第七章 硅太阳能电池的设计讲解
晶体硅太阳能电池结构及原理通用课件
行业政策与市场趋势的挑战与机遇
环保政策
随着全球对环境保护意识的增强，各国政府出台了一 系列的环保政策，对晶体硅太阳能电池的生产和应用 提出了更高的要求，但同时也为环保型、高效能的晶 体硅太阳能电池提供了市场机遇。
市场竞争
晶体硅太阳能电池市场竞争激烈，各国企业都在加大 研发和生产力度，提高产品质量和降低成本，以争取 更大市场份额，企业需要保持技术创新和市场敏锐度， 才能立于不败之地。
分类
太阳能电池主要分为硅基太阳能电池、 薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电 池等几大类，其中晶体硅太阳能电池 是硅基太阳能电池的一种。
晶体硅太阳能电池的应用与优势
应用
晶体硅太阳能电池广泛应用于光伏电站、太阳能热水器、太阳能灯具、太阳能 船、太阳能车等方面。
优势
晶体硅太阳能电池具有稳定性好、寿命长、转换效率高等优点，同时，由于其 在制造过程中技术成熟、成本逐渐降低，因此大规模应用较为广泛。
太阳能光伏电站案例分析
光伏电站类型
根据电站规模和应用场景，太阳能光伏电站可分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。集中式光伏电 站通常建设在荒漠、戈壁等土地资源丰富地区，而分布式光伏电站则主要建设在建筑屋顶、墙面等闲 置空间。
案例分析
以某大型集中式光伏电站为例，介绍晶体硅太阳能电池在其中的应用，包括电池组件选型、电站布局 设计、发电效率分析等方面。
太阳能交通工具概述
简要介绍太阳能汽车、太阳能船舶、太阳能 飞机等太阳能交通工具的发展现状及趋势。
晶体硅太阳能电池在太阳 能交通工具中的应用
阐述晶体硅太阳能电池在太阳能交通工具中 的关键技术，如高效能量存储系统、轻量化 设计等，并分析其在提高交通工具续航里程、 降低能耗等方面的作用。同时，探讨晶体硅 太阳能电池在未来太阳能交通工具领域的潜
《单晶硅太阳能电池》课件
单晶硅太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池由多个层次组成，包括正极、负极、PN结和电流收集器等。这些组成部分相互配合，实现 了太阳能转化为电能的过程。
单晶硅太阳能电池的工作原理
单晶硅太阳能电池基于光伏效应，通过光线照射激发硅晶体内的电子，形成 电流。光电池和电流收集器将产生的电流导出，供电给外部设备。
单晶硅太阳能电池的优点
1 高转换效率
单晶硅太阳能电池具有较高的转换效率，能 够更有效地将太阳能转化为电能。
2 稳定可靠
相比其他材料制造的太阳能电池，单晶硅太 阳能电池具有更高的稳定性和可靠性。
3 长寿命
由于单晶硅太阳能电池的制造工艺和材料质 量较高，其使用寿命一般可达20年以上。
4 可持续发展
单晶硅太阳能电池利用太阳能作为能源，属 于可再生能源，对环境影响较小，有助于可 持续发展。
单晶硅太阳能电池的未来发展
1
发展历程
单晶硅太阳能电池经历了不断的发展过程，技术不断改进，效率和成本逐渐提升。
2
未来趋势
未来，单晶硅太阳能电池有望进一步提高转换效率、降低成本，并在更广泛的领域应用，为 硅太阳能电池的特点、结构、工作原理、应用 和未来发展。它具有高效转换、稳定可靠、可持续发展等优点，在太阳能领 域发挥着重要作用，并有着广阔的发展前景。
《单晶硅太阳能电池》 PPT课件
欢迎来到《单晶硅太阳能电池》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨单晶 硅太阳能电池的特点、结构、工作原理、应用和未来发展。让我们一起来了 解这项令人兴奋的技术吧！
什么是单晶硅太阳能电池？
单晶硅太阳能电池是一种利用单晶硅材料制造的太阳能电池。它具有高效转 换、稳定可靠和长寿命等特点，是目前应用最广泛的太阳能电池类型之一。
硅基太阳能电池设计(课程设计)
微电子课程设计硅太阳能电池结构设计与参数提取第二章选题及要求2.1课题名称与背景课题名称：硅太阳电池结构设计与参数提取课题背景：1、太阳能利用太阳能是一种新型能源，具有无污染、可再生的特点。
太阳能电池/光伏电池（Solar Cells）是一种将太阳能转化为电能的元器件，其基本结构是PN结。
硅太阳电池因工艺成熟、成本低廉而占据全球光伏产业80%以上的份额。
图2.1 太阳能光谱图2、光伏效应太阳能电池的基本结构是半导体PN结，当存在光照时，光子被吸收而产生光生载流子，光生载流子发生扩散而在PN结中形成与内建电厂相反的光生电场。
称为光生伏特效应。
3、等效电路与负载特性在光照下，太阳电池的基本结构的等效电路如图2.2所示图2.2 等效电路电流公式为s 0()=exp(1)s ph sh q V IR V IR I I I nkT R ++---其中n 为二极管理想因子，s R 为串联电阻，sh R 为旁路电阻。
其负载特性曲线如图2.3所示图2.3 负载特性曲线定义FF 为填充因子，oc V 为开路电压，sc I 为短路电流，其中max .oc sc P FF V I =即两矩形面积之比，..oc sc inV I FF P η=2.2 课题内容（1）太阳电池结构设计：利用太阳能电池基础知识，完成电池PN结衬底、结深、掺杂浓度的设计，以及电极材料选择、电极宽度设计；（2）太阳电池虚拟制造：利用现代TCAD工艺仿真软件对太阳电池进行工艺仿真和虚拟制造，显示制造结果，并保存电池结构以进行下一步操作；（3）太阳电池性能仿真：利用现代TCAD工艺仿真软件对步骤2中的电池进行响应特性、负载特性等器件性能仿真，并与设计指标进行比对；（4）太阳电池参数提取：通过参考书和参考文献调研等方式，根据太阳电池等效电路模型，设计和编写响应的软件程序，从步骤3输出的负载特性曲线中提取电池性质参数，包括理想因子n，串联电阻Rs和旁路电阻Rsh；（5）太阳电池优化设计：若所设计电池的能量转换效率等指标未达到设计要求，则进一步根据步骤4获得的性质参数，分析改进电池的设计方案，并重复步骤1~4，直至电池开路电压、短路电流和能量转换效率达到设计的指标要求。
硅太阳能电池研究_7
第七章 硅片参数对光电流密度的影响根据第二章的方程（2.34）可以知道，硅太阳电池的效率可以表示为：inSC OC in mP mP P FF I V P I V ==η 其中，开路电压V oc 可以表示为（见第二章公式2.32）：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=1ln O L OC I I q kT V 受照明的硅太阳电池被短路时，p-n 结处于零偏压，这时，短路电流密度J sc 等于光电流密度J L ，即J sc =J L 。
填充因数FF 可以表示为（见第二章公式2.33）：SCOC mP mP I V I V FF = 所以，硅太阳电池效率还可以表示为：inL O L mp mp L O L P I I I q kT I V I I I q kT ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=ln 1ln η （7.1） 因为k 是波尔兹曼常数，q 是电子电荷，考虑到输出功率V m P m ，温度T ，饱和电流I o 和入射光功率P in 一定时，由上面的公式可以看出，无论是开路电压，还是效率，都可以由光电流I L 来决定，而I L 的大小又是受到硅片的参数控制。
所以，本章主要对硅片的器件参数进行模拟实验，研究在单色光照射下，这些参数对光电流密度的影响。
§7.1 单色光的光电流计算对于给定波长来说，N/P 型硅太阳电池的光电流密度J L 可以表示为：J L =J P +J N +J dr （7.2）J P 是在结边界处单位光谱频带宽度的空穴电流密度[11]：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+×⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=)exp(cosh sinh sinh cosh )exp(cosh sinh )1()1(22j P P j P j P P P P j P j P P P j P j P j P P P P P P P P P P x L L L D L S L x L x D L S x L x L x D L S L D L S L L R qF J αααααα （7.3） q —电子电荷F —给定波长的太阳光光子流密度R —给定波长时，硅太阳电池表面的反射系数α —给定波长和温度时，硅片的吸收系数S P —N 区空穴的表面复合速度D p —N 区空穴扩散系数τP —N 区空穴寿命L P —N 区空穴扩散长度，P P P D L τ=x j —扩散层的厚度J N 是在结边界处单位光谱频带宽度的电子电流密度[11]：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+−+++⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−×+−−−=N N N N N N N N N N N N N N N N N j N N N L HL H D L S H L L H L H L H D L S H L H D L S L W x L L R qF J ''''''''22cosh sinh )exp(sinh cosh sinh )exp(cosh )](exp[1)1(ααααααα (7.4) q —电子电荷F —给定波长的太阳光光子流密度R —给定波长时，硅太阳电池表面的反射系数α —给定波长和温度时，硅片的吸收系数S N —P 区电子的表面复合速度D N —P 区电子的扩散系数τN —P 区电子寿命L N —P 区电子扩散长度，N N N D L τ=W —耗尽层厚度x j —扩散层的厚度H ' —硅片基区厚度，它等于硅片厚度H 减去扩散层厚度x j 和耗尽层厚度W ，H' = H − (x j +W)J dr 是耗尽层的光电流密度[11]：)]exp(1)[exp()1(W x R qF J j dr αα−−−−= （7.5）q —电子电荷F —给定波长的太阳光光子流密度R —给定波长时，硅太阳电池表面的反射系数α —给定波长和温度时，硅片的吸收系数W —耗尽层厚度x j —扩散层的厚度如果硅太阳电池的结构为P/N 型，那么只要将公式（7.3）中L P 、D P 、τP 、S P 的和（7.4）中的L N 、D N 、τN 、S N 互换，就可获得与N/P 电池相应的表示式。
晶体硅太阳能电池基本原理.45页PPT
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇体硅太阳能电池基本原理.
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
第七章 硅的理化性质 硅片的制备
第七章硅的理化性质，纯硅和硅片的制备7.1概述早在1876年，英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发现：当用太阳能照射硒半导体时，如同伏特电池一样，会产生电流，称为光生伏特电。
但是，硒产生的光电效应很弱，到20世纪中期转化率只有1%左右。
1954年，美国贝尔实验室的Chapin等研制出世界上第一块真正意义上的硅太阳电池，光电转化率达到6%左右，又很快达到10%，从此拉开了现代太阳能光伏的研究、开发和应用的序幕。
几乎同时，CuS/CdS异质结电池也被开发，称为薄膜太阳电池研究的基础。
到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料基础上，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用晶体硅制造的，其中单晶硅太阳电池是最早被研究和利用的。
但是由于生产成本较昂贵，至20世纪70年代铸造多晶硅发明以来，由于价格较便宜，迅速挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料。
目前，国际太阳电池材料电池市场中，单晶硅和多晶硅约占市场的80%以上。
7.1.1硅的理化性质（1）物理性质硅有晶态和无定形态两种同素异形体。
晶态硅根据原子排列不同分为单晶硅和多晶硅，它们均有金刚石晶格，属于原子晶体，晶体硬而脆，抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力下，产生滑移位错，形成塑性变形。
硅材料还具有一些特殊的物理化学性质，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。
硅具有良好的半导体性质，其本征载流子浓度为1.5×1010个/cm3，本征电阻率为1.5×1010Ω·cm，电子迁移率为1350cm2/(V·s)，空穴迁移率为480cm2/（V·s）。
作为半导体材料，硅具有典型的半导体材料的电学性质。
①电阻率特性硅材料的电阻率在10-5~1010Ω·cm之间，介于导体和绝缘体之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征半导体，电阻率在10Ω·cm以上。
晶体硅太阳能电池结构及原理 ppt课件
3.2.3 背面场
• 如果太阳电池的厚度超过100um，由于背表面的复合作用不明显，因 而没有必要利用BSF结构，但对于薄膜电池，BSF效果就非常明显了。
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3.3.4 紫电池
• 紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面（受光面）由于载流 子的复合而使效率减的电池。 紫电池采用很浅的扩散结，避免 “死层”的形成
•
19
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
•
20
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
• 单晶硅太阳能电池在不同入射角与不同防反射材质条件下的光反射率：
21
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
• 上电极
上电极的作用是将移动至表面的电子/空穴取出，以形成外部电流， 提供给外部负载。由于电极与硅材料接触，为了降低串联电阻，电 极与硅材料必须是良好的欧姆接触，既是电压与电流的线性关系。
• 电极图形设计：设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面： 使电池的串联电阻尽可能小，电池的光照作用面积尽可能大。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
1. 电极材料的选择 (1) 能与 硅形成牢固的接触; (2) 这种接触应是欧姆接触，接触电阻小； (3) 有优良的导电性； (4) 纯度适当； (5) 化学稳定性好； (6) 容易被钨、钽、钼制成的电阻加热器蒸发； (7) 容易焊接，一般都要求能被锡焊； (8) 价格较低。
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3.3.4 紫电池
• 紫外光电池的浅结也会带来两个新问题： 采用浅结会提高表面薄层扩散电阻R，必然使电池的串联电阻Rs增大，
加大功率损失。所以用“密栅”措施进行补救。 应选择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合，才能有效地提高短波光
谱响应。例如：用SiO2膜作减反膜，则它对0.4μm以下波长的光有较 大的吸收，而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。若改用Ta2O5 膜或用ZnS/MgF双层减反膜，都可以得到较好的结果 • 因而与常规电池相比，紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层” 薄的特征（如前图(b)所示），这种电池对短波长的光有特别高的灵敏 度。
晶体硅太阳能电池基本原理课件
05 晶体硅太阳能电池的制造 工艺
硅片的制备
硅片是晶体硅太阳能电池的基础材料，其质量对电池性能有着至关重要的影响。
硅片的制备通常采用多晶硅作为原料，通过一系列的物理或化学方法，如机械切割、研磨、 抛光等，得到具有特定厚度和表面质量的硅片。
硅片的厚度和表面粗糙度对太阳能电池的光吸收和电性能具有重要影响，因此制备过程中需 严格控制相关参数。
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03 晶体硅太阳能电池的材料 与结构
单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是以高纯度的单晶硅棒为原料，经过切割 、研磨、腐蚀、抛光、清洗、烘烤等工序后制成。其结构通 常包括导电电极、P型硅片、N型硅片、PN结等部分。
单晶硅太阳能电池的效率较高，技术成熟，是目前应用最广 泛的太阳能电池之一。
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池是以多晶硅材料为原料，经过铸锭、切片、清洗、制绒、扩散 、减反射膜制备、金属化等工序后制成。其结构与单晶硅太阳能电池类似，但多 晶硅材料内部晶粒大小和分布不均匀，导致其光电转换效率相对较低。
多晶硅太阳能电池成本较低，适合大规模生产，因此在光伏发电领域应用广泛。
薄膜硅太阳能电池
薄膜硅太阳能电池具有成本低、重量轻、可弯曲等特 点，因此在便携式设备、建筑一体化等领域具有广阔 的应用前景。
02 晶体硅太阳能电池的工作 原理
光吸收原理
晶体硅太阳能电池通过光吸收原理将太阳光转化为电能。当太阳光照射到电池表面 时，光子能量激发硅原子中的电子，产生光生载流子。
光吸收系数与入射光的波长有关，不同波长的光子具有不同的能量，能够激发不同 能级的电子。
光吸收系数随着硅材料中掺杂浓度的增加而减小，因此高掺杂浓度的硅材料具有更 好的光吸收性能。
硅基太阳能电池的结构设计与制备研究
硅基太阳能电池的结构设计与制备研究第一章：绪论随着全球能源危机的加剧和环保意识的抬高，太阳能电池作为一种绿色可再生能源得到越来越多的关注和研究。
而硅基太阳能电池作为当前最主流的太阳能电池形式，具有光电转换效率高、稳定性好、成本低等优点，在未来的能源领域具有广泛的应用前景。
本文将从硅基太阳能电池的结构设计和制备研究两个角度进行分析和探讨。
第二章：硅基太阳能电池的结构设计硅基太阳能电池的结构设计主要涉及三个方面，即：反射层的设计、p-n结构的设计和窗口层的设计。
2.1 反射层的设计反射层的设计是为了避免太阳光照射到电池表面时的反射和散射，提高光吸收效率。
常见的反射层材料有金属、金属化合物和光学材料等。
通过对反射层厚度、反射率、材料选择等的优化设计，可以有效地提高太阳能电池的光电转换效率。
2.2 p-n结构的设计p-n结构是硅基太阳能电池的重要组成部分，是实现太阳能光电转换的关键。
p-n结构的设计中，需要考虑pn结的大小、杂质掺杂浓度、加工工艺等因素。
通过对硅基太阳能电池的p-n结结构进行优化设计，可以有效地提高太阳能电池的电能转换效率。
2.3 窗口层的设计窗口层是硅基太阳能电池的另一重要组成部分，是保护p-n结的一个透明材料层。
窗口层的选择和设计需要考虑以下因素：透明性、稳定性、对太阳光谱的响应等。
同时，选择不同材料和厚度的窗口层，也可以实现硅基太阳能电池在不同波长范围内的能量吸收和转化。
第三章：硅基太阳能电池的制备研究硅基太阳能电池的制备是一个复杂和严格的过程，需要进行多钟工艺的设计和精细控制。
在本章中，将从材料的选择、硅基膜的生长和电池的加工三个方面进行阐述。
3.1 材料选择硅基太阳能电池的关键组成部分是p-n结，其制备需要不同掺杂浓度的硅基材料。
目前热门的硅基材料有单晶硅、多晶硅、微晶硅等。
不同材料的选择对太阳能电池的电性、稳定性等性能有着直接的影响。
3.2 硅基膜的生长硅基膜的生长是制备硅基太阳能电池的关键一步。
晶体硅太阳能电池的基本原理共43页PPT
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晶体硅太阳能电池的基本原理
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
太阳能电池的原理与设计
太阳能电池的原理与设计太阳能电池是一种通过将太阳能转换成电能的设备，而它的原理就是能量转化。
太阳能电池的设计则是为了充分利用能量转化这一原理，从而获得最佳转化效率与稳定性。
太阳能电池的原理太阳能电池采用的是光伏效应，也就是将太阳能转化为电能的一种方式。
当光照射在太阳能电池上时，光子被太阳能电池中的材料所吸收，这个材料就是半导体硅（Si）。
光子的能量会激发硅晶体中的电子，将其释放出来，在这个过程中，会制造出一个空位，这就形成了一个电子和空穴对。
在材料内部，所有的空穴与电子是有电荷的，如果这两种粒子靠近了，它们就会相互结合，释放出能量，这个能量就是电能，产生微弱的电流。
这样，太阳能电池就将光能转化为电能，使我们能够使用太阳能。
太阳能电池的设计太阳能电池的设计有许多方面需要考虑。
首先，太阳能电池需要选择合适的材料。
目前太阳能电池使用最多的材料是半导体硅，因为硅是一种稳定、效率高、成本低廉的材料。
其次，太阳能电池的设计需要考虑材料的精度和纯度。
太阳能电池需要采用高纯度的硅材料，在制作过程中还需要对硅进行精细晶格控制，以确保电池效率的最大化。
同时，太阳能电池的结构需要具备一定的特征，例如：控制吸收光子的深度、设计透明的电极以确保尽量多的光子被吸收等等。
另外，太阳能电池的设计还需要考虑电池的总体性能。
例如：可以设计太阳能电池阵列以提高电压和电流，还可以结合电池逆变器实现太阳能电能的有效利用。
同时，太阳能电池的尺寸和形状也是需要考虑的重要因素，它们可以影响电池的输出电量和效率。
总的来说，太阳能电池的设计需要共同考虑的因素包括材料、精度、结构和性能等多个方面。
对于太阳能电池来说，设计的合理性可以直接影响电池的效率和稳定性，影响到太阳能电池的应用。
随着新技术的不断涌现，太阳能电池的设计也在不断进化，可以预见，未来将会有更加先进的设计和更高效的太阳能电池问世。
太阳能电池硅工作原理62ppt课件PPT39页
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
－ － －－
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
一个能级也表示电子的一种运动状态
一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结 构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要 的作用。
习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个 外层电子就称它为几价。
硅（Si）是第四族元素，称为４价元素； 硼（B）、铝、镓、铟为３价元素； 氮、磷（P）、砷为５价元素。
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4
空穴
+4
电子空穴对
可见本征激发同时产生
电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
硅太阳能电池的设计课件PPT
2021/4/14
应用光伏学
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§ 2.3 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 反射的效果。
2021/4/14
应用光伏学
13
§ 2.3 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 了一个这样的金字塔结构，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。
短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光 强呈对数上升。再者，因为填充因子也随着VOC的提高而提高， 所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额
外上升的VOC和FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。
为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，应注意几项 原则：
1. 提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。
为了让pn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pn结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩 散到pn结并被收集。 对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶 界），光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距 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pn 结并被收集，而不会复合。
2021/4/14
应用光伏学
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§ 2.5 光学特性 光陷阱
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7.4.1 死层
25
为提高收集几率，需降低结深t
s
1
qe NDt
20世纪60年 代的电池中，
t为0.5μm
为降低表面横向电阻带来的功率损
耗，就要降低ρs ，所以t不能无限制降
低，需要提高掺杂浓度ND。
死层
26
磷(P)扩散到硅内，固定扩散温度 下，随着扩散时间的增加：
7.1.3 顶层的横向电阻（薄层电阻）
15
体电流：电池体内电流方向 一般垂直于电池的表面。
横向电流：电池表面的栅状 电极引出电流时，电流须横 向流过电池材料的顶层。
对于均匀掺杂的n型层，其电
阻率为：
1
横向电阻： qe ND
结深t 掺杂ND
横向电阻ρs
横向电阻ρs
s
1
qe NDt
，t为n型层的厚度（结深），单位
•如果体电流刚好从电池内部流到电极附近，路程 短，电阻较小，电流较大。
•如果电流流到两个栅条正中间，则电阻刚好等于 两个栅条距离的一半，电流为零。
横向电阻带来的功率损耗
18
最大功率为VmpJmpbS/2，相对功率损耗p失为：
p失
Ploss Pmp
s S 2 Jmp
12Vmp
当p失上限确定
S2
2.随着离耗尽区边缘的距离增加，收集几率呈指数衰减，其 收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度 的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。
3.如果载流子是在靠近电池表面区域产生，表面区域复合 率较高，载流子极易被复合，收集几率几乎为零。
钝化处理
8
要降低表面区域的高复合率，可在表面镀上钝化层（通常 为二氧化硅SiO2），中和硅表面的悬挂键。
副栅线带来的功率损失
35
副栅线带来的功率损失
=发射电极损耗+遮光损耗+横向电阻损耗+接触电阻损
耗
Prf +Pcf Psf Ptl
1 m
B2
smf
J mp Vmp
S WF
c
J mp Vmp
S WF
WF S
s S 2 Jmp
12Vmp
最佳主栅线宽度： 功率损失最小值：
S 0
处理后的收集几率
10
钝化处理提高了电池表面的收集几率; 背面场提高了背电极处的光生载流子收集几率; 两者最终增加了短路电流Isc。
7.1.2 结 深
11
假设减少的光能量全部用来产生电子-空穴对，那么对光
强公式进行微分可以得到半导体中任何一个电子-空穴对的
产生率G：
G N0e x ,
产生率表示单位体积单位时间产生的电子-空穴对数目，单 位为m-3s-1。
Prb +Psb
1 m
A2 Bsmb
J mp Vmp
1 WB
WB B
将上式对WB求导，当导数为零时，得到最佳主栅线宽度：
WB AB
smb J mp
m Vmp
及功率损失最小值： prb psb min 2 A
smb J mp
m Vmp
当用逐渐变细（锥形）的主栅线（m=4）代替等宽度的 主栅线（m=3）时，功率损失大约降低13%。
7.3 背面场(Back Surface Field)
23
在电池背面场（重掺杂区P++） 收集几率增加，使得短路电流Isc增加。
随着掺杂浓度NA减小，Voc几乎保持不变，Isc增加，所 以最大转换效率η对应了较低的掺杂浓度NA 。
7.4 顶层的限制
24
7.4.1 死层 7.4.2 高掺杂效应 7.4.3 对饱和电流密度的影响
•在硅内的磷浓度增加；
•硅表面磷的浓度达到饱和（上限） ，上限值等于该温度下磷在硅内的 固溶度。
过量的掺杂使的少数载流 子寿命显著降低
表面区域附近的收集几率 降为零，出现死层。
死层的解决方法
27
对金属电极的下面部分进行重掺杂，而表层的其余部分杂质则需控
制在一个平衡值。
存在接触电阻
7.4.2 高掺杂效应
硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，金属电极区域不 能钝化，所以在表面电极下面重掺杂n++，以减小表面复合 的影响。
背面场（Back Surface Field）
9
金属电极和半导体之间的界面一般也是高复合速度区。
在电池背面，P区下方掺杂更多III族元素，形成重掺杂 区P++，可以降低表面的复合速度。
• 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。但成本通常太高。
快速判断膜层厚度的方法
39
用Si3N4制成的减反膜
7.6.2 绒面
40
在硅表面制绒，可以增加光束入射到硅表面的次数， 从而减小反射。
单晶硅绒面的刻蚀
41
D
C
A
c b G O a E
F
一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面<111>刻蚀便能达到制 绒效果。
为Ω/□ (ohms/square) 。
体电阻
通常，光生电流从电池体内垂直 移动到电池表面，然后横向穿过重 掺杂表面，直到被顶端电极收集。
定义电池的体电阻为： Rb=ρbw/A
式中ρb为电池的体电阻率，A为电池面 积，w为电池主体区域的宽度。
横向电阻引起的电流变化
17
横向电流
电流流动的距离不相等。
单晶硅绒面的刻蚀
42
另一种表面制绒方法：
D
C
A
c b G
F
O a E
多晶硅绒面的制备
43
多晶硅表面制绒不能用刻蚀的方法，因为多晶硅表面上， 只有一小部分面积才有<111>方向。
多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术。
44
7.7 光谱响应
45
量子效率
量子效率ηQ为每个入射的单色光光子在外部短接 电路上所产生的流动电子数。
1
第七章 硅太阳能电池的设计
南京理工大学 材料科学与工程学院
内容:讨论太阳能电池的设计细节
2
7.1主要考量 7.2 衬底的掺杂 7.3 背面场 7.4 顶层的限制 7.5 上电极的设计 7.6 光学设计 7.7 光谱响应
2
7.1 主要考量
3
7.1.1 光生载流子的收集几率 7.1.2 结深 7.1.3 顶层的横向电阻
电池表面的产 生率最高
当入射光谱为AM1.5时，Si材料内的产生率G。
pn结的深度
12
电池表面的收 集几率较低
结尽可能靠近电池表面，以获得较大的短路电流。
太阳能电池的设计要素
13
•吸收最大化 •复合最小化 •降低寄生电阻的影响
串联电阻
并联电阻和串联电阻都会降低电池的填充因子和效率。 •有害的低并联电阻是一种制造缺陷，而不是参数设计的问题。 •串联电阻由顶端电极电阻和发射区电阻组成，必须对电极进 行设计和优化。
12Vmp
s Jmp
p失
式中S表示栅极间隔，b表示栅条的长度。
为控制功率损耗p，当ρs较大时，S应设计的较小，反之亦然。
例题 P94
栅极间隔S的确定
19
结深t
s
1
qe NDt
横向电阻ρs
掺杂ND
横向电阻ρs
S2
12Vmp
s Jmp
p失
为控制功率损耗p，当ρs较大时，S应设计的较小，反之亦然。
发射电极电阻损耗
金属层薄层电阻
发射电极电阻损耗比率：
副栅线 主栅线
Prf
1 m
B2 smf
Jmp S Vmp WF
Prb
1 m
A2 Bsmb
J mp Vmp
1 WB
A
WF 、 WB 为 单 元 电 池 副 栅 线 和
主栅线的平均宽度。
当电极线性变细时，m=4。
B 副栅线
当电极宽度均匀时，m=3。
： •
当 d1
0
4n1
时，反射率有最小值
Rmin
n12 n12
n0n2 n0n2
2
• 当 n1 n0n2 时，反射率R=0。
针对某一特定波长的光，选用相应厚度、折射率膜，能 使反射的光减少到零。
减反射膜
38
每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。
• 设计薄膜的厚度和反射率，使波长为0.6μm的光的反射率 达到最小。因为太阳光谱能量的峰值出现在0.6μm附近。
28
电池表面的高掺杂将导致：
•少数载流子的寿命较低； •半导体的禁带宽度变窄，影响了本征浓度ni的有效值。
7.4.3 对饱和电流密度的影响
掺杂浓度NA、ND
饱和电流I0
29
开路电压Voc
高掺杂效应的存在
ND不能无限制增加 开路电压达到上限
7.5 上电极的设计
30
与上电极有关的功率损失机制： • 电池顶部横向电流引起的损耗； • 各金属线的串联电阻（发射电极电阻）以及这些金 属线与半导体之间的接触电阻引起的损耗； • 电池被金属栅线屏蔽所引起的损失。
光谱响应
46
电池的光谱响应，是指每单位入射单色光功率的 短路输出电流与波长的函数关系。
网印技术决定了S的最小值
决定了ρs的最大值
决定了结深t的最小值
7.2 衬底的掺杂NA
fc e x Lh
fc ex Le
20
Isc大小
结深t 扩散长度Le
X’ X
Le De e