第四章 硅太阳能电池的设计

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n1的薄 膜材料，入射光真空中的波长为λ0，则使反射最小 化的薄膜厚度为
d1=λ0/(4n1) 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率
的几何平均数，反射将被进一步降低。即
n1 n0n2
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第四章： 硅太阳能电池的设计
§ 4.1
§ 4.2 § 4.3
§ 4.4 § 4.5
基础太阳能 电池设计 光学设计 复合效应的 降低 电阻损耗 太阳能电池 的结构
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§ 4.1.1 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 是用于以获得高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。
在电池上表面加减反射膜 表面制绒 增加电池的厚度以提高吸收（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。
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§ 4.2.3 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。
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§ 4.2.3 光学特性 表面制绒
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
(a)破坏性 干涉导致 反射光为 零
(b)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
使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
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。
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§ 4.2.2 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 的膜和相应波长的光，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 0.6μm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。
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，比较实际的理论最高效率值大约为26%-28%。现今实
验室测得的硅太阳能电池的最高效率为24.7%。
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
2. 提高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 被顶端
池的功率。被损耗的光包括
电极所 阻挡
本来有能力在电池中产生电
子空穴对，但是被电池表面
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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
硅太阳能电池效率的演变
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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
理论上，光伏电池的最高转换效率能达到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
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， 这样的成本通常太高。
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
裸硅 （仅）覆盖玻璃的硅
覆盖有折射率为2.3的最优化抗反射膜玻璃的硅
Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating.
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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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
第二个因素是假设入射光有高聚光比。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增加
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。
表面反射 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：
尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能 导致串联电阻的增加）。这一点在串联电阻一节中有详细 讨论 。
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。