讨论表面高掺杂带来的一系列问题
7.4.1 死层
25
为提高收集几率，需降低结深t
s

1
qe NDt
20世纪60年 代的电池中，
t为0.5μm
为降低表面横向电阻带来的功率损
耗，就要降低ρs ，所以t不能无限制降
低，需要提高掺杂浓度ND。
死层
26
磷(P)扩散到硅内，固定扩散温度 下，随着扩散时间的增加：
7.1.3 顶层的横向电阻（薄层电阻）
15
体电流：电池体内电流方向 一般垂直于电池的表面。
横向电流：电池表面的栅状 电极引出电流时，电流须横 向流过电池材料的顶层。
对于均匀掺杂的n型层，其电
阻率为：
1
横向电阻： qe ND
结深t 掺杂ND
横向电阻ρs
横向电阻ρs
s
1
qe NDt
，t为n型层的厚度（结深），单位
•如果体电流刚好从电池内部流到电极附近，路程 短，电阻较小，电流较大。
•如果电流流到两个栅条正中间，则电阻刚好等于 两个栅条距离的一半，电流为零。
横向电阻带来的功率损耗
18
最大功率为VmpJmpbS/2，相对功率损耗p失为：
p失

Ploss Pmp

s S 2 Jmp
12Vmp
当p失上限确定
S2
2.随着离耗尽区边缘的距离增加，收集几率呈指数衰减，其 收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度 的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。
3.如果载流子是在靠近电池表面区域产生，表面区域复合 率较高，载流子极易被复合，收集几率几乎为零。
钝化处理
8
要降低表面区域的高复合率，可在表面镀上钝化层（通常 为二氧化硅SiO2），中和硅表面的悬挂键。
副栅线带来的功率损失
35
副栅线带来的功率损失
=发射电极损耗+遮光损耗+横向电阻损耗+接触电阻损
耗
Prf +Pcf Psf Ptl

1 m
B2
smf
J mp Vmp
S WF
c
J mp Vmp
S WF
WF S

s S 2 Jmp
12Vmp
最佳主栅线宽度： 功率损失最小值：
S 0
处理后的收集几率
10
钝化处理提高了电池表面的收集几率; 背面场提高了背电极处的光生载流子收集几率; 两者最终增加了短路电流Isc。
7.1.2 结 深
11
假设减少的光能量全部用来产生电子-空穴对，那么对光
强公式进行微分可以得到半导体中任何一个电子-空穴对的
产生率G：
G N0e x ,
产生率表示单位体积单位时间产生的电子-空穴对数目，单 位为m-3s-1。
Prb +Psb

1 m
A2 Bsmb
J mp Vmp
1 WB
WB B
将上式对WB求导，当导数为零时，得到最佳主栅线宽度：
WB AB
smb J mp
m Vmp
及功率损失最小值： prb psb min 2 A
smb J mp
m Vmp
当用逐渐变细（锥形）的主栅线（m=4）代替等宽度的 主栅线（m=3）时，功率损失大约降低13%。
7.3 背面场(Back Surface Field)
23
在电池背面场（重掺杂区P++） 收集几率增加，使得短路电流Isc增加。
随着掺杂浓度NA减小，Voc几乎保持不变，Isc增加，所 以最大转换效率η对应了较低的掺杂浓度NA 。
7.4 顶层的限制
24
7.4.1 死层 7.4.2 高掺杂效应 7.4.3 对饱和电流密度的影响
•在硅内的磷浓度增加；
•硅表面磷的浓度达到饱和（上限） ，上限值等于该温度下磷在硅内的 固溶度。
过量的掺杂使的少数载流 子寿命显著降低
表面区域附近的收集几率 降为零，出现死层。
死层的解决方法
27
对金属电极的下面部分进行重掺杂，而表层的其余部分杂质则需控
制在一个平衡值。
存在接触电阻
7.4.2 高掺杂效应
硅太阳能电池的钝化层通常为绝缘体，金属电极区域不 能钝化，所以在表面电极下面重掺杂n++，以减小表面复合 的影响。
背面场（Back Surface Field）
9
金属电极和半导体之间的界面一般也是高复合速度区。
在电池背面，P区下方掺杂更多III族元素，形成重掺杂 区P++，可以降低表面的复合速度。
• 如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常 宽。但成本通常太高。
快速判断膜层厚度的方法
39
用Si3N4制成的减反膜
7.6.2 绒面
40
在硅表面制绒，可以增加光束入射到硅表面的次数， 从而减小反射。
单晶硅绒面的刻蚀
41
D
C
A
c b G O a E
F
一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面<111>刻蚀便能达到制 绒效果。
为Ω/□ (ohms/square) 。
体电阻
通常，光生电流从电池体内垂直 移动到电池表面，然后横向穿过重 掺杂表面，直到被顶端电极收集。
定义电池的体电阻为： Rb=ρbw/A
式中ρb为电池的体电阻率，A为电池面 积，w为电池主体区域的宽度。
横向电阻引起的电流变化
17
横向电流
电流流动的距离不相等。
单晶硅绒面的刻蚀
42
另一种表面制绒方法：
D
C
A
c b G
F
O a E
多晶硅绒面的制备
43
多晶硅表面制绒不能用刻蚀的方法，因为多晶硅表面上， 只有一小部分面积才有<111>方向。
多晶硅制绒可以使用光刻技术和机械雕刻技术。
44
7.7 光谱响应
45
量子效率
量子效率ηQ为每个入射的单色光光子在外部短接 电路上所产生的流动电子数。
1
第七章 硅太阳能电池的设计
南京理工大学 材料科学与工程学院
内容:讨论太阳能电池的设计细节
2
7.1主要考量 7.2 衬底的掺杂 7.3 背面场 7.4 顶层的限制 7.5 上电极的设计 7.6 光学设计 7.7 光谱响应
2
7.1 主要考量
3
7.1.1 光生载流子的收集几率 7.1.2 结深 7.1.3 顶层的横向电阻
电池表面的产 生率最高
当入射光谱为AM1.5时，Si材料内的产生率G。
pn结的深度
12
电池表面的收 集几率较低
结尽可能靠近电池表面，以获得较大的短路电流。
太阳能电池的设计要素
13
•吸收最大化 •复合最小化 •降低寄生电阻的影响
串联电阻
并联电阻和串联电阻都会降低电池的填充因子和效率。 •有害的低并联电阻是一种制造缺陷，而不是参数设计的问题。 •串联电阻由顶端电极电阻和发射区电阻组成，必须对电极进 行设计和优化。
12Vmp
s Jmp
p失
式中S表示栅极间隔，b表示栅条的长度。
为控制功率损耗p，当ρs较大时，S应设计的较小，反之亦然。
例题 P94
栅极间隔S的确定
19
结深t
s

1
qe NDt
横向电阻ρs
掺杂ND
横向电阻ρs
S2
12Vmp
s Jmp
p失
为控制功率损耗p，当ρs较大时，S应设计的较小，反之亦然。
发射电极电阻损耗
金属层薄层电阻
发射电极电阻损耗比率：
副栅线 主栅线
Prf

1 m
B2 smf
Jmp S Vmp WF
Prb

1 m
A2 Bsmb
J mp Vmp
1 WB
A
WF 、 WB 为 单 元 电 池 副 栅 线 和
主栅线的平均宽度。
当电极线性变细时，m=4。
B 副栅线
当电极宽度均匀时，m=3。
： •
当 d1

0
4n1
时，反射率有最小值
Rmin


n12 n12
n0n2 n0n2
2
• 当 n1 n0n2 时，反射率R=0。
针对某一特定波长的光，选用相应厚度、折射率膜，能 使反射的光减少到零。
减反射膜
38
每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。
• 设计薄膜的厚度和反射率，使波长为0.6μm的光的反射率 达到最小。因为太阳光谱能量的峰值出现在0.6μm附近。
28
电池表面的高掺杂将导致：
•少数载流子的寿命较低； •半导体的禁带宽度变窄，影响了本征浓度ni的有效值。
7.4.3 对饱和电流密度的影响
掺杂浓度NA、ND
饱和电流I0
29
开路电压Voc
高掺杂效应的存在
ND不能无限制增加 开路电压达到上限
7.5 上电极的设计
30
与上电极有关的功率损失机制： • 电池顶部横向电流引起的损耗； • 各金属线的串联电阻（发射电极电阻）以及这些金 属线与半导体之间的接触电阻引起的损耗； • 电池被金属栅线屏蔽所引起的损失。
光谱响应
46
电池的光谱响应，是指每单位入射单色光功率的 短路输出电流与波长的函数关系。
网印技术决定了S的最小值
决定了ρs的最大值
决定了结深t的最小值
7.2 衬底的掺杂NA
fc e x Lh
fc ex Le
20
Isc大小
结深t 扩散长度Le
X’ X
Le De e