电池片丝网印刷工艺技术

太阳电池原理----基本原理
N区
内建电场
P区
大量负电荷
大量正电荷
电子空穴对
电子空穴对 电子空穴对
空间电荷区
2，当入射光照射到电池片时,能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进 入硅中,在N区、耗尽区、P区激发出光生电子空穴对.光生电子空穴对在耗 尽区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被进入N区,光生空穴则被推进 P区. 光生电子空穴对在N区产生以后,光生空穴便向PN结边界扩散,一旦到达 PN结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引做漂移运动,越过耗尽区 进入P区,光生电子(多子)则被留在N区.P区中的光生电子(少子)同样的先因为 扩散,后因为漂移而进入N区,光生空穴(多子)则留在P区.在PN结的两侧形成 了正负电荷的积累,产生了光生电压,这就是“光生伏特效应”.
光的发射,材料吸收,电池厚度及光生载流子的实际生产率后,光电 流密度可以表示为:
J L
H
q
Q1
R
a
e
a
x
dx
d
H
qGL (x)dxd
0 0
0 0
式中 GL Q1 Raeax , 为入射到电池上波长
为 ,带宽为d 的光子数, Q为量子产额,及一个能量大于Eg的光
子产生一对光生载流子的几率,通常情况下可以令Q=1，R 为和 波长有关的发射因数, a 为对应波长的吸收系数, dx 为距电池
•方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于
空穴的漂移分量与扩散分量的代数和.
•方程(2-6)称为连续性方程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空
穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度的
代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度方
向及电流密度方向均相反.
丝网印刷工艺介绍总结
• WXQ
目录：
• 总论 • 太阳电池原理 • 太阳电池测试原理 • 丝印工序简介 • 丝印参数和相关术语 • 烧结原理 • 烧结炉设计原理 • 漏浆原因分析 • 电极脱落原因分析 • 吸杂原理 • 钝化原理
目录：
• 扩散浓度分析 • 太阳电池电学设计 • 太阳电池光学设计 • 太阳电池电阻设计 • 欧姆接触 • 漏电原因分析 • PID • EL • 提高效率的途径
太阳电池原理----光电流Isc
充足的太阳光照射到晶体硅太阳能电池时,电池片的整个厚度内 都会产生光生载流子,其电子空穴对的产生率Gp(即单位时间单位 体积内产生的电子空穴对数目),以Goexp(-αx)衰减. （其中Go是电子空穴对在表面时的产生率,α是材料吸收系数.）
假定1,太阳电池厚度很薄,使所有的光生载流子都能流经外电路. 假定2,lh是大于n侧厚度ln ,所以,在体积(ln+w+le)内产生的全部电
Jp
q p
pn n
qDp
dpn dx
.............................................(2
5)
对p区:
dpn dt
GL
Un
1 q
dJ p dx
................................................(2 6)
Jn
qnnp p
太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)
I
U
-I0
V
PN结的模拟电路情况
PN结IV曲线
qU
I I0 (e AKT 1)
其中I0为反响饱和电流密度,U为加载PN结两端的电压
太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)
Rs
ID
I
IL
CJ
Ish
U
Rsh
RL
等效电路图
当受到光照的太阳电池接上负载时,光生电流流经负载,并在负载两 端产生端压,这时可以使用一个等效电路来描述太阳电池的工作情况. 把太阳电池看成稳定产生光电流的电流源(假设光源稳定),与之并联的 有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh.
加有关,所以总的来说,A因子大的电池片UOC不会大.在略去产生 电流影响时,反向饱和电流密度为:
因为
J0
qDn
ni2 N A Ln
qDp
ni2 NDLp
所以: ni2
qVD
N A N D e KT
J0
(qDn
ND Ln
qDp
N
A
)e
qU D KT
Lp
qU D
J00e KT ......(2 15)
UOC却产生由p区指向n区的正向结电流JD.在稳定光照时,光电流恰 好正和正向结电流相等(JL = JD).pn结的正向电流可由下式得出:
qV
J D J 0 (e AKT 1)
于是有
qV
J L J0 (e AKT 1)
两边取对数整理后,当A→1,得, 在AM1条件下, JL 1 ,所以
U OC
其UD中为最J00大 pqDnn结NLnD电 压qDp,等NLpA于pn结势垒高度,将(2-15)代入(2-13),当A=1
时,可得
U OC
UD
KT q
ln
J 00 JL
在低温和高光强时, UOC接近UD, UD 越高UOC越大,因为
UD
KT q
ln
NDNA ni2
所以pn结两边掺杂度越大,开路电压也越大.
T 太阳电池pn结的绝对温度 q 单位电荷量 K 普朗克常量
Rs/Rsh 太阳电池的串连/并联 U 太阳电池的输出电压
I 太阳电池的Leabharlann Baidu出电流 ID 暗电流
当负载RL从0变化到无穷的时候,就可以根据上式画出太阳电池的 负载特性曲线.曲线上的每一点称为工作点.工作点和原点的连线称 为负载线.斜率为 1,工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压 和工作电流.若改变R负L 载电阻RL到达某一特定值Rm,此时,在曲线上得 到一个点M,对应的工作电流与工作电压之积最大(Pm=ImUm).我们就 称这点M为该太阳电池的最大功率点,其中, Im为最佳工作电流, Um为 最佳工作电压. Rm为最佳负载电阻.Pm为最大输出功率.如下图所示:
成文仓促,未经雕琢,不成器物,若有不虞之隙,求全之毁,承蒙见 教斧正.
邮箱:baberhebroll@163.com
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太阳电池原理
目前绝大部分的电池片的基本成分是硅,在拉棒铸锭时均匀 的掺入了B(硼),B原子最外层有三个电子,掺B的硅含有大量空穴, 所以太阳能电池基片中的多数载流子是空穴,少数载流子是自由 电子,是P型半导体.
太阳电池测试原理----光电流和光电压
2,光电压
由于光照而在电池两端出现的电压称为光电压.它像外加于pn结
的正偏一样,与内建电场方向相反,这光电压减低了势垒的高度,而
且使耗尽区变薄.太阳电池开路状态的光电压称为开路电压UOC光 电压.
在开路状态下,有光照时,内建电场所分离的光生载流子形成由n
区指向p区的光电流JL,而太阳电池两端出现的光电压即开路电压
JL=Jn (λ)+Jc (λ)+Jp(λ) 其中,Jn (λ)、Jc (λ)、 Jp(λ)分别表示n区、耗尽区、p区贡献的光电
流密度.在考虑各种产生和复合后,即可以求出每一区中光生载流子 的总数和分布,从而求出电流密度.
先考虑Jn和Jp,根据肖克莱关于pn结的理论,假设太阳电池原理---原理图中电池满足:
在波长约为1至1.2μm的光,硅材料对其吸收的系数很小α很小,吸 收深度(1/α)通常会大于100μm.为了俘获这些长波光子,我们需要相 当厚的p侧材料,同时这种材料又必须是无缺陷的,使它有足够长的 少数载流子扩散长度le .通常p侧材料厚度为200μm.而少数载流子扩 散长度le会少于这个长度.
硅材料的带隙Eg约为1.1ev.
求得Isc=20mA. 2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm， α=10×105m-1 (吸收深度
δ=1/α=10μm),求得Isc=40mA. 3，α随着光波长的缩短而增大,最后(当λ<450nm)由于α非常大,会使
光生载流子只发生在电池片表面,而电池片的表面区的缺陷很 容易使电子空穴对被复合掉,从而使光电流反而减小.
子空穴对都贡献给光电流. 假定3,在材料表面的光生载流子的复合可以被忽略.
I sc
qGo
A
1
exp[
ln
W
le ]
qGo Aln
W
le
其表面积A=5cm×5cm,ln =0.2μm,W=2μm,le=50μm,Go=1×1018cm-3s-1
太阳电池原理
不同波长的光所产生的Isc 1，对于光波长λ≈1.1μm,α=2000m-1(吸收深度δ=1/α=500μm),
太阳电池原理----原理图
n区
Ebi
p区
中波
长波
正电极
短波
lh
0.2μm 2μm
正电荷
le
电子
180~200μm
Voc
P+区 背 场
3~6μm
太阳电池原理
电池片厚度一般为180~200μm. 电子空穴对(EHP)扩散距离le=(Deτe)1/2其中De为扩散系数. n侧少子为空穴,扩散长度很短,再由于n侧是重扩散杂质,所以少子 寿命非常短,因此n侧做得很薄(0.2μm),事实上,n侧的厚度ln可能少于 空穴的扩散长度lh.表面位置由于存在各种缺陷成为复合中心.短波 光会在表面被吸收,产生电子空穴对,这些非常接近n侧表面的光生 电子和空穴对很快就消失掉,这就是短波光量子效率很低的原因.
在扩散工序在电池片表层扩入大量的P(磷)原子,P原子最外 层有五个电子,掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导电体,多 数载流子为电子,少数载流子为空穴.
太阳电池原理----基本原理
N型半导体
P型半导体
漂移中和
1，在P型区域和N型区域的交接区域,多数载流子相互吸引,漂移中和,最终 在交接区域形成一个空间电荷区(即内建电场区).在内建电场区电场方向是 由N区指向P区.
负载电流
I
IL
ID
I sh
IL
q(U IRS )
I0 (e AKT
1)
I (RS Rsh
RL )
......(2 17)
负载电压 U IR
太阳电池测试原理----模拟电路图(等效电路图)
上式不能写成I=f(U)形式,只能写成I=f(U,I)的形式,因为这是一个超
越函数.
IL 光生电流 I0 反向饱和电流 A 二极管因子
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太阳电池测试原理----光电流密度和光电压
1，光电流密度 光生载流子的定向运动形成光电流.如果入射到电池的光子中,能量 大于禁带宽度Eg的光子均能被电池吸收,而激发出数量相同的光生 电子空穴对,且可以被全部收集,则光生电流密度的最大值为:
J Lmax qN ph Eg 式中 N ph Eg 为每秒入射到电池上能量大于 Eg 的光子数.考虑
AKT q
ln
JL J0
1
J0
U OC
AKT q
ln
JL J0
.........................................................(2 13)
太阳电池测试原理----光电流和光电压
显然, UOC随JL的增加而增加,随J0的增加而减少.似乎UOC也随着 曲线理想因子A的增加而增加,实际上A因子的增加,也是与的J0增
• 光照时太阳电池各区均满足pn>ni2,即满足小注入条件 • 耗尽区宽度W<扩散长度Lp,并满足耗尽近似 • 基区少子扩散长度Lp >电池厚度H,结平面为无限大,不考虑周
界影响 • 各区杂质均已电离
太阳电池测试原理----光电流和光电压
于是可列出一维情况下,描述太阳电池工作状态的基本方程:
对n区:
•方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性
•方程(2-9)称为泊松方程,表示半导体中电势的空间分布和空间电荷的
关系
太阳电池测试原理----光电流和光电压
受到照明的太阳电池被短路时,pn结处于零偏压,这时短路 电流密度等于光电流密度,而正比于入射光强,即：
JSC J L N ph
总论
丝网印刷工序共包括三大部分组成:丝网印刷,烧结,测试.我会 先从太阳能电池的发电原理讲到太阳能电池测试的原理,各个测 试参数的含义,再讲到丝印原理和丝印机的印刷参数含义,以及烧 结原理和烧结炉构造,最后讲到我们曾经分析过的低效片分析方 法,分析原理,产生原因.
附录里是对正文中一些重点名词的解释,还有通过观察测试 数据来推测工艺问题.
qDn
dn p dx
.............................................(2
7)
dn p dt
GL
U p
1 q
dJ n dx
...............................................(2 8)
d dx
q r0
(ND
NA
p n).......................................(2 9)
表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度, GL (x) 表示x处的光生 载流子的产生率.
太阳电池测试原理----光电流和光电压
这个表达式认为:凡是在电池中产生的光生载流子均可以对光电流 有贡献,因而是光电流的理想值,见太阳电池原理----原理图. 类似PN结正偏,在单位面积的太阳电池中把JL(λ)看为各区贡献的光 电流密度之和