第４１卷第５期 兰州理工大学学报 Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．５ ２０１５年１Ｏ月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｃｔ．２０１５ 文章编号：１６７３－５１９６（２０１５）０５—００９５—０４ 晶体硅太阳电池效率的损失分析 李 仲 ，赵景新 ，孟雷超 ，马元良 ，朱福良 （１．青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁８１０００７；２．兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州７３００５０） 摘要：提高光伏器件的光电转换效率，同时降低成本是光伏器件走向大规模应用的关键．根据晶体硅太阳电池的基 本结构，详细分析造成晶体硅太阳电池各项效率损失的物理因素和损失机理，并给出主要损失分布的定量结果．对 光伏器件结构的设计、制造工艺技术的优化有重要指导意义． 关键词：晶体硅电池；效率损失；形成因素；物理机理 中图分类号：ＴＭ９１４ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ＬＩ Ｚｈｏｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｊｉｎｇ—ｘｉｎ ，ＭＥＮＧ Ｌｅｉ—ｃｈａｏ ，ＭＡ Ｙｕａｎ—ｌｉａｎｇ ，ＺＨＵ Ｆｕ－ｌｉａｎｇ。 （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｘｉｎｉｎｇ ８１０００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｋ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ，ｍｅａｎｔｉｍｅ，ｄｅｃｒｅａｓｅ Ｏｆ ｉｔｓ ｃｏｓｔ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ｅｎｔｅｒ ｉｎｔｏ ｉｔｓ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ，ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａ１ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｆｏｒｍａｔｉｖｅ ｍｅｃｈａ— ｎｉｓｍ ｏｆ ｉｔｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｌｏｓｓｅｓ ｉｓ ｍａｄｅ ａｎｄ ａ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｌＯＳＳ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ． ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｂｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｅｌｌ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｌｏｓｓ；ｆｏｒｍａｔｉｖｅ ｆａｃｔｏｒ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 开发利用新能源和可再生能源具有巨大的环境 管，能直接把光能转换为电能．常规Ｐ型衬底晶体 效益，是实现经济社会可持续发展战略的一项重要 硅太阳电池结构如图ｌ所示．太阳电池的工作原理 措施．进入２１世纪以来，光伏产业特别是晶体硅太 是：能量大于半导体禁带宽度的光子被半导体吸收 阳能产业成为了世界上增长最快的高新技术产业． 后，可以产生光生载流子即电子一空穴对，在复合之 提高太阳电池的光电转换效率并且降低其成本是太 前由半导体Ｐ—ｎ结所形成的内建电场所分开．当外 阳能在未来逐步成为替代能源的关键，也是业界追 电路处于断路状态时，分离的光生载流子便在ｐ－ｎ 求的核心目标．其中效率损失机理分析是太阳电池 结两侧积累形成光电压，这就是光生伏打效应，简称 提高效率的关键问题．本文根据晶体硅太阳电池的 “光伏效应”．若电池与负载连接，将形成回路并向负 基本结构，分析造成电池光电转换效率低的自然限 载供电． 制及技术性损失，即光学损失、复合损失、电学损失 机理．对电池器件结构的设计、制造工艺技术的优化 有重要指导意义． １太阳电池的基本结构和工作原理 一个太阳电池就是一个大面积的半导体二极 电流 图１晶硅太阳电池的结构及发电的基本原理 收稿日期：２０１４—１１—２７ Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅ￣ｎａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｒｕｃｌｕｒｅｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ａｎｄ 基金项目：青海省科技计划项目（２０１４一ＺＪ一７２５） ｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ 作者简介：李仲（１９６４一），女，山东潍坊人，教授 第５期 李仲等：晶体硅太阳电池效率的损失分析 在这个效率极限范围内． ２．２太阳电池光电转换效率的技术损失 前面的分析没有把光的反射、吸收、载流子的复 合、电阻的能量损失等业界可以不断努力克服改善 的因素列人自然局限因素．下面讨论效率的技术损 失，即实际太阳电池材料与工艺技术非理想因素带 来的效率损失． ２．２．１光学损失 １）被电池正面电极遮挡及电池表面反射的光 能量， 当一束光线照射在平整的抛光硅片上时，约有 ３２．６ 的太阳光会被反射，硅太阳能电池只能吸收 ６７．４ 的阳光，这意味着近三分之一的阳光被反射 掉了，从经济和效率的角度来看，这种情况已经成为 太阳能吸收的一个主要障碍．目前产业界通过前表 面绒面织构并加减反膜可以把反射损失减少到５ ～１０ ． 由于电池的正面被接触发射极的金属栅线电极 所覆盖，由此遮蔽阳光而造成一部分光学损失．普通 硅基电池的正面遮光面积一般在７ 左右［４］，如果 能够进一步减少遮光损失则可直接提高效率和降低 银浆耗量．改善这项损失可以采用二次印刷技术将 前电极的形状改为椭圆形来减小遮光面积，提高栅 线高宽比与栅线间距来减少光学损失ｒ６］．也可以采 用ＺｎＯ透明薄膜来做硅基太阳电池的前电极，以减 少遮光 ． ２）被电池内部及铝背板吸收的光能量． 太阳电池光吸收损失包括表面减反膜吸收、电 池内部的自由载流子吸收及Ａｌ—ｓｉ合金和Ａｌ层吸 收损失．中山大学太阳能研究所研究人员利用精确 的全尺寸太阳电池数值模拟得知：常规结构太阳电 池在不考虑前电极影响下，表面减反膜吸收（主要为 短波吸收）损失仅为总光学损失的８．６８ ；电池内 部的自由载流子吸收，占光学总损失的２３．６４ ；到 达器件底部被Ａ１一Ｓｉ合金和Ａｌ层吸收的长波光子 占总光学损失的４Ｏ．９Ｏ ． 前表面反射占光学总损失的ｌ６．２１ ，而底部 反射损失为１０．５７ ［引．可见电池背板吸收是最大 的光学损失．产业上主要采用电池背场Ａｌｚ Ｏ。薄膜 钝化技术来减少这部分损失． ２．２．２复合损失 太阳电池的复合包括辐射复合、俄歇复合、 ＳＲＨ复合和表面复合．下面介绍各种复合机理及特 点． １）辐射复合是光生载流子的逆过程．导带上的 电子与价带中的空穴复合，同时释放一个能量等于 带隙 ＝ｈｖ的光子．辐射复合对于直接带隙半导体 而言，是器件内部主要的复合方式，而对于间接带隙 半导体，如硅而言，辐射复合需要声子的参与，因而 间接带隙半导体中的辐射复合远比在直接带隙半导 体中要小的多，在器件中不起作用［９］． ２）俄歇复合是多粒子过程．最少需要１对电 子一空穴和一个额外的电子或空穴．电子与空穴复合 时，将复合的能量传给周围的电子或空穴，使之突然 获得巨大的动能，跃迁到高能级状态，成为热载流 子，在随后的弛豫时间内热载流子逐渐将能量传给 晶格，回到带边．通常在掺杂浓度很高的硅中会产生 俄歇复合． ３）ＳＲＨ复合硅中的缺陷和杂质．如位错、杂质 和复合体均可以在硅中产生缺陷能级作为多余载流 子的复合渠道，通过这些复合中心产生的复合成为 ＳＲＨ复合． ４）表面复合．在器件的表面和界面处，原子键 由于突然断掉，存在大量的悬挂键（密度１０坫ｃｍｑ） 在晶体表面的禁带中引入深能级复合中心（称之为 表面态），表面态会产生表面复合．表面复合本质上 是ＳＲＨ复合的一种特殊形式．目前产业界通过电 池表面沉积ＳｉＯ。、Ｓｉ ：Ｈ等减反钝化复合薄膜层 来减少表面复合损失． ２．２．３电学损失 包括半导体体电阻、电极电阻及金属栅线的接 触电阻损失．根据太阳电池的等效电路图，电池电阻 可等效成串联电阻和并联电阻两部分．用一个串联 电阻描述各种与外部电路串联并起阻性作用的结 构，并联电阻代表器件中直接连接 ｎ结的电阻结 构． １）串联电阻．主要包括半导体材料的体电阻、 金属电极体电阻和正背面金属电极与半导体材料的 接触电阻三部分．其中细栅线的电阻、细栅线与硅的 接触电阻对器件性能的影响最大．串联电阻增大，会 降低电池片的短路Ｅｇ流，从而影响电池填充因子．并 联电阻的变小也对电池的效率有很大的影响．在相 同变化幅度下，电池效率对串联电阻比对并联电阻 更加敏感． 电池金属电极电阻引起的电学损失和电极遮光 引起的光学损失是制约太阳电池效率的主要因素． 加大栅线宽度可以减低栅线的线电阻，减小电学损 失，但是也同时增大了金属电极的遮光面积，优化的 电池设计需要综合考虑两方面的因素，例如在前表 面制备大的高宽比的金属电极［６］． 兰州理工大学学报 第４１卷 ２）并联电阻．电池边缘漏电、电池表面污浊或 耗尽区内的复合电流构成了电池的并联电阻．并联 电阻严重影响电池片的填充因子．而并联电阻越大， 漏电流也就越小．电池片的开路电压越大，越有利于 提高电池片的转换效率． 引起并联电阻小的因素主要有以下几个方面： 硅片本身金属杂质含量过高或缺陷密度过大导致体 内漏电；硅片边缘蚀刻不彻底或蚀刻过宽；由于背面 印刷铝浆过程污染正面，导致ｐ－ｎ结烧穿；硅片方阻 和烧结不匹配或银浆料与烧结不匹配导致的ｐ－ｎ结 烧穿等［１引．在目前商品化太阳电池中，正常的工艺 操作基本能对并联漏电进行很好的控制． ３结论 总结前面的讨论，对造成太阳电池光电转换效 率低的原因总结如下： １）太阳电池材料本身的光谱响应特性造成大 部分能量浪费在短波光子被硅吸收后以热量的方式 释放出来，这部分占总能量的３２ ；波长大于截止 波长的光子基本不能被硅吸收，这部分约占总能量 的ｌ９ ． ２）对晶体硅太阳电池Ｉ）．ｎ结暗电流相对损失 为６ ～１０ ． ３）完全理想条件得到地面标准太阳光（ＡＭ１． ５Ｇ）照射条件下，温度为２５℃时，晶体硅电池理想 条件下效率为２６．８ ． ４）当一束光线照射在平整的抛光硅片上时，约 有３２．６ 的太阳光会被反射． ５）常规结构太阳电池在不考虑前电极影响下， 表面减反膜吸收（主要为短波吸收）损失仅为总光学 损失的８．６８ ；电池内部的自由载流子吸收，占光 学总损失的２３．６４ ；到达器件底部被Ａ１－Ｓｉ合金和 Ａ１层吸收的长波光子占总光学损失的４Ｏ．９Ｏ ． ６）间接带隙半导体中的辐射复合远比在直接 带隙半导体中要小得多，在器件中不起作用；通常在 掺杂浓度很高的硅中会产生俄歇复合；随着硅片厚 度的减少电池效率损失增加，其原因是由于电池表 面复合加强及部分长波光的吸收损失增大造成的． ７）电池金属电极电阻引起的电学损失和电极 遮光引起的光学损失是制约太阳电池效率的主要因 素． 考虑造成太阳电池光电转换效率低的原因，主 要从两个方面提高太阳电池转换效率．一是光学方 面，尽可能提高太阳电池对入射光的吸收，以产生更 多的光生载流子；另外是电学方面，尽量减少光生载 流子在电池体内及表面处的复合，同时减少各种上、 下电极的电阻损耗，使更多的电力能够输送出外部 负载． 回顾晶体硅太阳电池发展历程，由于制备工艺 和电池结构设计的改善，电池的效率在过去十几年 间不断取得突破，高效晶体硅电池设计的技术路线 已经非常清晰．业界人士相信２Ｏ 效率以上的低成 本高效率太阳电池的产业化生产将在世界上多个地 区，包括中国得以实现． 致谢：本文得到青海民族大学校级理工自然科 学项目（２０１４Ｘ］Ｚ０５）的资助，在此表示感谢． 参考文献： Ｅ１］ ＣＨＡＰＩＮ Ｄ Ｍ，ＦＵＬＬ隙ｃ ｓ，ＰＥＡＲｓＯＮ Ｇ Ｌ Ａ ｎｅｗ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐ－ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐｈｏｔｏｃｅｌｌ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，１９５４，２５（４）：６７６— ６８１． Ｅ２］Ｉｎｔｅｎｒａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ．ＩＥＣ ６０９０４—３ ＩｓＢＮ Ｅｓ］．ＵｓＡ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，２００８： １９－２１． ［３］ＧＲＥＥＮ Ｍ八Ｓｏｌｒａ ｃｅｌｌｓ－ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ３．Ｓｉｄｎｅｙ：Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｓｏｕｔｈ Ｗａｌｅｓ，１９８７：２５—２７． ［４］沈文忠．太阳能光伏技术与应用ｌ－Ｍ］．上海：上海交通大学出 版社，２０１３：８８－９１． ［５］ＳＥｏＣＫＬＥＹ ｗ，ＱＵＥＩＳｓＥＲ Ｈ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ ｂａｌａｎｃｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｅｆｆｉ— ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐ－ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｓｏｌｌａｒ ｃｅｌｌｓ口］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ— ｉｃｓ，１９６１，３２（３）：５１０—５１９． Ｅ６］李涛，周春兰，宋洋，等．晶体硅太阳电池金属电极光学损失 的理论分析与实验研究口］．物理学报，２０１１，６０（９）：０９８８０１ １－５． ［７３丁雨田，张杨，王璩，等．直流反应磁控溅射预制ＺｎＯ晶种 层工艺参数优化口］．兰州理工大学学报，２０１２，３８（４）：１－４． Ｅｓ］ 陈亦峰．晶体硅太阳电池的数值模拟与损失分析［Ｄ●．广州：中 山大学太阳能研究所，２０１３：５６—６１． Ｅ９１ ＧＲＥＥＮ Ｍ Ａ．Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＥＭ］．Ｓｉｄｎｅｙ：Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｗ ｏＳｕｔｈ Ｗａｌｅｓ，１９８７：１３６－１４１． ［１Ｏ］张希堂，任明淑．影响晶体硅太阳能电池片效率的因素分析及 改善措施ＥＪ］．信息记录材料，２０１３，１４（４）：３７—４２．
