太阳能电池培训手册(上)
寿命。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。
1.4影响太阳电池转换效率的因素
一、禁带亮度
VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。
二、温度
随温度的增加，效率η下降。ISC对温度T很敏感，温度还对VOC起主要作用。
对于Si，温度每增加1?C，VOC下降室温值的0.4%，?也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在20?C时的效率为20%，当温度升到120?C时，效率仅为12％。又如GaAs电池，温度每升高1?C，VOC降低1.7mv 或降低0.2%。
三、复合寿命
希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。在间接带隙半导体材料如Si中，离结100?m处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1?s。在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的复合寿命就已足够长了。长寿命也会减小暗电流并增大VOC。
达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。
四、光强
将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了X倍，单位电池面积的输入功率和JSC都将增加X倍，同时VOC也随着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率的增加将大大超过X倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。
五、掺杂浓度及剖面分布
对VOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然Nd和Na出现在Voc定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改变的。掺杂浓度愈高，Voc愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的Nd和Na都应以（Nd）eff和（Na）eff代替。如图2.18。既然（Nd）eff和（Na）eff显现出峰值，那么用很高的Nd和Na不会再有好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。上图
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（b）说明了这一点。
图2.18 高掺杂效应。随掺杂浓度增加有效掺杂浓度饱和，甚至会下降
目前，在Si太阳电池中，掺杂浓度大约为1016cm-3，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为10 cm-为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于10 cm-因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。
当Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，因而也改善了ISC。这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。
六、表面复合速率
低的表面复合速率有助于提高ISC，并由于I0的减小而使VOC改善。前表面的复合速率测量起来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表面场（BSF）电池设计为，在沉积金属接触之前，电池的背面先扩散一层P附加层。图2.19表示了这种结构，在P/P界面
＋
＋
17
3，
19
3，
图2.19 背表面场电池。在P/P+结处的电场妨碍电子朝背表面流动
存在一个电子势垒，它容易做到欧姆接触，在这里电子也被复合，在P/P＋界面处的复合速率可表示为
Sn?NaDn?NaLn??cothWp?Ln? (2.52)
其中N+a，Dn＋和Ln+分别是P＋区中的掺杂浓度、扩散系数和扩散长度。如果Wp+=0，则Sn=∞，
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正如前面提到的。如果Wp与Ln能比拟，且Na>>Na，则Sn可以估计零，Sn对JSC、VOC和η的影响见图2.20。当Sn很小时，JSC和η都呈现出一个峰。
图2.20 背表面复合速率对电场参数的影响。注意，Sn较小时，在
某个电池厚度出现η峰
+
+
+
七、串联电阻
在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。PN结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。一定的串联电阻RS的影响是改变I－V曲线的位置。
八、金属栅和光反射
在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使ISC最大，金属栅占有的面积应最小。为了使RS小，一般是使金属栅做成又密又细的形状。
因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si中。裸Si表面的反射率约为40%。使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为1/4波长、折射率等于n （n为Si的折射率）的涂层能使反射率降为零。对太阳光，采用多层涂层能得到更好的效果。
1.5小结
许多结构，如PN结和金属半导体结，具有明显的单向导电的I-V特性。在照明条件下，它们的I-V曲线沿电流轴平移，接上负载后，该器件在正电压和正电流象限工作，给负载提供功率。
一个太阳电池的转换效率是其输出功率与输入功率之比。为获取高效率，希望有大的短路电流，高的开路电压和大的填充因子，如果太阳电池用禁带宽度（Eg）小的材料做成，则短路电流较大。好的制造工艺及好的电池设计因载流子复合最小，也能使短路电流提高。太阳电池若用Eg大的材料做成，则具有较高的开路电压。填充因子是I－V曲线拐点处陡度的量度，串联电阻可使它变小。通常开路电压较高时，FF也较大。转换效率随光强增大而增大，随温度降低也增大。
用Eg值介于1.2～1.6eV的材料做成太阳电池，可望达到最高效率。薄膜电池用直接带隙半导体更为可取，因为它能在表面附近吸收光子。
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第二章 硅太阳电池常规工艺
自１９５３年研制出具有一定光电转换效率的硅太阳电池后，便被主要应用于空间飞行器的能源系统。最早在尖兵一号卫星上装备了太阳电池，从此，太阳电池在空间的应用不断扩大。
相应地，研制了生产满足空间电池的标准电池工艺流程。该工艺在六十年代和七十年代初期一直被沿用。
到七十年代中期，由于石油危机，人们将注意力投到新能源上。一些企业开始生产专门用于地面的电池，生产电池的工艺有了某些重大的改变。其基本工艺可以归纳为下列步骤：
１、砂子还原成治金级硅
２、治金级硅提纯为半导体级硅 ３、半导体级硅转变为硅片 ４、硅片制成太阳电池
５、太阳电池封装成电池组件
2.1 硅材料的制备与选取
硅是地球外壳第二位最丰富的元素，提炼硅的原料是ＳiO２。在目前工业提炼工艺中，一般采用ＳiＯ２的结晶态，即石英砂在电弧炉中（如图3.１）用碳还原的方法治炼得反应方程为
SiO2?2C?Si?2CO
图3.1 生产冶金级硅的电弧炉的断面图 1. 碳和石英岩；2.内腔；3.电极；4.硅；5.碳化硅；
6.炉床；7.电极膏；8.铜电极；9.出料喷口；
10.铸铁壁；11.陶瓷；12.石墨盖
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