太阳能电池各电性能参数-草稿

太阳能电池各电性能参数的本质及工艺意义

⏹武宇涛

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电性能参数主要有：V oc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irev1,…

电性能参数在生产过程中尤其是在实时的生产控制现场，非常及时地反映了整个生产线生产工艺尤其是后道工序的动态变化情况，为我们对产线的控制及生产设备工艺参数的实时调节起到了非常重要的参考作用。

从可控性难易角度来说，V oc,Rs,Rsh,主要和原材料及生产工艺的本身特征相关，与工艺现场的调控波动性关系不是特别紧密，可称之为长程可控参数。而Isc,FF, Irev1与工艺现场的调控联系紧密，对各调控参数比较敏感，可称之为短程可控参数。

当然我们最关心的是效率Eff。而Eff则是以上所有参数的综合表现。

太阳能电池的理论基础建立在以下几个经典公式之上：

Voc=(KT/q)×ln(Isc/Io+1)

Voc=(KT/q)×ln(N aNd/ni2) 1

2 FF=Pm/(Voc×Isc)=Vm×Im/ (Voc×Isc) 3

4

Eff=Pm/(APin)=FF×Voc×Isc/APin=FF×Voc×Jsc/Pin 5

图-1太阳能电池的I-V曲线

图-2太阳能电池等效电路

从上面5式我们可以看到，与效率直接相关的电性能参数主要有：FF，Voc, Isc。在生产中我们还比较关心暗电流情况：Irev1，由1式可以看出，它与Voc有比较紧密地联系（实际也是这样的）。

为了更好地说明各参数间的联系，这里先录用几组数据如下：

表-1

以上P156均系LDK片源。

1，Voc

由于光生电子-空穴对在内建场的作用下分别被收集到耗尽层的两端，从而形成电势。所以我们认为Voc是内建电场即PN 结扫集电流的能力的直观表现。

由上面公式1所反映，Voc主要与电池片的参杂浓度(Nd)相关。对于宽△Eg的电池材料，相对会有比较高的Voc；但△Eg过高，又会导致光吸收效率的迅速下降（主要是长波段响应降低），使Isc是降低,所以需要找到一个最佳掺杂深度值。另一方面，高参杂又会引入更多的复合中心，使复合电流增加，同样也降低了Voc。所以在没有引起复合电流增加或者其增量比较小的前提下，参杂浓度的提高对Voc总是有益的。

在上表所示的三种成品电池片中，P156的片子与E-CELL 片子Voc有着显著的不同，这显然是由于冶金级硅的杂质浓度过大导致的。而对于62栅线和71栅线的电池片，由于其总体参杂浓度并没有显著的改变，所以其开压并没有显著差别。从上表还可以看出,E-CELL电池的Isc已经比比另两者有显著降低,我们可以认为对于P156的正常多晶硅电池片其Voc在620mv左右达

到了峰值。另外通过对高Voc电池片（如E-CELL）进行QE扫描发现其长波长响应显著降低。

在现在既定工艺背景下，在没有大的工艺改动下，对产线的技术参数调整对Voc影响不会太大。在生产中，我们曾对各种能够调节的参数进行了大量的调整，尤其是背电场和烧结温度参数方面，但结果总是很不理想，比如P156的LDK的片子其整体平均值变化范围也就是618m v±2mv左右。基本上不可能达到像E-CELL GP156那样整体平均630mv的水平。可见，Voc对后道工序的参数调节并不十分敏感。

一句话，关于Voc，这是电池片子本身质量素质及现定工艺所共同决定的,从整体的统计数据来看它是一个比较稳定的不易发生较大波动的工艺参数，比如：煜辉和洛阳以及LDK各厂家的电池片都有各自明显的电性能特征，尤其表现在Voc和Isc 上。所以,在日常的生产过程中,我们应该更多地关注其他比较容易波动且操控性更强的参数,比如FF,Isc.

2，FF

如上面大名鼎鼎的太阳能电池的I-V曲线图-1所示，FF的直观意义为上图中矩形与曲线所围成面积之比。它的本质意义如式3所示,即输出的有用功与产生的总体功率之比.它表现了电池片本身输出有用功的能力，也即其本身的内耗情况；对于高的FF，电池片本身对所产生电能的消耗比例较小。而Eff如式所示,则是表现了电池片在吸收了一定太阳能量后能够输出有用功的能力.

另外，此曲线的两边的斜率也直观地展现了Rsh与Rs的大小，正如式4所示。

所以在电性能参数中，我们认为，FF，Rsh,Rs这三个参数是紧密相连的一组。一般通过Rs和Rsh我们来直观地判断FF的好坏。即Rs和Rsh主要影响FF，当然当他们性能很差时对Voc和Isc的影响也是很显著的。如上表所示：虽然UMG电池片的效率很低，但是这并不妨碍它可以达到比正常电池片还要高很多的FF。再对比单晶的情况，虽然单晶具有比多晶更高的效率，但也不影响它只具有和ECELL相当的FF。

相对于Voc,FF更容易波动,且波动幅度有时也是很大的.一般情况下,在工艺过程中对FF影响比较大比较直接的主要是印刷工艺,再具体地说主要是正面电极的印刷,而正面电极的印刷又是一个非常细致的工艺,影响其质量的参数及因素又是相当多(相对于前道各工序来说),主要有印刷资料的选取,印刷网版的设计及印刷参数的调节.由于前两项因素已经由工程师们设计选择好,所以对于工艺人员,主要的工作是保证印刷出高质量的图形及确保各项参数在工艺范围内可控.

另外FF对烧结的调节不是很敏感.而通常当FF较低时,我们也并不太多地怀疑烧结是否匹配.

正常情况下，FF的降低表明电池片本身的内耗或漏电的增加，而这也必然会在Rs或Rsh上反映出来。但是，我们也确实遇到了这样的情况:印刷图形堪称完美,基本上没有虚印,栅线高度也正常,Rs 及Rsh也都正常,而FF就是比平常低了将近0.5左右!其原因到目前

仍然不是很清楚.

2.1Rs

硅太阳能电池等效串联电阻会影响其正向伏安特性和短路电流，而对开路电压没有影响，当然，对FF也有很大影响，当串联电阻取不同值时太阳能电池的I-V特性如下图-4所示[11]:

串联电阻变化时太阳能电池的I-V特性曲线

太阳能电池的串联电阻由以下四部分组成：

Rs=Rb+Rd+Rc+Rm

Rb为基体材料本身的体电阻；Rd为太阳能电池扩散层的薄层电阻，也可以理解为电池表面细栅线两旁的横向电阻；Rc为金属半导体的接触电阻；Rm为电极材料电阻。Rm、Rd可以统一看为发射区电阻，Rc、Rb可以统一看为基区电阻。良好的电极材料、图形和制备工艺可以减小薄层电阻对Rs的影响及减小Rc、Rm的大小。

一般来说我们希望Rs越小好好。

从上表数据右以看出,采用新网版工艺的电池片比之前的电池