工业硅晶电池短路电流的损耗机理和分析方法.docxVIP

?从理论上来说，晶体硅能够在标准太阳辐射光谱AM1.5G（即大气质量1.5G）下产生光生电流密度高达46 mA/cm2，但是目前最标准的工业晶体硅太阳能电池只能产生短路电流密度（JSC）大约35-36.5 mA/cm2（多晶硅）和36.5-38 mA/cm2（单晶硅）。 ? ? ? ?为什么所有的光子不能被充分利用而产生理论电流值？哪些机理是造成这些电流损耗的根本原因？如何才能改进制造工艺而将各种损耗降到最低？在这篇文章中，我们将以工业晶体硅太阳能电池为例，简要分析它的各种电流损耗机理，并将它们量化 （这是传统技术无法直接测量的），以便更清楚地了解哪些损耗可以被最大可能地改进甚至避免，从而帮助业界在提高电池转换效率的同时将制造工艺的费用尽可能降到最低。 ? ? ? ?如图1所示，太阳能电池的光谱吸收根据光的波长可以大致分成三个波段：（a）蓝色光（300-500 纳米），（b）可见光（500-1000 纳米），和（c??近红外光（near-infrared）（1000-1200 纳米）。大多数的蓝色光在减反膜（anti-reflection coating）和发射极（emitter）中衰减，然而可见光在体内（bulk）被吸收，同时近红外光在电池内部经过多次内部反射。因此，光生电流在很大程度上受波长的影响，对于标准工业制造的晶体硅片太阳能电池，它的电流损耗机理可以归类为八种类型：（1）前表面金属遮蔽（shading）（包括整个光谱在金属接触中的吸收和反射），（2）前表面减反膜的反射 ，（3）前表面光子逃逸（front surface escape）（由于光在电池内部从背表面反射而从前表面离开），（4）蓝色光的损耗（包括在减反膜的吸收和收集损耗），（5）可见光收集损耗，（6）近红外光的收集损耗，（7）近红外光寄生吸收（parasitic absorption），和（8）非均匀损耗。以标准工业制造的p型单晶硅（mono-Si）太阳能电池为例，它们通常带有铝背接触背表面场（back surface field），它们电流损耗机理的量化分析如图2所示。 ? 图1 典型晶体硅太阳能电池的光谱吸收。 ? ? ? ?在这个例子中，光谱根据波长被分为三个波段：(a) 蓝色光 (300-500 纳米), (b) 可见光 (500-1000 纳米), 和 (c) 近红外光 (NIR) (1000-1200 纳米)。光在这三个波段中不同的吸收程度决定了其不同的电流损耗机理。此外，图中还显示了(d) 由前表面金属遮蔽（包括整个光谱在金属接触中的吸收和反射）造成的光的损耗。 图2 标准工业制造的p型单晶硅太阳能电池的电流损耗（mA/cm2）分析图表 ? ? ? ?一片电池的总计电流损耗为8.2 mA/cm2。 ? ? ? ?由此可见，对于例举的这个单晶硅太阳能电池而言，占主导地位的电流损耗机理是前表面金属遮蔽（2.76 mA/cm2）和近红外光寄生吸收（2.81 mA/cm2）。前者来自于目前的丝网印刷工艺，有5-8 ％的金属覆盖在电池的前表面，后者源于不完善的电池内部背面反射，导致背表面吸收了大量的波长在1000-1200纳米范围内的光子。当然，想要以最大限度地减少这些损失，最终的解决方案应该是背接触（interdigitated back contact, IBC）太阳能电池。 ?这种电池的设计将n型接触和p型接触全都制备在背表面而且采用一个比较理想的电介质反射器（dielectric reflector）在背表面，使前表面实现最大的受光面积并提高陷光作用（light trapping effect），这在很大程度上解释了为什么美国SunPower公司生产的电池短路电流密度可以达到40.5 mA/cm2。与此同时，很多现今正在探讨的降低成本的解决方案，在不久的将来会逐渐减少以上列举的电流损耗机理。这些研究和开发工作不但致力于用模具（stencil），喷墨（inkjet）和电镀（plating）金属化（metallization）工艺代替丝网印刷，或者采用更精细的网格（mesh）技术去减少金属线宽度，从而解决金属遮蔽的问题，同时还致力于开发背表面钝化技术从而取代传统的铝背接触背表面场（Al-BSF）或者制造更理想的平缓背表面太阳能电池来提高体内背表面反射，以便解决近红外光寄生吸收的问题。例如，局域背表面场（Local BSF）太阳能电池，通过在晶体硅和铝背接触之间增加一些电介质背表面钝化层，进而使电池内部背表面反射大大增强，这样只是单独从提高电池光学性能方面考量，短路电流密度就可以提高超过0.5 mA/cm2。同时，通过改进生产工艺，使铝背接触背表面场（Al-BSF）与多个平缓背表面结合来降低粗糙度，也将更巧妙地减少近红外光的吸收损耗。 ? ? ? ?减