硅太阳能电池的设计资料

§ 4.2.5
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）：2 sin1 n1sin1 / 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θ1等于36°，如下图所示
光在经制绒的太阳能电池上的反射和入射
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§ 4.2.6 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。电池背反射层的高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 4n2 ， n 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 50倍，因 此这是一个十分有效的围困光线的技术。
§ 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的最优化抗反膜玻璃的硅
Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating.
§ 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
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，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
§ 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。 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。
§ 4.3.2 减少复合效应 复合引起的电流损失
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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。
§ 4.2.2 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n1的薄 膜材料，入射光真空中的波长为 λ 0 ，则使反射最小 化的薄膜厚度为 d1 = λ 0 / （ 4 n1 ） 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
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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 本来有能力在电池中产生电 阻挡 子空穴对，但是被电池表面 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。
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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
§ 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。
n1 n0 n2
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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 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。 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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表面反射
被电池的背面反射
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§ 4.2.1
有很多减少光损失的方法：
光学特性 光的损耗
• 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 。 • 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
§ 4.2.6 光学特性 朗伯背反射层
朗伯背反射层如下图所描述：
入射光 顶角等 于临界 角的椎 体内的 光损失 掉了 UNSW新南威尔士大学 电池底部的随机散射
小于临界角入射 的光逃出电池
光被全 反射并 围困在 电池内
§ 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（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。
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§ 4.3.2 减少复合效应 复合引起的电流损失
电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能 量不同的光子将有不同的收集概率。蓝光的吸收率很高， 并且在距离前表面非常近处被吸收，所以如果前表面是个 高复合区域的话，那么蓝光产生的载流子就不怎么可能被 pn 结收集。类似的，如果电池的背表面的复合效应很强， 将主要影响由红外光产生的载流子（红外光在电池深处产 生载流子）。太阳能电池的量子效率量化了复合效应对光 生电流的影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。
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§ 4.2.5
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： n1sinθ1=n2sin θ2 其中，θ1θ2分别是入射角和折射角，而n1为光入 射介质的折射率，n2光射出介质的折射率。
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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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§ 4.3.2 减少复合效应 复合引起的电流损失
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。
阳能电池制绒表面的金 字塔结构。
单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片
§ 4.2.3 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 示。
单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片
§ 4.2.3 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 <111> 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 <111> 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。 多晶硅制 绒表面的 电子显微 镜照片
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§ 4.2.5
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 50倍，这意 味着光线能在电池内来回反弹许多遍。