太阳电池栅线的设计

太阳电池栅线的设计Ξ
施小忠,汪　乐,夏冠群
(中国科学院上海冶金研究所,上海200050)
摘　要:本文分析了主线上的电压降对电池栅线设计的影响.讨论了电池的功率损耗与电池栅线尺寸及厚度的关系,探讨了如何在原始设计的基础上设计出理想尺寸的太阳电池栅线.
关键词:太阳电池;栅线设计;功率损耗
The G rid2Line s De sign of Solar Cells
SHI Xiao2zhong,WAN G Le,XIA Guan2qun
(S hanghai Instit ute of Metall urgy,Chi nese Academy of Science,S hanghai200050,Chi na)
Abstract:　The influence of the decreasing of the voltage along the grid line on the design of front contact was ana2 lyzed.The relation between the power loss and the width of the finger and grid was discussed and the method of obtaining the ideal finger and grid from the preliminary design has been shown in this paper.
K ey words:　solar cell;grid2line design;power loss
一、引 言
太阳电池是将太阳能转换成电能的半导体器件.栅线是电池的重要组成部分,它负责把电池体内的光生电流引到电池外部.研制太阳电池前总要预先进行栅线设计,制作出栅线的光刻板,栅线的尺寸是根据预先设定的电池参数(开路电压V oc、短路电流密度J sc、最大工作点的输出电压V m和输出电流密度J m等)值设计的.电池制成后,实际测得的电池特性参数的值与设定的值有一定的偏差,因此,预先设计的栅线的尺寸与理想的尺寸也会有一定的偏差,所以有必要探讨如何在原始设计的基础上进行调整以得到较理想的栅线.
在求解金属栅线的体电阻引起的功率损耗时认为金属栅线各处是等电位的,实际上栅线各处是不等电位的.本文讨论了金属栅线各处电位不一致给栅线最优设计带来的影响.
二、栅线设计
11常规太阳电池栅线的设计方法
太阳电池栅线的最优设计是以电池总功率损耗最小为依据的.功率损耗的计算公式可参阅文献[1].此外还有太阳电池衬底的体电阻,背面电极与衬底的接触电阻,背面电极的体电阻等引起的功率损耗.通常这几项较小,可忽略不计.
以往人们设计栅线时往往不考虑主线上的电位变化引起的功率损耗,主要有两个原因:其一是时常认为其值很小,可忽略不计:其二是若要考虑,通常需要用传输线理论来求解,十分麻烦.本文在Boone工作的基础上,结合传统的栅线设计方法,能较简捷地获得所需的参数值[2].
Boone计算了硅太阳电池的主线上有电位降时的输出电流,得到了相应的计算公式,只要将他们推导时的I2V关系式中的指数因子1换成某一常数n,同样可以得到针对G aAs 电池的计算公式.这两种电池的计算公式相同,如下所示:
I L=
NL N[6R s+(N2-1)R g]
3R s+N(N-1)R g
(1)由于主线上的电压降对电池输出电压的影响很小,因此主线上的电位降引起的功率损耗的归一化量可近似认为是:
ρ
rs
=1-(I L/N I N)(2)其中I L为总的输出光生电流,I N为最靠近接触点的单元电池的光生电流,N为栅线数,R s为单元电池的串联电阻,R g 为单元电池的主线部分的体电阻.
21原始设计的栅线的调整
栅线的原始设计指的是在制作太阳电池之前对栅线的设计.主栅线W b的大小为:
W b=AB(ρsmb J m)/(m V m)(3)其中ρsmb是主栅线的薄层电阻率.栅线和主线设计成线性结构时m取3.A和B分别为电池的长和宽,本文中假设A等于B.
总的功率损耗的归一化量为
ρ
loss
=ρrf+ρrb+ρcf+ρsf+ρsb+ρtl+ρrs(4)栅间距s的值可对ρloss求极小值得到.因原始设计是根据预先设定的J m和V m设计的,真实的J′m和V′m与J m和V m有一定的偏差.对栅线进行调整的最一般的办法是用J′m和V′m 代替J m和V m设计板子.此时电池的最大功率点的电流密度和电压分别为J″m和V″m.再用J″m、V″m代替J m和V m进行设计,反复几次,可使得栅线的尺寸越来越接近理想的尺寸.这样设计栅线重复的次数较多,用以下方法能较快地得到所
　第11期
1999年11月
电 子 学 报
ACTA EL ECTRONICA SINICA
Vol.27　No.11
Nov.　1999
Ξ收稿日期:1998205209;修订日期:1998209220.863资助课题
需的栅线尺寸及栅间距.
由文献[3]可知,不考虑电池的系统电阻时电池在最大功率点的电流密度为:
J m =(J sc (A a /A t )+J oo )
qV m
A o k T (1+(qV m /A o k T ))
(5)
其中A a 为有效受光面积,A t 为电池总面积,A o 为结的品质
因子,J oo 为饱和暗电流密度,k 为玻耳兹曼常数,T 为绝对温度.
因J oo νJ sc ,所以J m p 与A a 成正比.又因
A a
A t
=(1-(W f /s ))(1-(W b /B ))=(1-βsf )(1-βsb )(6)即J m 与(1-ρsf )(1-ρsb )成正比.栅线的再设计时主要考虑
栅线的遮挡引起的J m 的变化,电池串联电阻的微小变化对V m 的影响很小.
先测定用初始设计的板子制作的太阳电池的J ′m 和
V ′m .
设最佳的主线宽度为W ″b ,最佳的栅线宽度为W ″f ,最佳
的栅线间距为s ″,最佳设计时对应的电池的最大功率点的电流密度和电压为J ″m 和V ″m ,则J ″m 和V ″m 近似为:
J ″m =(1-(W ″b /B ″))(1-(W ″f /s ″
))(1-(W b /B ))(1-(W f /s ))
(7)V ″m =V ′m
(8)
将J ″m 和V ″m 代替J m 和V m ,用非线性规化的方法求所
有功率损耗之和的极小值,与功率损耗极小值对应的主线的宽度和栅间距就是所要求解的W ″b 和s ″
.三、实例分析
图1是电池的剖面图.设电池的光照下的最大工作点的图1　电池的剖面图
输出电压为0188V ,输出电流为24mA ,正面电极的接触电阻率为110×10-4Ω・cm 2,发射层的电阻率为115×10-2Ω・cm ,厚度为210
μm ,正面主线和栅线的厚度都为310
μm.图2和图3是各种尺寸的电池的最佳s ,W f 和W b 及各损耗
与总损耗之比及总损耗的归一化
量.由图2可知,电池的主线的宽度几乎随电池的尺寸的增大而逐步增大,而栅线的尺寸及栅间距随着电池尺寸的增大有一定的起伏,不过整体上随电池尺寸的增大而增大,只是栅线的宽度变化不大.栅线尺寸的起伏是由于各损耗的相对比例随电池大小的变化而变化的结果.图3表明发射层的薄层电阻及正面电极的接触电阻引起的功率损耗相对总的功率损耗很小,主线及栅线的体电阻的损耗及遮光损耗是电池功率损耗的主要部分.对于各种尺寸的太阳电池,主线上的电压降引起的功率损耗大约是总损耗的20%.因此,在设计电池栅线时应该考虑这一损耗.从图3也可看出,总的功率损耗的归一化量随电池尺寸的增大而增大.这表明电池尺寸增大时,栅线的优化设计尤为重要.
图4显示了当s ,w f 及w b 取h m 等于310
μm 时对应的最优值,然后改变h m 的大小,不同的h m 下功率损耗的归一化
量.从图中可见,当栅线的厚度小于110
μm 时,总功率损耗迅速增大.而当栅线的厚度大于110
μm 时,总功率的损耗趋于稳定,即栅线的体电阻引起的功率损耗相对很小
.
图2各种尺寸的电池的最佳s , W f 和W b .s 的值放大了5 倍,W f 的值放大了500倍
图3各种尺寸的电池的各损耗
与总损耗的百分比及总损 耗的归一化量(纵坐标)
图4　正面电极的厚度与 电池总损耗的归一 化量之间的关系
图5　s ,w f ,w b 与ρloss 之间 的关系,其中w f 的横
坐标增大了100倍
图5是s ,w f ,w b 与ρloss 之间的关系.图中的三条曲线的最低点对应栅线的三个最佳参数值.曲线s 是指w f 和w b 取最佳时,s 随与ρloss 的变化关系.其他两条曲线依次类推.曲线w b 的向上的开口最大,说明主线允许的偏离范围较大,s 次之,w f 最小.当以上三个参数小于最佳值时,总的功率损耗迅速增大,说明在选择栅的尺寸时十分重要.
四、结 论
在对电池进行栅线设计时,应该考虑主线上的电压降引
起的电池功率损耗.在电池栅线最优时,主线上的电压降引起的功率损耗通常在20%左右.此外,电池的主线和栅线的体电阻引起的功率损耗及遮光损耗分别占40%左右.用公式(5)至(8)可方便地得到实际需要正面电极的最佳尺寸.在制
作正面电极时,栅线的厚度不能低于110
μm ,栅线的尺寸最好选最优值,可偏大一点,但不能过小
.
施小忠　1968年生,中国科学院上海冶金研究所95级博士生,从事G aAs 太阳电池的研制和应用,参与了863航天领域高效G aAs 太阳电池研究,在国内外发表论文6篇.
(下转第119页)
7
21第　11　期施小忠:太阳电池栅线的设计
图2　
正弦信号作用时SMC 与FNNSMC 仿真结果
图3　正弦信号作用时自适应控制与SMCDZ 的仿真结果
(3)采用FNNSMC 作为控制器时,系统可以消除高频颤
动,但是存在着一定的跟踪误差.
(4)当FNNSMC 和SMCDZ 有机结合构成自适应控制器时,则能结合二者的优点,得到较好的跟踪精度同时又消除了颤动.
参　考　文　献
[1]　Utkin V.I.Variable structure systems with sliding mode :A sur 2
vey.IEEE Trans A C ,1977,AC (22):212～222
[2]　Slotine J.J.E.Sliding controller design for nonlinear systems.Int
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[3]　Sanner R M ,Slotine J J E.G aussian networks for direct adaptive
control.IEEE Trans N N ,1992,3(6):837～863
[4]　达飞鹏,宋文忠.一类非线性系统的直接自适应控制.东南大学
学报,1998,28
(2):124～129
达飞鹏　1968年生.1998年毕业于东南大学自动化研究所,获博士学位.现从事企业博士后工作.研究方向为模糊控制、神经网络及快速制造系统.
宋文忠　1936年生.1960年毕业于南京工学院,现任东南大学自动化研究所教授,博士生导师.从事生产过程自动化及计算机集成制造系统的研究.
(上接第127页)
参　考　文　献
[1]　马丁.格林.太阳电池—工作原理、工艺和系统的应用.北京:电
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[2]　J.L.Boone and T.P.Van Doren.Solar 2cell design based on a dis 2
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demic Press ,1975
9
11第　11　期达飞鹏:基于模糊神经网络滑模控制器的一类非线性系统自适应控制。