电性能参数分析.ppt

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1、晶体硅太阳电池表面金晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究属化工艺及性能研究目录一.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一.晶体硅太阳能理论基础1.理想晶体硅太阳能电池 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。

2、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所示图1-1太阳电池理想IV特性方程，即工作状态电流电压关系式，如式 I=Iph I0exp（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12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122、短

3、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Acm2。(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。3、开路电压（

4、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。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IV

5、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=【vocln(voc+0.72)】/(voc+1)voc为归一化VocVoc=Voc q/(nkT)高的开压可得到高的填充因子。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/PinPin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

6、与Voc、Isc、FF息息相关。6、晶体硅太阳能电池性能影响因素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)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15所示。由于电阻的值与面积密切相关，通常在分析时采用“归一化电阻(nomalized resistance)概念，其单位为cm2，根据欧姆定

7、律，将I值以J值替代，得到：R(cm2)=VJ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pn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pn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。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

8、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pn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。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。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

9、。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AgSi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AgSi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O1至十几微米的

10、银颗粒，占浆料总重的6080左右；玻璃料主要是氧化物(PbO、B203、Si02、Bi03、ZnO)粉末，占总重的510左右m，41421。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。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300700C，高温温度为700900”C。在低温阶段，浆料中的有机溶剂和有机粘合剂被蒸发或

11、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AgSi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Agsi共晶点温度835C，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

12、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pn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

13、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08 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

14、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。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。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

15、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 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 65sq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。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。谢谢