光谱总结汇编

1、太阳光谱

由于宇宙是近似真空的，太阳表面温度接近6000K ，我们把其放射光谱等同于该温度下的黑体辐射。由普朗克黑体辐射定律可知能量密度频谱：

581

(,)1

hc

kT hc T e λπμλλ=- 辐射率，在单位时间内从单位表面积和单位立体角内以单位频率间隔或单位波长间隔辐射出的能量。

太阳光经过 1.5亿公里传输到达地球大气圈表面的光谱辐射能量为太阳常数，大约其值为1.367 kW/m2 ，因此大气圈外的太阳光谱定义为AM0，其中大气质量(air mass)用来估量因为大气层吸收后，所导致影响太阳光谱表现与总体能量值。图一说明大气质量的计算方法，大气质量数值常是使用Air Mass =1/cos θ来计算的，其中θ=0所代表的是太阳光线从头顶上方直射下来。地球表面用以衡量太阳光谱的大气质量值是大于等于1，由于太阳光谱AM1.5更加接近人类生活现实，因此常被我们选用，此时太阳光入射角偏离头顶48.2度。当太阳光照射到地球表面时，由于大气层与地表景物的散射与折射的因素，会多增加百分之二十的太阳光入射量，抵达地表上所使用的太阳电池表面，其中这些能量称之为扩散部份，因此针对地表上的太阳光谱能量有AM1.5G (global)与AM1.5D(direct)之分，其中AM1.5G 包含扩散部分的太阳光能量，而AM1.5D 则没有。图一中人站的位置表示的是海平面位置，如果不是处于海平面，则应引入大气压力对大气质量进行修正。

图一、大气质量的计算方法示意图

图二、大气圈外(AM0)与地表上(AM1.5)太阳光能量光谱图二所表示的即是大气圈外(AM0)与地表上(AM1.5)太阳光能量光谱。AM1.5G 光谱的总照度为963.75W/m2，而AM1.5D光谱的总照度为768.31W/m2，为了方便国际标准化组织确定为1000 W/m2。

图三、各省太阳能资源分布图

2、大气因素

图四、大气中各成分含量和分布

大气对太能辐射的影响主要有反射、吸收、散射。

大气散射

当太阳光遇到大气中小微粒，且这些分子或者微粒的直径小于或相当于辐射波长时，使传播方向发生改变。大气散射主要形式有：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。

时引起的散射。散射系瑞利散射：散射粒子的直径比光波波长要小很多(d

数于波长的四次方成反比，波长越长，大气散射能力越强。主要由大气分子引起。 米氏散射：当微粒的直径和辐射波长接近时(/3

非选择性散射：质点直径大于电磁波波长时，散射率与波长没关系。

大气反射：太阳辐射穿过大气时，被大气中的云层和较大尘埃将其一部分反射到宇宙空间去，从而削弱到达地面的太阳辐射。大气中的反射对各种波长没有选择性，反射光呈白色。大气反射物质中云最为重要，其反射强度随云状、云厚而不同，高云反射率约为25％，中云为50％，低云为65％，云层愈厚反射愈强，一般情况下云的平均反射率为50—55％。大气反射有助于削弱太阳辐射，尤其能减少紫外线对人体的灼伤。

图五、大气对太阳辐射的吸收、散射、反射

大气吸收

光波在大气中传播时，大气中各气体成分会吸收某些波长的波。吸收作用比较显著的气体成分是水汽、二氧化碳和臭氧等，它将所吸收的光波能量转变成热能和电离能等。臭氧主要吸收紫外光，太阳光辐射中99%的紫外光都被臭氧层吸收了。二氧化碳和水主要吸收的是红外光。

太阳辐射的紫外部分，波长在2000埃以下，主要被大气中原子态或分子态的氧和氮所吸收，完全不能到达地面。波长短于3400埃的太阳紫外辐射，由臭氧的哈特莱吸收带(2000～3000埃)和哈根斯吸收带（3200～3600埃）的共同作

用，在到达地面之前，也绝大部分被吸收(见)。在可见光窗区，大气吸收较少，这里主要有臭氧的夏普伊吸收带（4300～7500埃），氧在5384埃和7621埃附近的吸收，以及水汽在6943.8埃附近的吸收等。

3、太阳能电池及组件系统

太阳能电池基本结构

太阳能电池生产工艺：

(1)、表面制绒

单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。

(2)、扩散制结

太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散

源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。

(3)、去磷硅玻璃

该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。

(4)、等离子刻蚀

由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。

(5)、镀减反射膜

抛光硅表面的反射率为35%,为了减少表面反射,提高电池的转换效率,需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD 即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。

6、丝网印刷

太阳电池经过制绒、扩散及PECVD 等工序后，已经制成PN 结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。受丝网技术的限制，前表面的金属电极不能做的很窄，从而遮挡了光在硅片内的有效吸收。取决于硅片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580—620mV 之间，短路电流密度在28—33mA/cm2之间，以及填充因子(填充因子是指太阳电池最大功率与开路电压与短路电流乘积的比值，是评价太阳电池输出特性的一个重要参数。)在70%—75%之间。对于大面积的电池，电池表面10%--15%面积被电池表面电极遮挡了。

7、快速烧结

经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。

太阳能电池各部分对电池性能影响

(1)、表面金字塔结构

金字塔形角锥体的表面积S 1等于四个边长为a 正三角形S 之和

21142S a a =??=

由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1.732倍。

当一束强度为E 0的光投射到图中的A 点，产生反射光1Φ和进入硅中的折射

光2Φ。反射光1Φ可以继续投射到另一方锥的B 点，产生二次反射光3Φ和进入半导体的折射光4Φ；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有

11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%。

(2)、氮化硅减反射膜

我们所用的PECVD 制备的SiN 薄膜是非晶体膜，其结构与短距离的化学键有关。氮化硅薄膜中除了Si-N 成分以外，还含有相当可观的弱键氢和痕量氧。薄膜的含H 量较高，可达20~30%（原子百分数）。适量的H 会对表面起钝化作用。硅和氮化硅界面处电荷的界面态密度很高，这种界面态对界面附近的载流子会起到陷阱或复合中心的作用。氢钝化能有效降低表面复合速度，增加少子寿命，从而提高太阳电池效率。氮化硅薄膜的折射率比较高，非晶态氮化硅薄膜的折射率随Si/N 比在一定范围内波动，折射率n=1.8~2.4。氮原子含量增加，折射率降低；硅原子含量增加，折射率增大。此外，还和沉积温度有关，沉积温度提高，折射率增大，这是由于温度升高使薄膜致密度提高的缘故。

减反射原理：

照射到硅片上的光因为反射不能全部被硅吸收。反射百分率的大小取决于硅和外界透明介质的折射率。垂直入射时，硅片表面的反射率R 为

2

Si o Si o n n R n n ??-= ?+?? 其中，n Si 为硅的折射率；n o 为外界介质的折射率。在真空或者空气中，我们近似取n o =1。在真空或大气中，如果硅表面没有减反射膜，长波范围(1.1μm )入射光损失总量的34%，短波范围(0.4μm )为54%。即使在硅表面制作了绒面，由于入射光产生多次反射而增加了吸收，但也有约11%的反射损失。

在硅的表面制备一层透明的介质膜，由于介质膜的两个界面上的反射光相互干涉，可以在很宽的波长范围内降低反射率。此时反射率由下式给出

式中，r 1、r 2 分别是外界介质－膜和膜－硅界面上的菲涅尔反射系数；Δ为膜层厚度引起的相位角。它们可分别表示为

010n n r n n

-=+

04nd π

λ?=

当薄膜的光学厚度为四分之一个波长，n =时R=0，反射最小。 地面太阳光谱能量的峰值在波长0.5μm ，而硅太阳电池的相对响应峰值在波长0.8～0.9μm 。因此减反射效果最好的波长范围在0.5～0.7μm ，可取λ0=0.6μm 。具有这一厚度减反射膜的硅太阳电池，由肉眼看来呈深蓝色。此时硅的折射率n Si =3.9，所以如果电池直接暴露在真空或大气中使用，最匹配的减反射膜折射率n 约为1.97。

(3)、硅的吸收

半导体与光之间的相互作用，主要是通过光子与半导体中的电子、原子之间的相互作用，表现为对光的吸收，光电导或发光等效应。但在太阳能电池中，主要体现为对光的吸收，导致电子从低能级跃迁到较高能级。我们也仅考虑一个能产生光生载流子的光子只产生一对空穴电子对。尽管半导体对光吸收的过程具有多种2Si

Si n n r n n -=+

机制，如本征吸收、激子吸收、杂质吸收等，但主要表现为本征吸收，这主要通过光学吸收系数来表征。一般来说，吸收系数跟波长和温度相关。温度对吸收系数的影响，主要考虑温度对禁带宽度的影响，在此不加以讨论。

光学吸收系数本征吸收是指在光照下具有足够能量的光子使价带内中的电子越过禁带跃迁到空的导带。这电子吸收光子的过程必须满足选择定则，即能量守恒和动量守恒两个原则，初态能量为E ，波矢为k 的电子吸收能量为ω的光子后，跃迁到能量为f E 、波矢为k '的末态，根据能量守恒和动量守恒，应有如下关系：

k k '-=光子动量

f E E ω-=

这使电子跃迁分为直接和间接跃迁。

对于直接跃迁，光子能量与吸收系数的关系为

()0()g g h E h E ανν=≥=<

上式A 为一个基本常数。

对于间接跃迁，还得考虑电子和晶格之间的相互作用。这是由于要满足动量守恒定则在间接跃迁过程中必须发射或者吸收一个声子，它是一个二级过程。根据相关理论可知，发射声子和吸收声子的过程的光学吸收系数可以写成

()(exp()1)g p p h E E A E kT

να±-±'=±±- 上式中，“+”表示吸收声子的过程，与之相反，“-”表示发射声子的过程，p E 表示声子能量。当g p h E E ν>+时，此时吸收声子和发射声子的跃迁过程均可以发生，此时吸收系数为αα+-+；当g p g p E E h E E ν+≥>-时，此时只能吸收声子跃迁，此时吸收系数为α+；当g p h E E ν≤-时，此时吸收系数为零。

硅晶体的能带结构

硅的晶体结构是金刚石结构，由两个面心立方结构沿对角线平移1/4对角线长度套构而成其能带结构是间接能隙能带。常温下禁带宽度为1.12eV，当入射光子能量大于1.12eV 时．即可发生光跃迁，电子从价带跃迁到导带。

如下图所示光子能量在1-10eV范围内硅的光吸收系数，光子能量小于2.4eV,吸收系数很小发生间接跃迁。光子能量大于2.4eV时，吸收系数开始增大，这时候开始发生垂直跃迁。在3eV-3.5eV吸收系数增加很快，垂直跃迁逐渐成为主要的跃迁形式。

硅晶体的光吸收系数

能量h υ ≥ Eg 的入射光，在太阳能电池中传播时，被价电子吸收而激发光生电子－空穴对，是太阳电池电池中主要的非静电相互作用。它由入射光在太阳电池中传播的衰减规律：

I (x ) = I (0)(1? R )exp[?α(λ)x ]决定。

式中α(λ)是太阳电池材料对波长为λ的光的吸收系数。I (0)是太阳电池表面x=0处的入射光强，R 为表面反射率，I(x)是表面至太阳电池内x 处的光强。显然，若研究给定衬底的太阳电池，其截止波长0g

hc E λ=，相应地穿透太阳电池中的平均深度x 被看成是能产生光生载流子对的主要工作区，它的值应为：

Si 在300K 时Si 的Eg 为1.12 eV ，相应截止波长：0 1.1m λμ=。10()120cm αλ-≈可得83x m μ≈Si 电池的主要工作区不到100μm 。当然，实际的工作区域比这个值要大得多，可由给定的长波限λ0值确定，Si 吸收99％的相应吸收厚度0x =384μm 。

太阳电池对应于不同光的波长的响应特征称为分光感度特征。一般用光的波长与所转换生成的电能的关系，即用分光感度特征来表示。

(4)铝背场

随着生产技术的进步，晶体硅太阳电池的厚度不断减薄，从早期的325μm 到270μm，再到240-220μm，而下一步的发展目标是180-150μm。随着厚度的不断变薄，硅片少子体寿命对电池效率的影响逐步降低，这主要是因为随着硅片厚度减薄，基区少子到达pn结所需距离变短，这就意味着，即便材料的少子寿命较低，仍然有足够的扩散长度保证足够多的少子被pn结收集。与之相对应的，电池片上下表面的复合速率对效率的影响逐步增长。改善表面钝化的质量、降低表面复合速率已经成为提高电池效率的主要手段之一。目前工业上主要采用铝背场进行表面钝化。

(1)表面钝化，降低背表面复合速率，提高少数载流子的收集率，提高开路电压。由于硅太阳电池的吸收峰值在900nm附近，长波穿透深度大，直到靠近背电极一侧都能产生大量的光生载流子，背电极界面处相当于一个无穷大的复合陷阱层，当少数载流子被扩散到背电极界面时，很快被复合。由于背面场的存在，p -p结阻止光生少子向p区扩散，提高了少数载流子的收集效率，降低了暗电流分量。背表面场对开路电压的提高也有很大的作用，随着P层掺杂浓度的提高，层

内电子的扩散系数减小，浓度达到1019cm-3时，电子的扩散系数最小，p-p结

的电场能作用在整个p区内时，背电场对电子的收集和开路电压的提高最为有效。

(2)作为背反射器，增加光程，提高短路电流。

之内的长波，它们在硅片内的穿透深度较长，只有在硅片足够厚的时候对于

才能够被完全吸收。所以，在没有背场的情况下，硅片厚度减薄，减小了光程，降低了硅对长波的吸收，进而减小了短路电流。在有背场的情况下，背场可以把光发射回电池，增加光程，提高了硅对长波段的吸收。

(3) 作为电极输出端，降低接触电阻，提高转换效率。

背电场除了能够提高少子的收集外，还能够很好地作为电极的输出端。因为铝易于与P型硅形成欧姆接触，为此我们一般都采用铝-硅合金来作铝背场p- p结，铝硅合金结构，不仅具有背场的作用，而且还能够很好地构成背面欧姆接触，作为电流的输出电极，降低接触电阻，改善电池的电学性能。

(4) 铝吸杂，提高体寿命。

在700～900 ℃时,许多重金属杂质在铝中的固溶度比在硅中的固溶度高4～10个数量级,并且金属杂质在硅中的扩散速度远大于磷、硼等替位式元素。铝吸杂通常的方法是在硅片表面蒸镀铝并进行一段时间的热处理,金属杂质就被吸附到铝层,以此来改变硅片的性能。

无铝背场时,电池的短路电流随电池厚度的减小而降低。因为太阳电池吸收光子能量产生电子-空穴对, 基体材料对入射光的吸收是按I ( x ) =I0 exp ( - α(λ) x) 规律变化I0是太阳电池表面x = 0 处的入射光强，α(λ)是太阳电池材料对波长为λ的光的吸收系数, I ( x) 是表面至太阳电池内x 处的光强)。单晶硅太阳电池要吸收99 %的光所需要的吸收厚度为384μm。在50～350μm 厚度范围内,随太阳电池厚度的减小,基体不能充分地吸收入射光,从而影响产生电子空穴对数目,导致太阳

电池的短路电流降低。

有铝背场时,只有硅片厚度小于200μm 时,才能很明显地观察到短路电流随着硅

片厚度的减小而减小。I sc的这种变化趋势,我认为是由于铝背场的高反射率所致。一方面,由于铝背场有助于减小金属与半导体间的接触电阻,从而降低R s 值,提高I sc ;另一方面,硅片厚度小于300μm ,基体不能完全地吸收入射光,部分光到达铝背场处,由于发生高内背表面反射,这种作用的最终结果是基体内总的光生载流子数目几乎不变。且由于硅片厚度变薄,电子-空穴对的产生更接近pn结,因而更有利于pn结对载流子的收集。大量的实验证实,铝背场的这种效应能提高短路电流。

上图为丝网印刷工艺技术制备出的铝背场的表面形貌，可见存在大量大小不均的铝颗粒，表面较为粗糙，空隙较多。在制备单晶硅电池的铝背场过程当中，不仅要考虑其接触电阻，吸杂能力，由于铝背场同时还担当起到背反射镜的作用，将到达铝背场的入射光反射回去，从而提高电池对光的利用率。随着硅片进一步减薄，这一作用将越来越明显和重要，所以平整细腻的铝背场表面无疑可大幅度提高其反射率。

(5)栅线

目前常规工业化晶硅太阳电池的正面金属栅线面积约占整个电池面积的8％，其中60％的面积是细栅线(finger，也称为副栅线)，40％的面积为主栅线(busbar)。金属栅线由不透光的银颗粒及玻璃体组成。在工艺上要求栅线间距约3mm、宽度约0.10～0.12mm。烧结后高度为12-15μm。

考虑在一般情况下面积为10cm×10cm的正方形单晶硅太阳能电池。细栅线宽度

125μm，厚度12μm，主栅线宽度为0.158cm，厚度35μm。细栅线间距0.274cm。可以计算得到栅线遮盖损失为7.73%。

最近应用材料公司利用两台不同的印刷设备制作了80μm宽30μm高的细栅线。这种方法减少了大约20%的阴影损失，相应的也降低了电阻系数。

因此为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失，可以从以下几个方面考虑：

1)缩小细栅的宽度：工业化生产中丝网印刷的细栅线的宽度已经从过去几年的140-150 μm逐步降低到100-120μm左右，并有继续缩小到80 μm左右的潜力。

2)超细主栅或无主栅：主栅的宽度通常为1.5mm(对于125mm边长的电池片，或156 mm边长3根主栅的电池片)，将主栅宽度缩小甚至完全移至背面，如metal wrap through技术。

3)背面接触：如果使用emitter wrap through技术则可将正面所有的细栅线和主栅移至背面，大大增加短路电流。

4)栅线内反射：栅线是良好的光线反射体，通过特殊设计，可以将部分反射光线通过玻璃、封装材料等内反射再回到电池片表面。

(6)EV A，钢化玻璃

太阳能电池封装用胶膜是以EV A为基料，辅以数种改性剂，经过膜设备热轧而成薄膜型产品。EV A树脂是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，结构如下：

醋酸乙烯含量小于40％的产品为EVA树脂。

醋酸乙烯含量40％～70％的产品很柔韧，富有弹性特征，这一含量范围的EVA 树脂有时称为EVA橡胶；

醋酸乙烯含量在70％～95％范围内通常呈乳液状态，称为VAE乳液。VAE乳液外观呈乳白色或微黄色。

太阳能行业一般含量为30%～33%。EVA厚度在0.4mm～0.6mm之间，表面平整，厚度均匀，内含交联剂，能在150℃固化温度下交联，采用挤压成型工艺形成稳定胶层。一般透光率(％)：≥91

EV A对玻璃的增透作用：EV A和玻璃的折射率约为1.5，正是EV A的折射率比空气更接近于玻璃，从而降低总反射率。

吸收紫外光的作用：EV A胶膜能够吸收大部分紫外光，从而能够保障太阳电池长年正常工作在日光之下。

封装用的玻璃是采用透光率高的低铁钢化白玻璃,厚度一般为3. 0~ 4.0mm, 在320~ 1100 nm的波长范围内, 其透光率达90% 以上, 对于波长大于1200 nm 的红外线有较高的反射率, 耐紫外光辐射性能好。

TPT一般常用三层结构（PVF/PET/PVF），外层保护层PVF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为PET聚脂薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVF需经表面处理和EV A具有良好的粘接性能。