太阳能电池各电性能参数-草稿.pdf
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1、太阳能电池各电性能参数的本质及工艺意义 武宇涛 电性能参数主要有: Voc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irev1, 电性能参数在生产过程中尤其是在实时的生产控制现场,非常及 时地反映了整个生产线生产工艺尤其是后道工序的动态变化情况,为 我们对产线的控制及生产设备工艺参数的实时调节起到了非常重要 的参考作用。 从可控性难易角度来说, Voc,Rs,Rsh, 主要和原材料及生产工艺的 本身特征相关, 与工艺现场的调控波动性关系不是特别紧密,可称之 为长程可控参数。而Isc,FF, Irev1 与工艺现场的调控联系紧密,对各 调控参数比较敏感,可称之为短程可控参数。 当然我们最关心的是效率
2、Eff 。而 Eff 则是以上所有参数的 综合表现。 太阳能电池的理论基础建立在以下几个经典公式之上: Voc=(KT/q) ln(Isc/Io+1) Voc= (KT/q) ln(N aNd/ni2 ) 1 2 FF=Pm/(Voc Isc)=Vm Im/ (Voc Isc) 3 4 Eff=Pm/(APin)=FF Voc Isc/APin=FF VocJsc/Pin 5 图-1 太阳能电池的I-V 曲线 图-2 太阳能电池等效电路 从上面 5 式我们可以看到, 与效率直接相关的电性能参数主 要有: FF,Voc, Isc 。在生产中我们还比较关心暗电流情况: Irev1 ,由 1 式可以
3、看出,它与Voc 有比较紧密地联系(实际也 是这样的)。 为了更好地说明各参数间的联系,这里先录用几组数据如下: 表-1 线别Uoc IscFFRs RshEFFIrev6 16% Isc8.2Voc620FF78 P156(71)0.618 8.2177.2 0.0038 18 16.11% 0.17% 78.73%56.2%33.1% 1.3% P156(62)0.616 8.2176.6 0.0041 33 15.92% 0.53% 56.06%55.2%18.1% 0.4% E-CELL(LY)0.627 7.2978.1 0.0031 29 14.68% 1.23% 40.03%20
4、.3%69.8%65.8% 以上 P156 均系 LDK 片源。 1, Voc 由于光生电子 -空穴对在内建场的作用下分别被收集到耗尽 层的两端,从而形成电势。所以我们认为Voc是内建电场即PN 结扫集电流的能力的直观表现。 由上面公式1 所反映, Voc 主要与电池片的参杂浓度(Nd) 相关。对于宽 Eg 的电池材料,相对会有比较高的Voc;但 Eg 过高,又会导致光吸收效率的迅速下降(主要是长波段响应 降低) ,使 Isc 是降低 ,所以需要找到一个最佳掺杂深度值。另一 方面,高参杂又会引入更多的复合中心,使复合电流增加, 同样 也降低了 Voc。所以在没有引起复合电流增加或者其增量比较小
5、 的前提下,参杂浓度的提高对Voc总是有益的。 在上表所示的三种成品电池片中,P156的片子与 E-CELL 片子 Voc 有着显著的不同, 这显然是由于冶金级硅的杂质浓度过 大导致的。 而对于 62 栅线和 71 栅线的电池片, 由于其总体参杂 浓度并没有显著的改变,所以其开压并没有显著差别。从上表还 可以看出 ,E-CELL电池的 Isc 已经比比另两者有显著降低,我们 可以认为对于 P156 的正常多晶硅电池片其Voc在 620mv 左右达 到了峰值。另外通过对高Voc电池片(如 E-CELL )进行 QE 扫 描发现其长波长响应显著降低。 在现在既定工艺背景下,在没有大的工艺改动下,对
6、产线 的技术参数调整对Voc影响不会太大。 在生产中, 我们曾对各种 能够调节的参数进行了大量的调整,尤其是背电场和烧结温度参 数方面,但结果总是很不理想,比如P156 的 LDK 的片子其整 体平均值变化范围也就是618mv2mv左右。基本上不可能达到 像 E-CELL GP156那样整体平均630mv的水平。可见, Voc 对后 道工序的参数调节并不十分敏感。 一句话,关于Voc,这是电池片子本身质量素质及现定工 艺所共同决定的 , 从整体的统计数据来看它是一个比较稳定的不 易发生较大波动的工艺参数,比如:煜辉和洛阳以及LDK各厂家 的电池片都有各自明显的电性能特征,尤其表现在Voc 和
7、Isc 上。 所以, 在日常的生产过程中, 我们应该更多地关注其他比较容 易波动且操控性更强的参数, 比如 FF,Isc. 2,FF 如上面大名鼎鼎的太阳能电池的I-V 曲线图 -1 所示, FF 的直观 意义为上图中 矩形与曲线所围成面积之比。 它的本质意义如式 3所示, 即输出的有用功与产生的总体功率之比.它表现了电池片本身输出有 用功的能力,也即其本身的内耗情况;对于高的FF,电池片本身对 所产生电能的消耗比例较小。而Eff 如式所示 ,则是表现了电池片在 吸收了一定太阳能量后能够输出有用功的能力. 另外,此曲线的两边的斜率也直观地展现了Rsh与 Rs的大小, 正如式 4 所示。 所以在
8、电性能参数中,我们认为,FF,Rsh,Rs这三个参数是紧 密相连的一组。一般通过Rs和 Rsh我们来直观地判断FF 的好坏。 即 Rs和 Rsh主要影响 FF, 当然当他们性能很差时对Voc和 Isc 的影 响也是很显著的。 如上表所示: 虽然 UMG 电池片的效率很低, 但是 这并不妨碍它可以达到比正常电池片还要高很多的FF。再对比单晶 的情况,虽然单晶具有比多晶更高的效率,但也不影响它只具有和 ECELL 相当的 FF。 相对于Voc,FF 更容易波动 ,且波动幅度有时也是很大的.一般情 况下,在工艺过程中对FF 影响比较大比较直接的主要是印刷工艺,再 具体地说主要是正面电极的印刷,而正面
9、电极的印刷又是一个非常细 致的工艺 ,影响其质量的参数及因素又是相当多(相对于前道各工序 来说),主要有印刷资料的选取,印刷网版的设计及印刷参数的调节.由 于前两项因素已经由工程师们设计选择好,所以对于工艺人员 ,主要的 工作是保证印刷出高质量的图形及确保各项参数在工艺范围内可控. 另外 FF 对烧结的调节不是很敏感.而通常当 FF 较低时,我们也并 不太多地怀疑烧结是否匹配. 正常情况下, FF 的降低表明电池片本身的内耗或漏电的增加, 而这也必然会在Rs 或 Rsh 上反映出来。但是,我们也确实遇到了 这样的情况 :印刷图形堪称完美 ,基本上没有虚印 ,栅线高度也正常 ,Rs 及 Rsh
10、也都正常 ,而 FF 就是比平常低了将近0.5 左右!其原因到目前 仍然不是很清楚 . 2.1Rs 硅太阳能电池等效串联电阻会影响其正向伏安特性和短路电 流,而对开路电压没有影响,当然,对FF 也有很大影响,当串联电 阻取不同值时太阳能电池的I-V 特性如下图 -4 所示11: 串联电阻变化时太阳能电池的I-V 特性曲线 太阳能电池的串联电阻由以下四部分组成: Rs=Rb+Rd+Rc+Rm Rb 为基体材料本身的体电阻;Rd 为太阳能电池扩散层的薄 层电阻,也可以理解为电池表面细栅线两旁的横向电阻;Rc 为金 属半导体的接触电阻; Rm 为电极材料电阻。 Rm、Rd 可以统一看为 发射区电阻,
11、 Rc、Rb 可以统一看为基区电阻。良好的电极材料、图 形和制备工艺可以减小薄层电阻对Rs的影响及减小 Rc、 Rm 的大小。 一般来说我们希望Rs越小好好。 从上表数据右以看出,采用新网版工艺的电池片比之前的电池 片 Rs有了一定的改善 ,但不是很大 ,不过毕竟有了改善。 由于采用了密 栅设计,我们认为此改善主要来自于横向电阻的改善,当然,使用新 浆料所带来的接触电阻的改善也是可以肯定地,但毕竟比较小。另 外,相对于 E-CELL 电池片,前两者的 Rs 明显差很多 ,而 E-CELL 电池 片,不论是体电阴率还是方块电阻都要比另外两者差很多。由以上比 较,我们可以得出以下结论: 在组成串联
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