晶体硅太阳能电池结构及原理

背电场技术是一项极为有效的措施，它对高电阻率（如10欧姆厘米） 衬底的硅太阳能电池效率的提高更为明显。太阳能电池的转换效率可 达15%-20%左右。
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3.2 晶硅太阳能电池技术的发展
3.2.1 早期的硅太阳能电池 1941年，首个基于“生长结”的光伏器件被报道，如下图a所示。分析 认为这种电池效率小于1%。 1952年，Kingsbury提出 了一种更好的控制结形 成的方法。（图b） 1954年，贝尔实验室采 用锂扩散成结，转换效 率为4.5%。
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3.3.4 紫电池
紫外光电池的浅结也会带来两个新问题： 采用浅结会提高表面薄层扩散电阻R，必然使电池的串联电阻Rs增大，
加大功率损失。所以用“密栅”措施进行补救。 应选择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合，才能有效地提高短波光
谱响应。例如：用SiO2膜作减反膜，则它对0.4μm以下波长的光有较 大的吸收，而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。若改用 Ta2O5膜或用ZnS/MgF双层减反膜，都可以得到较好的结果 因而与常规电池相比，紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层”薄 的特征（如前图(b)所示），这种电池对短波长的光有特别高的灵敏度。
多晶硅效率较低的原因
① 晶粒与晶粒间存在晶界，形成复 合中心，减少自由电子数量
② 晶界的硅原子键合较差，易受紫 外线破坏而产生更多的悬挂键， 随使用时间增加，悬挂键的数目 增加，造成光电效率劣化
③本身杂质比单晶硅多，且多半 聚集在晶粒边界，杂质的存在 使得自由电子与空穴不易移动
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
结晶硅电池的结构是一个具有PN结的光电器件。包括硅衬底、PN结结 构、支构面、防反射层、导电电极与背面电极
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
衬底：衬底的作用是作为太阳能电池的承载。硅太阳能电池是以硅半 导体材料为底材衬底。 衬底的选择：一般来说,除了价格成本和来源难易外,根据不同用途,可 从以下几方面选择: 1. 导电类型 P型硅用B作为掺杂元素，制成n+/p型太阳能电池； n型硅用P（或As) 为掺杂元素，制成p+/n型太阳能电池； 两类电池性能相当，但n+/p型太阳能电池耐辐照性能优于p+/n型太阳 能电池，更适合空间应用。
① 为了让移动至表面的电子/空穴容易到达 电极端，以减少电子/空穴在表面再复合的 几率，理论上电极面积需较大
② 为了避免典型金属电极阻挡光的入射并造成 光的反射，电极所占面积应越小越好
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
电极图形设计：设计原则是使电池的输出最大。要兼顾两个方面： 使电池的串联电阻尽可能小，电池的光照作用面积尽可能大。
3. 结晶硅太阳能电池结构与原理
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本章主要内容与学习目标
本章介绍典型晶体硅太阳能电池的结构及其原理。通过学习本章，学 生应了解以下内容：
1. 晶硅太阳能电池结构及其原理。 2. 晶硅太阳能电池高效结构设计及其原理。 3. 晶体硅高效率硅太阳能电池的发展。
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3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构
硅的基本性质
原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属
于元素周期表上IVA族的类金属元素。
14Si
晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属 于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。
硅
3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构
硅的基本性质 常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
空气折射率为1，而nsi=3.5~6，因此适当的防反射层的折射率n为 1.8~2.5。
所需厚度与拟防反射的光的波长有关。 常见的防反射层多半是绝缘性的介电材料，如SiN（n=2.1）、TiO2
（n=2.3）、Al2O3（n=1.86）、SiO2（n=1.44）
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
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3.1.1 结ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ硅太阳能电池的种类
单晶硅太阳能电池特点： ① 完整的结晶，易得到高效率 ② 不容易产生光致衰退 ③ 发电特性稳定，约有20年的耐久性 ④ 硅原料丰富 ⑤ 承受应力强
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3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池的效率为13～ 16%，是目前市场上最主流的产品
R=
������2−������0.������������������ 2 ������2+������0.������������������ 2
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
通过在空气与硅表面间置入一个特定折射率的介电层作为防反射层， 能有效降低界面反射损失。防反射层的最佳折射率n及厚度d应满足： n = ������Si������0 λ = 4nd
触电阻会变大从而增加串联电阻 ③ 若N+与P层的掺杂量大，与电极的接触电阻会变小从而降低串联电阻
值，但表面再结合速率会变大
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
支构面
支构面的作用是通过光的散射与多重反射，提供更长的光路径。因此， 光子的吸收数目可以增多，以提供更多的电子-空穴对。
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
单晶硅太阳能电池在不同入射角与不同防反射材质条件下的光反射率：
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
上电极
上电极的作用是将移动至表面的电子/空穴取出，以形成外部电流， 提供给外部负载。由于电极与硅材料接触，为了降低串联电阻，电极 与硅材料必须是良好的欧姆接触，既是电压与电流的线性关系。
在上表面，光照面的电极多由数条主要的主栅所组成。设计电极有两 个考虑是互相冲突的：
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
一般是P型衬底。P型衬底中的少数载流子电子的扩散系数与扩散距离 比N型中的少数载流子空穴要长，使用P型衬底可以得到较佳的光电流
2.电阻率 由原理可知，开路电压随着
硅基板电阻率的下降（掺杂浓 度的提高）而增加。
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
3. 晶向、位错、寿命 一般要求单晶沿（111）晶向生长，切割下的硅片表面与（111）单晶
（100）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为 （111）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
可通过不同途径实现表面织 构化：晶体硅可通过腐蚀晶 面的刃面来实现织构化 如果晶体硅表面是沿内部原 子排列的，则织构化表面类 似金字塔。商业单晶硅电池 常用的手段。 另一种形式的织构化：倒金 字塔。
平行。除了某些特殊情况外，晶向要求不十分严格。制成绒面太阳能电 池需要晶向为（100）的单晶硅片，在不要求太阳电池有很高转换效率的 场合下，位错密度和少子寿命不做严格要求。 4. 形状、尺寸、厚度
空间应用的硅太阳电池都为方形，以减少组合方阵的表面积。随着工 艺的进步，向大面积、薄厚度、高效率方向发展，目前标准的电池尺寸 是2x2cm2或2x4cm2等，基板厚度约为0.2mm.
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3.2.3 背面场
如果太阳电池的厚度超过100um，由于背表面的复合作用不明显，因 而没有必要利用BSF结构，但对于薄膜电池，BSF效果就非常明显了。
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3.3.4 紫电池
紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面（受光面）由于载流 子的复合而使效率减小的电池。 紫电池采用很浅的扩散结，避免“死 层”的形成
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面 不是完整的<111>晶面。 但可采取照相平版印刷、用激光机械雕刻前表面等方式实现织构化 （下图为照相平版印刷织构化多晶硅表面）：
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
防反射层
防反射层的功能是减少入射的可见光在硅器件的表面反射。需要防反 射层的原因是由于硅材料在可见光到红外线波段400～1100nm的区域 内有相对于空气较大的折射率3.5～6.0.也就是说，在可见光区域有接 近50%，红外线区域内有30%的反射损失。在三层物质的界面的电磁 波反射系数R为：
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3.3.6 钝化
钝化技术-体内钝化方案 将杂质移动到无害位置（铝背场、发射区） 用氢钝化悬挂键，这些悬挂键位于晶粒边界、位错附近
轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
结晶硅太阳能电池可以分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池
一般来说一个电池的输出电压为0.5V左右，最大输出功率与有效面积有关，一个 效率为15%的电池输出功率为1.5W左右， 为满足需要，把很多电池并联或串联在 一起，形成模组，若想得到更大效率输出，则需要阵列。
支构面通常通过在硅表面以化学侵蚀液形成（111）面微小四面体金 字塔来构成组织构造。 各向异性腐蚀就是腐蚀速度随单晶主要的不同晶向而变化，一般来说， 晶面间的共价键密度越高，则该晶面族的各晶面连接越牢，也就越难 腐蚀，因此在该晶面族的垂直方向上腐蚀速度越慢。反之，越容易腐 蚀。由于（100）面的共价键密度比（111）面低，所以(100) 面腐蚀 比(111) 面快。
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
背面电极
背面电极（或称下电极或底电极）的主要功能是移动至下表面的电子 /空穴取出，以形成外部电流提供给外部负载。背面电极的另一个功 能是提供背向表面电场。
由于背面电极多为铝金属，在烧结过程中，铝原子会进入到硅材料中 作为掺杂，因此造成硅材料在接面处为重掺杂结构，在P+区形成的高 势垒将防止方向错误的电子进入到底电极，因此可提高开路电压Voc。