【獨家】柵線電極數量對太陽電池電性能的影響

發表於：2015-07-24 10:26:28     作者：晶澳太陽能有限公司 李吉，趙朋松，嚴金梅，王惠，靳迎松，麻增智

來源：索比太陽能光伏網

摘要：

主要研究太陽電池製作工藝中

絲網印刷柵線

電極的的設計原理，以及在擴散方阻不變時，絲網印刷柵線對 光電轉換效率（Eta）、開路電壓（Uoc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）、串聯電阻（Rs） 等各項電池

電性能

參數的影響。研究發現在一定範圍內Eta隨著柵線電極數量的增加先升高後降低，Uoc和FF隨著柵線電極數量的增加而增加，Isc和Rs隨著柵線電極數量的增加而減小，實驗表明在擴散方阻不變時，柵線電極數量有一個最優的數值，並不是柵線越密越好。

關鍵詞：

絲網印刷；柵線；電性能

中圖分類號：TK514 文獻標識碼：A

0引言

太陽能電池是將太陽能轉換成電能的半導體器件，目前常規產業化晶體矽電池前表面主要是由產生光電流的氮化矽受光區域與收集電流的金屬柵線電極組成，柵線是電池的重要組成部分，它負責把電池體內的光生電流輸運到電池外部，而由於電池串聯電阻引起的電學損失和電極遮光面積引起的光學損失是制約太陽能電池效率提升的主要因素，因此本文針對柵線電極數量對光電轉換效率（Eta）、開路電壓（Uoc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）、串聯電阻（Rs） 等各項電池電性能參數的影響進行實驗設計與研究，得到最佳的柵線設計方案。

1 網版柵線的設計原理

目前絲網印刷製作電極可以實現生產自動化，生產成本低，產量高，該工藝已經很成熟，在太陽電池的生產中得到了廣泛應用。

上電極設計優化的一個重要方向是改善上電極金屬柵線的設計。當晶體太陽電池的尺寸增加時，這方面就變得愈加重要。對於電極設計，設計原則是使電池的輸出最大，即電池的串聯電阻儘可能小和電池的光照作用面積儘可能大。

金屬電極一般由兩部分構成如圖1所示，主電極是直接將電流輸到外部的較粗部分，柵線電極則是為了把電流收集起來傳遞到主電極上去較細的部分。太陽電池的最大輸出功率可由ABJmpVmp得到，式中AB為太陽電池的表面積，Jmp和Vmp分別為最大功率點的電流密度和電壓。將太陽電池的最大功率輸出歸一化後[1、2]，得

圖1太陽電池上表面金屬電極示意圖

Figure 1 The schematic diagram of the me

tal electrode on tne surface of solar cells.

到柵線電極和主電極的電阻功率損耗分別為

其中，ρsmf和ρsmb 分別為柵線電極和主電極金屬層的薄層電阻，在某些情況下，這兩種電阻是相等的，而在另一些情況下（如浸過錫的電池），在較寬的主電極上又蓋了一層較厚的錫，ρsmb就比較小。如果電極各部分是逐漸呈線性變細的，m值則為4，如果電極各部分寬度是均勻的， m值則為3。WF和WB分別是太陽電池柵線電極和主電極的平均寬度。S是柵線電極的線距。

因柵線電極和主電極的遮擋部分而引起的功率損失是:

忽略直接由半導體到主電極的電流，則接觸電阻損耗僅僅是由於柵線電極所引起的，這部分功率損耗一般近似為

其中，ρc是接觸電阻率。對於矽電池來說，在太陽光下工作時，接觸電阻損耗一般不是主要問題。所以，主要要考慮的是電池頂層橫向電阻所引起的損耗。其歸一化形式為

其中，ρs是電池表面擴散層的方塊電阻。

主電極的最佳尺寸可以由（2）和（4）式相加，然後對WB求導而得出，結果為當主電極的電阻損耗等於其遮擋損失時，其尺寸最佳。這時

同時，這部分功率損失的最小值由下式得出：

這表明逐漸變細的主電極（m=4）比等寬度的主電極（m=3），功率損失大約低13%。

從上面一些式子可看出，單從數字上講，當柵線電極的間距變得非常小以致橫向電流損耗可忽略不計時，出現最佳值。於是，最佳值由下麵條件給出，即

即：

實際上不可能得到這個最佳值，在特定的條件下，要保持產品有較高的成品率，WF及S的最小值均受到工藝條件的限制。

在這種情況下，可通過簡單的迭代法實現最佳柵線的設計。若把柵線電極寬度WF取作在特定工藝條件下的最小值，則對應於這個最小的S值能夠用漸近法求出。對某個設定值S'，可計算出相應的各部分功率損失ρsf，ρcf，ρsf和ρst。然後可按下式求出一個更接近最佳值的值S"

這個過程將很快收斂到相應於最佳值的一個不變的值上。從式（10）計算的S值是一個過高的估計值，由此可求出最佳的初試值。用式（10）所算出的S值的一半作初試值即可得出一個穩定的迭代結果。對於下電極的要求是儘可能布滿背面，對於絲網印刷，覆蓋面積將影響到填充因子。

2 各項電性能參數之間的關係

當負載RL從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變到VOC，同時輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線，如圖2所示。曲線上任何一點都可以作為工作點, 工作點所對應的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓,其乘積P=IV為電池的輸出功率。

圖2 太陽電池的輸出特性

Figure 2 Output characteristic of solar cells

轉換效率表示在外電路連接最佳負載電阻R時，得到的最大能量轉換效率，其定義為

即電池的最大功率輸出與入射功率之比，

這裡我們定義一個填充因子FF為

填充因子正好是I-V曲線下最大長方形面積與乘積Voc×Isc之比，所以轉換效率可表示為

式中的FF0 為串聯電阻為零時的填充因子，c為經驗常數，單位為%/Ω。

由此公式可以得知Rs與FF成反比例線性關係[3、4]。

3 實驗設計

3.1實驗步驟

樣品採集自晶澳電池產線，規格為156mm×156mm，厚度為200μm，電阻率為1-3Ω.cm的單晶電池片，常規電池片生產工藝，首先對矽片進行腐蝕制絨，得到陷光良好的絨面，清洗後用高溫雜質擴散工藝有控制地向矽片中摻入另一種雜質。在標準的太陽能電池工藝中，通常將硼摻雜到直拉工藝的熔料中，從而生產出P型矽片。為了製造太陽電池，必須摻入n型雜質，以形成p-n結。磷是常用的n型雜質，現在常用的工藝是載氣通過液態的POCl3混入少量的氧後通過排放有矽片的加熱爐管，這樣矽片表面就生成含磷的氧化層。在規定的爐溫下（800℃到900℃），磷從氧化層擴散到矽片中。約20分鐘之後，靠近矽片表面的區域，磷雜質濃度超過硼雜質濃度，從而製得一層薄的、重摻雜的n型區。之後去除電池片的氧化層和側面及背面的結。再通過化學氣相沉積法製成一層減反射膜——氮化矽膜。最後用絲網印刷的方法印刷電極並燒結成片[3]。實驗過程中，是在擴散方阻相同的情況下，針對絲網印刷網版柵線電極數量進行更改設計的，網版線寬設計為35um，網版柵線電極數量設計為79根，82根，85根，87根，90根，進行實驗。

3.2 實驗結果與分析

對於常規的太陽能電池，表面鈍化主要為SiN鈍化，但是其表面總會有一部分被金屬電極遮擋，影響SiN的鈍化效果。由圖3的實驗數據不難發現在一定範圍內 Uoc隨著柵線電極數量的增加沒有明顯的變化趨勢，隨著柵線電極數量的增加柵線電極面積逐漸增大，SiN鈍化面積逐漸減少，因此SiN鈍化效果逐漸變差；柵線電極數量增加，減少了柵線電極間的間距，因此發射極的複合也有一定程度的減少，二者相互作用，這樣在一定範圍內隨著柵線電極數量的增加Uoc沒有明顯的變化。

 柵線/根

圖3 開路電壓（Uoc）與柵線電極數量的關係圖

Figure 3 the diagram of the Uoc and the number of grid lines

Isc隨著柵線電極數量的增加逐漸減少，如圖4所示。這個都不難理解，隨著柵線電極數量的增加，柵線電極在太陽電池表面的遮光面積逐漸增加，SiN減反射膜的面積相對減少，導致減反射區域減少，Isc就會下降，在優化柵線電極數量的時候要綜合考慮其對Isc的影響。

 柵線/根

圖4 短路電流（Isc）與柵線電極數量的關係圖

Figure 4 the diagram of the Isc and the number of grid lines

隨著柵線電極數量的增加Rs逐漸減小，如圖5所示。Rs主要包括柵線電極電阻，柵線電極與矽片的接觸電阻，矽片本身的電阻，隨著柵線電極數量的增加，柵線電極間的間距減小，柵線電極與矽片的接觸電阻也會減小，符合理論要求。

 柵線/根

圖5 串聯電阻（Rs）與柵線電極數量的關係圖

Figure 5 the diagram of the Rs and the number of grid lines

理論計算Rs與FF成線性關係，由計算公式：FF=FF0-cRs 可以看出，隨著Rs的逐漸增加，FF逐漸減小，如圖6所示，實驗數據和理論結果一致。

 柵線/根

圖6 填充因子（FF）與柵線電極數量的關係圖

Figure 6 the diagram of the FF and the number of grid lines

電池片的效率主要受Uoc，Isc和FF的共同影響，綜合實驗數據可以得出85根柵線網版圖形的效果最佳，如圖7所示。

 柵線/根

圖7 太陽電池轉換效率（Eta）與柵線電極數量的關係圖

Figure 7 the diagram of the Eta and the number of grid lines

4.結論

本文是在擴散方阻相同的情況下，進行的不同柵線電極數量的網版設計， Eta在柵線根數為85時效率最佳。在一定範圍內Uoc隨著柵線電極數量的增加而增加，這是因為隨著柵線電極數量增加，柵線電極間的間距逐漸減少，發射極的複合也有一定程度的減少；Isc隨著柵線電極數量的增加而減少，這是因為隨著柵線電極數量的增加，柵線電極在太陽電池表面的遮光面積逐漸增加；Eta的提升由FF、Uoc、Isc共同決定，FF與Rs呈線性關係，Rs增加FF減少。

參考文獻

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新能源，1998,20(5):9-13.

[2] 施小忠，汪樂，夏冠群.太陽電池柵線的設計[J].電子學報,1999,27(11):126-127

[3] 劉恩科,朱秉升,羅晉升,等.半導體物理學[M]:第6版.北京:電子工業出版社,2006:151- 164.

[4] 魏晉雲.太陽電池串聯電阻的解析[J].太陽能，2012，(9):37-38

[5] 魏晉雲.太陽電池填充因子與串聯電阻的線性關係[J].雲南師範大學學報，2013，(3):39-40

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