电性能参数分析

图1-1
太阳电池理想I—V特性方程，即工作状态电流．电压关系式， 如式 I=Iph —I0[exp（qv/nkT)—1]
（1-1）
其中，q为电子电量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I。 为二极管饱和电流，Iph为光生电流，n为二极管理想因子。 一般晶体硅太阳电池I-V曲线如图1—2所示，纵坐标表示电流， 最大值为短路电流Isc，横坐标表示电压，最大值为开路电压 Voc。图1—2
并联电阻主要与晶体硅材料质量和太阳电池制造 过程中引入的缺陷和杂质有关，并联电阻使光生 电流产生反向分流，降低工作电压，严重影响FF. 其主要来自四部分。 (1)太阳电池周边因扩散p-n结时会引入p-n结完全 或部分的短路。 (2)非理想的p-n结或p-n结内部不完善部分的漏电 短路。 (3)衬底和薄膜层及p．n结之间的部分漏电。 (4)多晶体或薄膜的晶体界面的部分漏电。
目录
一.晶体硅太阳能理论基础 1.理想晶体硅太阳能电池 2.短路电流（Isc） 3.开路电压（Voc） 4.填充因子（FF） 5.转化效率（Eta） 6.晶硅太阳能性能影响因素
目录
二.晶体硅太阳能电池丝网印刷和烧结工艺 1.丝网印刷和烧结工艺概述 2.欧姆接触原理 3.烧结温度和带速对太阳电池输出性能的影响 4.硅片掺杂浓度对性能影响 5.浆料和扩散方阻对太阳电池输出性能的影响 6.Ag-Si接触的形成机理 7.晶体硅旁路结对开路电压的影响
太阳电池的自身电阻的存在消耗了太阳电池的功 率，降低填充因子和转换效率，通常指串联电阻和并 联电阻，如图1．5所示。由于电阻的值与面积密切相 关，通常在分析为Ωcm2，根据欧姆定律， 将I值以J值替代，得到：R(Ωcm2)=V／J
在高方阻上串联电阻非常高，由于形成良好的 欧姆接触一般需要重掺杂(低方阻)，对于这种 高方阻欧姆接触形成困难，从而 使串联电阻过高。而在这种高方阻上，扩散标 准偏差较高，p-n结局部非常浅， 导致烧结时Ag电极穿透结区，形成肖特基旁路 ，漏电流增大。
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4、硅片掺杂浓度对太阳电池性能影响

前面提到，要形成良好的欧姆接触，必须在发 射区进行重掺杂，但重掺杂会带来许多的负面 影响，如表面、体内复合速率增大、钝化效果 差等。不光是发射区的重掺杂，硅衬底的掺杂 浓度也会对太阳电池的输出性能产生一些影响。 如掺杂浓度每提高一个数量级，可导致少子寿 命也下降近乎一个数量级。
温度对太阳电池的影响
如同多数半导体器件一样，太阳电池的运行状态对温度 的变化也比较敏感。 温度的升高，可使硅材料的禁带宽度降低，电子具有更 低的能量就可从价带越过 禁带到达导带，短路电流会有提高。温度的变化，影响 最大的是Voc
随温度升高，Voc降低，主要是由于反向饱和电流I0对 温度非常敏感。
5、转化效率（ETA）
太阳电池转换效率Eta是表示单位面积上将辐照 能量转换为多少电能的量。通常定义为 Eta=Pmp/Pin=VocIscFF/Pin Pin表示入射光功率 转换效率越高，表示在单位面积上单位辐照强 度下能产生更多的电能。其大小与Voc、Isc、 FF息息相关。
6、晶体硅太阳能电池性能影响因素
其中q为电荷，D为少子扩散系数，L为少子扩散长度 ，ND为掺杂浓度，nt为本 征载流子浓度，以上的几个参数中，基本上都是温 度的函数。
二.晶体硅太阳能电池丝网印刷和烧结工艺 1.丝网印刷和烧结工艺概述
1975年，丝网印刷技术首次应用于太阳电池制备前、背电极【39】。目 前市场上85％以上的晶体硅太阳电池都是采用丝网印刷技术制作电极 1401，通过丝网印刷设备将Ag浆料印制在太阳电池前表面氮化硅减反射 膜上，和将AI浆料印在背表面，再经过高温烧结工艺形成Ag．Si接触电极 和Al背场。烧结工艺的主要功能：Ag浆料溶解氮化硅减反射膜，形成 Ag．Si电极接触；H原子由表层向内部扩散，钝化体内杂质和缺陷；形成 舢．Si合金背表面场。 Ag浆料主要包含导电材料、玻璃料(Glass t臣it)、有机粘合剂、有机溶剂。 其中导电材料主要是大小为O．1至十几微米的银颗粒，占浆料总重的60 ％80％左右；玻璃料主要是氧化物(PbO、B203、Si02、Bi03、ZnO)粉末， 占总重的 5～10％左右m，41· 421。 丝网印刷采用的网版丝网通常由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。 当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷浆料在刮刀的挤压 下穿过丝网中间的网孔，印刷到硅片上。丝网上的模版把一部分丝网小 孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物 上只有图像部位有印迹。
太阳电池是一种能够直接将太阳辐射能转化 为电能的电子器件。晶体硅太阳电池是目前市 场上应用最为广泛的一种太阳电池。对P型或 n型硅衬底进行相反类型的源掺杂，形成n+或 p+型发射区，经电子扩散之后形成内建电场， 可将光照条件下产生的光生载流子进行分离。 常规晶体硅太阳电池结构及工作原理 如下图1-1所示
标准烧结工艺需要经过低温、中温、高温、冷却四个 阶段。烧结炉低温温度一般在400“C以内，中温温度 为300～700„C，高温温度为700～900”C。在低温阶 段，浆料中的有机溶剂和有机粘合剂被蒸发或被燃烧。 在中温阶段．玻璃料开始熔化，Ag颗粒开始聚合。在 高温阶段，Ag、sj及玻璃料成分发生反应，形成Ag— Si接触；冷却时，Ag粒子在硅片表面结晶生长。高温 驱动表面H离予向硅片内部扩散。实际在硅片上发生 的反应温度远低于烧结炉设定温度，KyunghaeKim等 人研究Ag与Si的实际最佳反应温度为605度．远低于 Ag—si共晶点温度835'C，这可能是由于反麻体系中含 有多相成分(Ag、Si、Pb、Bi等)而使合金熔点降低。 实际的烧结炉各温区温度，需要综合考虑n层的扩散 浓度、浆料成分、减反射膜厚度等诸多因素来设定。
2、欧姆接触原理

金属与半导体接触时可以形成非整流接触，即欧姆接触。欧姆接触是指这样 的接触：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发 生显著的改变。日前，在太阳电池中，主要是利用隧道效应的原理在硅表面上制 造欧姆接触。 在半导体理论中可知，重掺杂的p—n结可以产生显著的隧道电流。金属和半 导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变的很薄，电子可以通过 隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，隧道电流甚至超过热电子发射电流而 成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可虬 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 用作欧姆接触。因此，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧 姆接触
4、填充因子（FF）
Voc和Isc是太阳电池所能达到的最大电压和电流值，但是， 从I—V特性曲线上可以看出，此时的输出功率为0。填 充因子表示最大功率点处功率与VocXIsc的比值。根据 理想I-V特性方程，可求得最大功率点处Vmp解微分方 程可得到一个超越方程非常复杂，只是Vmp和Voc的关 系。 一般计算FF可用经验公式： FF=【voc—ln(voc+0.72)】/(voc+1) voc为归一化Voc Voc=Voc q/(nkT) 高的开压可得到高的填充因子。
5.浆料和扩散方阻对太阳电池输出性能的影响

在发射区进行轻度扩散(实现高方阻)可以得到高的开路电压Voc、 短路电流Isc、填充因子FF和转换效率Eta。但是对于常规太阳电 池，直接在100 Ω／sq方块电阻上进行丝网印刷烧结，在技术实 现上还存在一些难度，如扩散方阻值越高，工艺越难控制，均 匀性较差，且目前市场上还没有商用化的适用于如此高方阻的 Ag浆料，对于要适应于高方阻的浆料，必须要求浆料在高温状 态下有比较低的活性，Ag原子往发射区扩散较慢，但是低活性 浆料往往又不能烧穿SiNx薄膜。目前常规太阳电池一般使用的扩 散方块电阻在50～ 65Ω／sq范围，而一般的开发的商用化Ag浆 料也只能适用于此类方阻范围的硅片。为了提高太阳电池转换 效率，各大生产企业都在尝试采用更高的扩散方阻硅片来制造 太阳电池，而浆料生产商也在积极开发能适用于更高方阻的Ag 浆料。
3、开路电压（VOC）
当太阳电池外接电路开路时．可得到太阳电池的 有效最大电压，即开路电压Voc。在开路状态下，流经 太阳电池的净电流为0。在方程(1-1)中，令I-0，可得到： VOC=（nkT/q)ln(Iph/I0+1)。，从中可以看出，Voc的大 小与以下因素相关： (I)光生电流Iph可以看出， Iph的改变量有限，其对Voc的大 小影响也较小。 (2)反向饱和电流I0。在太阳电池中，I0的变化通常可达几 个数量级，所以它 对Voc的影响非常大。而I0决定于太阳电池的各种复合 机制，所以通常 Voc的大小可以用来检测太阳电池的复 合大小。
掺杂浓度越高，接触电阻Rc越小。半导体材料重 掺杂时，可得到欧姆接触。 太阳电池要得到好的欧姆接触，必须对太阳电池 发射区进行重掺杂。但是重掺杂同时会带来许多 负面效应。例如，增大表面复合速率、SiNx 表面钝化效果差，降低短波光谱响应等。正因为 如此，世界各研究机构积极开发选择性发射极太 阳电池，只在金属电极下面极小的区域实现重掺 杂，而在非金属接触区域实行轻度掺杂。 常规丝网印刷工艺制各的太阳电池相对蒸镀电极 电池，性能显著下降，其中遮挡和重掺杂效应导 致的效率损失占到了0．8‰
2、短路电流（ISC）
当太阳电池的输出电压为0，即外接电路短路时，流经太阳电池体内的电流 为短路电流Isc，对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流Iph，所以短路 电 流的大小和以下几个因素相关联： (1)太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电流密度概念Jsc，即单位 面积上流过的电流，单位为A／cm2。 (2)光照强度以及光谱分布。 (3)太阳电池的减反射、陷光效果和前表面栅线的遮挡面积。 (4) 电子收集效率。这主要取决于表面钝化效果以及少子寿命。如在非常 好的表面钝化和一致的电子．空穴对产生率条件下，短路电流密度 为：JSC=qG(Ln+Lp) 其中G为电子．空穴产生率，Ln、Lp分别为电子和空穴扩散长度。
图1-5太阳电池串联电阻和并联电阻示意图 串联电阻主要来自于以下四个方面： (1)晶体硅的体电阻和发射区电阻，即p．n结两侧 P区和n区材料的电阻。 (2) 电极用的金属与硅表面层的接触电阻，即正 面和背面的金属与半导体表面 之间的接触电阻，也包括p．n结深度、杂质浓度 和接触面积大小的影响， 这是串联电阻最大的部分。 (3)器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。 (4) 电极接触用的金属本身和它们的互联电阻。
1、特征电阻Rch 特征电阻表示在最大功率点条件下太阳电池的 负载电阻。当负载电阻等于特征电阻时，太阳 能电池的最大功率加载到负载上，同时电池也 运行在最大功率条件下。 Rch=Vmp/Imp 可近似表示为Rch=Voc/Isc 所以一般电流电压关系可表示为I=V/Rch
串联电阻(RS)和并联电阻(RSH)
3.烧结温度和带速对太阳电池输出性能的影响

烧结工艺是太阳电池制备过程中最关键的工艺 之一。烧结工艺在实际生产过程中，受多种因 素的影响，要实现良好的金属-半导体接触， 针对硅片、浆料、掺杂浓度等不同必须进行工 艺优化。而对于烧结工艺本身，烧结温度、烧 结时间和升降温速率是影响烧结质量的几个最 重要因素。通过改变烧结最高温区温度和网带 速率(烧结时间及升、将温速率)，来进行烧结 工艺优化，井实现最佳的太阳电池性能。