硅太阳能电池设计资料(56页)

§ 4AA_基础太阳能电池设计
第二个因素是假设入射光有髙聚光比。并假设温度和电 阻效应对 聚光太阳能电池的影响很小，而光强的增加能适当増 加短路电流，因 为开路电压vDt受短路电流的影响，V%随着光 强呈对数上升。再者，因 为填充因子也随着V%的提髙而提髙， 所以填充因子同样随着光强的增 加而提髙。因光强的增加而额 外上升的V。。和FF使聚光太阳能电池获 得更髙的效率。
§4^ 光学特性 朗伯 背反射层
朗伯背反射层如下图所描述:
顶角等 于临界 角的椎 体内的 光损失 掉了
ihtulkiiiHd l_ltf
入奔光
diiglKineqflLicdol mto*1*h*e■!c*I Hie al jMiglu is lust
小 于 临 界 角 入 射 liaht le^sthjwii ihe crrtical ari tMe
多晶硅制 绒表面的 电子显微 镜照片
§4.2,4 光学特性 电 池厚度
像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得髙转换 效率的必要途径之一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度 和吸收系数。下面的动画展示了硅太阳能电池对光的吸收是如 何随着电池厚度变化的。 对于厚度超过的硅 电池来说， 入射光能量大于禁 带宽度的部分 基本全部被吸收， 总电流的100% 指的是所有能被 硅吸收的光都被 吸收了。当硅 材料厚度为10微米 时，只有 30%的可吸收光被吸收， 损失 的光子用橙色和红色表示。
其中，0/2分别是入射角和折射角，而~为光入 射介质 的折射率，《2光射出介质的折射率，
§4^ 光学特性 光陷阱
对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射 的角度 (即折射角)：O2=sin~} (n.sin^ / n2)
对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的 存在而 使得角度h等于36"，如下图所示
A photon
an
eBaclrcn hole pair In lhe
參• f ， 參■
o
□
o
°
Q
o
• •-参• •
o 3^
。
o
°
O
□o
24
§4.32减少复合效应 复合引起的电流损失
为了让结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和 体复合都要 尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样 的效果，所需条件 为： •载流子必须在与结距离小于扩散长度的区域产生，才能 扩散到结并被 收集。 •对于局部髙复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶 界），光 生载流子与结的距离必须小于与髙复合区域的 距离。相反，在局部低 复合区域（比如钝化的表面），光生 载流子可以与低复合区域距离更 近些，因为它依然能扩散到 结井被收集，而不会复合《
escapes f rom I he cci
的光逃出电池
Ughi 15 totally iriier naitf r efiecied
光被全 and trapped m<SNlethe modulie 反射并 围困在 电池内
电池底部的随机散射
§4.3.1 减少复合效应 复合损耗
复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注 入电流
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§4^2 光学特性 减反射膜
尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率 膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每 一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏应
用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为 的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量
最接近太阳光谱能量的峰值。 如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范
围将非常宽，但是，对于多数商业太阳能电池来讲， 这样 的成本通常太髙。
§4^2 光学特性 减反射膜
O0.4
O.di
(LB
1.0
Wmrifl w r*oth 4|wri>
Comparison of surface reflection from a silicon solar cell,
with and without a typical anti-reflection coating.
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§4^ 光学特性 光陷阱
通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子 在电池 内运动的角度，便能达到光陷阱的效果。一 个经过制绒的 表面不仅能像前面所讲的那样减少反 射，还能使光斜着入 射电池，因此光的路径长度比 厚度大。光入射到半导体的 折射角度可以通过折射 定律求得：
理论值与实际测量值之间的差距主要来自两个方面因素。 首先， 在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能 量都被充分利用 了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽 度与其能量相等的材料吸 收了。为了获得这种理论效果，人 们想出一种由无限多层材料禁带宽 度不同的电池叠加在一起 的模型，每一层都只吸收能量与其禁带宽度 相等的光子。
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§4^ 光学特性 光陷阱
最佳的电池厚度并不单单是由吸收所有的光这一需要决 定的。 例如，如果光在与pn结距离小于扩散长度的区域被吸 收，但产生的 载流子却被复合了。此外，就像复合引起的电 压损失一节所讲那样， 如果电池的厚度变薄但是吸收的光线 不变，开路电压将比厚电池的大。 经过结构优化的太阳电池 通常拥有比电池实际厚度长几倍的光路径长 度，所谓电池光 路径长度是指没被吸收的光在射出电池前在电池内所 走的距 离。通常称它为器件厚度。举例说，一个没有光陷阱结构的 电池，它的光路径长度可能只相当于电池实际厚度，而经过 光陷阱结 构优化的电池的路径长度能达到厚度的SO倍，这意 味着光线能在电 池内来回反弹许多遍。
使穿入电池的光成倍増 加，因此厚度很
薄的电池也能拥有 很长的光路径长度。
§4^ 光学特性 朗伯 背反射层
朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的 方向 随机化。电池背反射层的髙反射率减小了背电极对光的 吸收和光穿 出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的 随机化使得许多反 射光都被全反射回去。有些被反射回电池 顶端表面的光与表面的角 度大于临界角，则又再次被全反射 回电池内。这样一来，光被吸收 的机会就大大增加了，因为 光的路径长度能达到4//2，为半导体的折 射率（Yablonovitch and Cody, 1982》。使光的路径长度长达电池厚度 的SO倍，因 此这是一个十分有效的围困光线的技术.
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Efficiency oFsilicon solar relis (%)
4
o
1940 1950
Kill ~
1960 1970 1980 1®0 2000
硅太阳能电池效率的演变
§ 4AA_基础太阳能电池设计
理论上，光伏电池的最髙转换效率能达到90%以上。然 而，这一 数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实 际上很难或根本不 可能达到，至少在现今人类的科技水平和 对器件物理的理解上很难达 到。对于硅太阳能电池来说，其 在一个太阳照射下，比较实际的理论 最髙效率值大约为26%-28%.现今实验室测得的硅太阳能电池的最髙效 率为24.7%。
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§4.2.2 光学特性 减反射膜
似）破坏 性 干涉导 致 反射光 为
«1C9 «□
建设性 干涉导致 所有的光 都被反射
所有光 传入半 导体
没有光 传入半 导体
n_ lightiransmiflcd HID seme MKhiE tar
使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。
了一个这样的金字塔结构，而紧接着的是用电子显微镜拍摄的 硅表面制绒。这种制绒方式叫“随机型金字塔”制绒，通常在 单晶硅电池制造上使用。 右 图便是组成晶硅太 阳能电池 制绒表面的金 字塔结构。
单晶招t制
§4,23 光学特性 表面制绒
另一种表面制绒方式叫“倒金字塔型”制绒。这种制绒 方法是往硅表 面下面刻蚀，而不是从表面往上刻蚀，如图所
为获得最髙效率，在设计单节太阳能电池时，应注意几项 原则：
1. 提髙能被电池吸收并生产载流子的光的数量。 2. 提髙pn结收集光生载流子的能力。 3. 尽量减小黑暗前置电流。 4. 提取不受电阻损耗的电流。
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§4・2.1 光学特性 光的损耗
光的损耗主要以降低短 路电流 的方式影响太阳能电 池的功率。被
第四章: 硅太阳能电池的设计
§4.1基础太阳能 电 池设计 §4.2光学设 计 §4.3复合效应的 降低 §4.4电阻损耗 §4.5 太阳能电池 的结构
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§ 4AA_基础太阳能电池设计
太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数以 使转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件。这 些条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如， 如果用 于商业，即以生产最具价格优势的电池为目标， 则需要着重 考虑制造电池的成本问题。然而，如果只 是用于以获得髙转 换效率为目标的实验研究，则主要 考虑的便是最高效率而不 是成本。
•尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能 导致串联 电阻的増加）。这一点在串联电阻一节中有详细 讨论。
•在电池上表面加减反射膜 •表面制绒 •増加电池的厚度以提髙吸收（尽管任何在与pn结的距离大 于扩散长
度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短 路电流没有贡献） •通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度
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§4.2.2 光学特性 减反射膜
加在太阳能电池上表面的减反射膜与在其他 光学器件 （如相机镜头）上的膜相似。它们包含
了一层很薄的介电材料层， 膜的厚度经过特殊设 计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体 表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光 与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的 光强为零。除了减反射膜，干涉效应还能在水面 上的油 膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。
里晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片
§4^23 光学特性 表面制绒
刻蚀多晶硅表面时，上面讲到的两种方法都不能使用, 因为只有在由＜iii＞晶体表面构成的表面才能完成有效的形 态。而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有＜iii＞方向。 但是多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用 切割锯或激光把表面切割成相应的形状，
（即开路电压）的损失。人们通常依据发生在电池内的 区域不同来对
复合进行分类。一般来说，发生在电池表面（表 面复合〉和电池体内
（体复合）的复合是主要的复合形式。而 耗尽区则是另外一个会发生
复合的区域。
Click IO COfltlnUfl
c/ Photon genean Hetron pair r>Dar
§4^2 光学特性 减反射膜
减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光波 长的 四分之一。计算过程如下，对于折射率为~的薄 膜材料，入 射光真空中的波长为入则使反射最小 化的薄膜厚度为
＜二入 0/ (4'")
如果减反射膜的折射率为膜两垃的材料的折射率 的几何平均数，反射将被进一步降低。即
= y/n0n2
§4^23 光学特性 表面制绒
在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使 用， 都能达到减小反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增 加光反弹回 表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小
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§4^23 光学特性 表面制绒
表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面 刻蚀便能达到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的 话，硅 表面的晶体结构将变成由金字塔构成的表面。下图画出
光在经制绒的太阴能学特性 光陷阱
如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将
有可能发生全反射。此时的入射角为临界角，在上面的方程
中，设02为0,得：
0, =sin N L ni > 利
用全内反射，可以把光困在 电池内面，
Frortt and r« ar surface teMturlng can trap light for multiple passes 1 to total internal r eflectlon.
被顶端
损耗的光包括 本来有能力在电池中 电 极 所 \ 产生电 子空穴对，但是被电池表面 阻挡 反射走的光线，对于大多数 太阳能 电池来说，所有的可 见光都能产生 电子空穴对， 因此它们都能被很好 地吸收。
被电池的背面反射
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§4・2.1 光学特性 光的损耗
有很多减少光损失的方法：