晶硅太阳能电池和高效晶硅太阳能电池的对比
从日常接触的晶硅太阳能电池可以看出，普通的晶硅太阳能电池效率比较低。一般，市面上的单晶硅电池效率为17%左右，多晶硅电池效率为16%左右，但是高效晶硅电池效率最高已经达到24.7%，这是由澳大利亚的新南威尔士大学在1994年成功研制的钝化发射极背面局部扩散PERL太阳能电池，如图2-1所示。24.7%的转换效率作为晶体硅太阳能电池的实验室记录一直保持至今。
图2-1 钝化发射极背面局部扩散PERL太阳能电池
PERL太阳能电池相比于普通晶硅太阳能电池的突出特点：（1）使用高品质的P型FZ单晶硅片；(2)在表面制备倒金字塔结构的绒面；(3)背面点接触减小了金属电极和p型基极的冶金界面，用氧化层取代肖特基接触，减小了表面复合；(4) n型发射极的浓磷扩散形成 型接触，p型基极的浓硼扩散形成 型接触；
由普通晶硅太阳能电池和高效晶硅太阳能电池的对比可知，高效晶硅太阳能电池不仅在生产工艺方面提高了电池的质量，更重要的是电池制备了减少反射率的结构以及采用了降低载流子复合的措施。所以可以从光学角度和电学角度得出普通晶硅太阳能电池效率低下的原因。
2.2光学损失
2.2.1光谱的影响
太阳光是由不同频率的光线组成，并非所有频率的光线照射到晶硅太阳能电池上都正好产生电子—空穴对；由于光电效应现象，照射到晶硅太阳能电池上的光子的能量比较小时不能产生电子—空穴对，照射到晶硅太阳能电池上的光子的能量比较大时浪费了多余的能量，这就造成了晶硅太阳能电池对入射光的非吸收损失。
图2-2为晶硅太阳能电池的相对的光谱响应曲线。一般来说，晶硅太阳能电池对于波长小于0.35um的紫外光和波长大于1.15um的红外光是没有反应的，响应的峰值在0.8～0.9um范围内，这是由晶硅太阳能电池制造的工艺和材料电阻率决定的，电阻率比较低时的光谱响应峰值大约在0.9um。
图2-2晶硅太阳能电池的相对光谱响应曲线
2.2.2电池前表面反射损失
入射光在晶硅太阳能电池前表面时，只有一部分入射光能被硅片吸收转化，而其余入射光被硅片反射；没有经处理的晶硅太阳能电池通常只能吸收65%左右的入射光，这就意味着大约有三分之一的入射光被硅片反射掉了，这不管从经济效益上看还是从光电转换效率上看，这种情况已经成为降低生产成本和提高转换效率的一个主要障碍。
硅片是晶硅太阳能电池的基本原料，所以硅片的质量对于晶硅太阳能电池的性能具有很重要的影响。一方面，硅片的内部缺陷和杂质会直接影响晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性；另一方面，硅片的外部结构和表面减反射膜也会极大地影响晶硅太阳能电池的转换效率。所以质量好的硅片会提高晶硅太阳能电池对太阳光的吸收，从而减少硅片对太阳光的反射损失。
2.2.3遮挡损失
当太阳光照射晶硅太阳能电池表面时，由于晶硅太阳能电池的前表面被接触发射极的金属栅线电极所遮盖，由此遮蔽一部分太阳光而造成的光学损失称为遮挡损失。
普通晶硅太阳能电池的前表面遮光面积一般在7%左右，这就直接导致有7%的太阳光未被吸收；PERL太阳能电池在钝化膜表面开设了小孔，由于在此形成电极，因而可以减少电极部分的金属和硅的接触面积，所以减少了接触栅线的阴影损失。
2.3电学损失
2.3.1PC1D软件模拟复合损失
摘 要
本文将普通晶硅太阳能电池与高效晶硅太阳能电池的效率作对比，从光学角度和电学角度着手，分析晶硅太阳能电池转换效率低下的原因，主要有光学损失和电学损失两部分,并且总结了光学优化和电学优化的方法和技术措施。光学损失是由于晶硅太阳能电池不能将所有的入射光都吸收而转换成电能。光学上的损失主要包括表面反射损失、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性。光学优化是为了增加晶硅太阳能电池内部的入射光子或光子通量，从而达到提高晶硅电池效率和降低生产成本的目的。光学优化的方法包括：（1）光陷阱结构，（2）减反射膜，（2）激光刻槽埋栅结构。
电学损失包括半导体表面及体内的光生载流子复合以及金属和半导体的接触电阻损失等。文章中采用PC1D仿真软件，通过计算机模拟方法分析各因素对太阳能电池造成的影响以及影响程度。电学优化主要是为了减少载流子的复合中心以及减低载流子的复合速率，从而达到提高晶硅电池效率和降低生产成本的目的。电学优化的方法包括：（1）制备钝化层，（2）增加铝背场，（3）高效晶体硅电池技术。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:晶硅太阳能电池光学损失电学损失
目 录
1. 引言 1
1.1晶硅太阳能电池的产业现状 1
1.2晶硅太阳能电池的目的和意义 1
1.3研究思路和技术方法 1
2. 晶硅太阳能电池的效率分析 3
2.1普通晶硅太阳能电池和高效晶硅太阳能电池的对比 3
2.2光学损失 3
2.2.1光谱的影响 3
2.2.2电池前表面反射损失 4
2.2.3遮挡损失 4
2.3电学损失 5
2.3.1PC1D软件模拟复合损失 5
2.3.2欧姆损失 6
2.3.3PC1D软件模拟串联电阻的损失 7
3. PC1D软件模拟提高晶硅太阳能电池效率 10
3.1PC1D软件模拟光学优化 10
3.1.1PC1D软件模拟减反射膜 10
3.1.2PC1D软件模拟光陷阱结构 12
3.1.3激光刻槽埋栅结构 15
3.2PC1D软件模拟电学优化 15
3.2.1增加钝化层 15
3.2.2PC1D软件模拟铝背场 17
3.2.3高效晶体硅电池技术 19
4. 高效太阳能电池探索 20
4.1高效太阳能电池的研究方向 20
4.2砷化镓太阳能电池 20
4.3叠层太阳能电池 22
4.4聚光太阳能电池 23
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
1. 引言
1.1晶硅太阳能电池的产业现状
经过几十年的努力，我国在晶硅太阳能电池方面取得了可喜的研究成果，2cm*2cm单晶硅高效电池效率达到20.4%，5cm*5cm刻槽埋栅单晶硅电池效率达到18.6%，2cm*2cm多晶硅电池效率达到16%，10cm*10cm多晶硅电池效率达到13%～15%。就目前来说，我国晶硅太阳能电池生产发展迅速，并且呈现爆发式的增长。由于主要设备、技术来自国外，大厂商品质量接近国外产品水品。在市场上，晶硅太阳能电池的需求潜力增大。但是因为原材料瓶颈，严重制约了我国晶硅太阳能电池的发展。而且国内缺乏这方面的技术型人才，更缺少技术更新和创新能力。
现今，世界晶硅太阳能电池的生产呈现几个特点：
（1） 需求旺盛，产业规模迅速扩大；
（2） 原材料瓶颈逐渐显露，太阳能电池成本不但不下降反而明显上升；
（3） 没有大的技术突破，但渐进性技术进步一直在进行；
（4） 电池不断向超大、超薄的方向发展，尺寸200cm*200cm和厚度160um的电池片已经开始工业化生产，100cm*100cm的太阳能电池已被淘汰。
1.2晶硅太阳能电池的目的和意义
针对晶硅太阳能电池转换效率低下的现象，通过从光学角度和电学角度，分析了晶硅太阳能电池转换效率低下的原因，并且总结了光学优化和电学优化的方法和技术措施。利用PC1D软件中的器件模拟，分析各因素对太阳能电池造成的影响以及影响程度，找出能够提高晶硅太阳能电池效率的可行性方法。
现阶段，由于晶硅太阳能电池的转换效率不高，电池通常只能将有效吸收的六分之一的光能转换成电能，导致很大部分的光能未被利用而损失。所以在效率上提高光电转换能力，不仅可以转换更多的电能，而且节省了制造晶硅太阳能电池的成本。此外，制备晶硅太阳能电池的原材料供不应求，导致电池的制造不断提高。所以在生产工艺程序上提高晶硅太阳能电池的质量，间接降低了电池的生产成本。
1.3研究思路和技术方法
到目前为止，晶体硅太阳电池的最高理论转换效率为29%，实验室已经成功实现的最高转换效率为24.7%，但是低成本(丝网印刷工艺)大规模生产的晶硅太阳能电池的转换效率却只有17%左右。由于晶硅太阳能电池的理论转换效率和实际转换效率的较大差距，通过从光学角度和电学角度着手，分析电池效率低下的原因，并且总结了光学优化和电学优化的方法和技术措施。
理论分析改善晶硅太阳能电池的转换效率的方法以及可行途径，从光学角度和电学角度两个方面着手。光学优化的办法包括：（1）制备光陷阱结构，（2）制备减反射膜，（3）激光刻槽埋栅结构；电学优化的办法包括：（1）制备钝化层，（2）增加铝背场，（3）高效晶体硅电池技术。再利用PC1D仿真软件，通过计算机模拟分析各个光学因素和各个电学因素对晶硅太阳能电池造成的影响以及影响程度。
2. 晶硅太阳能电池的效率分析
1
2.1普通晶硅太阳能电池和高效晶硅太阳能电池的对比
从日常接触的晶硅太阳能电池可以看出，普通的晶硅太阳能电池效率比较低。一般，市面上的单晶硅电池效率为17%左右，多晶硅电池效率为16%左右，但是高效晶硅电池效率最高已经达到24.7%，这是由澳大利亚的新南威尔士大学在1994年成功研制的钝化发射极背面局部扩散PERL太阳能电池，如图2-1所示。24.7%的转换效率作为晶体硅太阳能电池的实验室记录一直保持至今。
图2-1 钝化发射极背面局部扩散PERL太阳能电池
PERL太阳能电池相比于普通晶硅太阳能电池的突出特点：（1）使用高品质的P型FZ单晶硅片；(2)在表面制备倒金字塔结构的绒面；(3)背面点接触减小了金属电极和p型基极的冶金界面，用氧化层取代肖特基接触，减小了表面复合；(4) n型发射极的浓磷扩散形成 型接触，p型基极的浓硼扩散形成 型接触；
由普通晶硅太阳能电池和高效晶硅太阳能电池的对比可知，高效晶硅太阳能电池不仅在生产工艺方面提高了电池的质量，更重要的是电池制备了减少反射率的结构以及采用了降低载流子复合的措施。所以可以从光学角度和电学角度得出普通晶硅太阳能电池效率低下的原因。
2.2光学损失
2.2.1光谱的影响
太阳光是由不同频率的光线组成，并非所有频率的光线照射到晶硅太阳能电池上都正好产生电子—空穴对；由于光电效应现象，照射到晶硅太阳能电池上的光子的能量比较小时不能产生电子—空穴对，照射到晶硅太阳能电池上的光子的能量比较大时浪费了多余的能量，这就造成了晶硅太阳能电池对入射光的非吸收损失。
图2-2为晶硅太阳能电池的相对的光谱响应曲线。一般来说，晶硅太阳能电池对于波长小于0.35um的紫外光和波长大于1.15um的红外光是没有反应的，响应的峰值在0.8～0.9um范围内，这是由晶硅太阳能电池制造的工艺和材料电阻率决定的，电阻率比较低时的光谱响应峰值大约在0.9um。
图2-2晶硅太阳能电池的相对光谱响应曲线
2.2.2电池前表面反射损失
入射光在晶硅太阳能电池前表面时，只有一部分入射光能被硅片吸收转化，而其余入射光被硅片反射；没有经处理的晶硅太阳能电池通常只能吸收65%左右的入射光，这就意味着大约有三分之一的入射光被硅片反射掉了，这不管从经济效益上看还是从光电转换效率上看，这种情况已经成为降低生产成本和提高转换效率的一个主要障碍。
硅片是晶硅太阳能电池的基本原料，所以硅片的质量对于晶硅太阳能电池的性能具有很重要的影响。一方面，硅片的内部缺陷和杂质会直接影响晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性；另一方面，硅片的外部结构和表面减反射膜也会极大地影响晶硅太阳能电池的转换效率。所以质量好的硅片会提高晶硅太阳能电池对太阳光的吸收，从而减少硅片对太阳光的反射损失。
2.2.3遮挡损失
当太阳光照射晶硅太阳能电池表面时，由于晶硅太阳能电池的前表面被接触发射极的金属栅线电极所遮盖，由此遮蔽一部分太阳光而造成的光学损失称为遮挡损失。
普通晶硅太阳能电池的前表面遮光面积一般在7%左右，这就直接导致有7%的太阳光未被吸收；PERL太阳能电池在钝化膜表面开设了小孔，由于在此形成电极，因而可以减少电极部分的金属和硅的接触面积，所以减少了接触栅线的阴影损失。
2.3电学损失
2.3.1PC1D软件模拟复合损失
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