薄膜的减反射原理
入射光 空气
出射光1 出射光2
薄膜 硅材料 通过控制薄膜的厚度d使两个出射光 的光程差为半波差
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光的叠加
2
2
Y Axis Title
0
-2
＋
2
X Axis Title＝YAxis Title0
Y Axis Title
0
-2
-2
X Axis Title
X Axis Title
同步光叠加，掁幅相加
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表面制绒
在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使用，都能达到减小 反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增加光反弹回表面而不是离开表面 的概率，所以都能起到减小反射的效果。
完成表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达 到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构 将变成由金字塔构成表面。我们在下图画出了一个这样的金字塔结构，而 紧接着的是用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。这种制绒方式叫“随机型金 18 字塔”制绒，通常在单晶硅电池制造上使用。
d=λ 0/4n1
如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射 将被进一步降低。即
n1 n 0 n 2
尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率膜和相应波长的光，能使 反射的光减少到零，但是每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在 光伏应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为0.6μm的光的反 射率达到最小。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。 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。但是，对于 12 多数商业太阳能电池来说，这样的成本通常太高。
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前表面的反射和复合。
体内和背面的复合加 上没被吸收的光。
理想和现实太阳能电池的典型量子效率，描述了复合 损失和光损失的影响
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丝网印刷 埋栅 PERL
三种不同类型的晶体硅太阳能电池的量子效率曲线。埋栅和丝网印刷曲 线表示的是电池的内部量子效率，而PERL曲线则表示电池的外部量子效 率。PERL电池对红外光的响应最好，因为被良好地钝化，有高效率的背 表面反射。
max
E g N ph( E g ) I （light energy ）
在AM0光谱下此极限效率对应的材料带隙宽度为1.07eV。 对于AM1.5光谱而言，此极限效率在1.0-1.4eV范围存在两 个峰值，1.13eV和1.33eV，而且前者相应的峰值略大。
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8
太阳能电池的实际效率
为获得最高效率，设计材料确定后的单节太阳能电池时，应 注意几项原则： 提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。 提高pn结收集光生载流子的能力。 尽量减小反向饱和电流。 提取不受电阻损耗的电流。
单晶硅制绒 表面的电子 显微镜扫描 照片。 组成晶硅太阳能电池制绒表 面的金字塔结构。
另一种表面制绒方式叫“倒金字塔型”制绒。这 种制绒方法是往硅表面下面刻蚀，而不是从表面 往上刻蚀。右图也展示了这种制绒表面的图片。 刻蚀多晶硅表面时，上面讲到的两种方法都不能 使用，因为只有在由<111>晶体表面构成的表面 才能完成有效的形态。而多晶硅表面上，只有一 小部分面积才有<111>方向。但是多晶硅制绒可 以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯 或激光把表面切割成相应的形状。
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&5.3减少复合效应

复合损耗
复合效应同时造成光生电流（即短路电流）和前置偏压注
入电流（即开路电压）的损失。人们通常依据发生在电池 内的区域不同来对复合进行分类。一般来说，发生在电池 表面（表面复合）和电池体内（体复合）的复合是主要的 复合形式。而耗尽区则是另外一个会发生复合的区域。
n1sinθ1=n2sin θ2
其中，θ1θ2分别是入射角和折射角，而n1为光入射介质的折射率，n2光射 出介质的折射率。 22
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对上面的折射定律公式进行调整，则可计算光在电池入射的 角度（即折射角）： 1 n 1 2 sin sin1
n2
对于经过表面制绒的单晶硅太阳能电池，由于晶体表面的存 在而使得角度θ1等于36° 如果光线从折射率大的介质入射到折射率小的介质，将有可 能发生全反射。此时的入射角为临界角，在上面的方程中， 设θ2为0，得：
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复合引起的电流损失
为了让pn结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和体复合都要尽量 减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样的效果，所需条件为： 载流子必须在与pn结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩散到pn 结并被收集。 对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶界）， 光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距离。相反，在 局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载流子可以与低复合区 域距离更近些，因为它依然能扩散到pn结并被收集，而不会复合。 电池的前表面和背表面存在局部复合区域，意味着能量不同的光子 将有不同的收集概率。蓝光的吸收率很高，并且在距离前表面非常 近处被吸收，所以如果前表面是个高复合区域的话，那么蓝光产生 的载流子就不怎么可能被pn结收集。类似的，如果电池的被表面的 复合效应很强，将主要影响由红外光产生的载流子（红外光在电池 深处产生载流子）。太阳能电池的量子效率量化了复合效应对光生 电流的影响。下图描述了太阳能电池的量子效率。
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光波相消
2
Y Axis Title
0
-2
＋
2
X Axis Title
Y Axis Title
＝
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Y Axis Title
0
X Axis Title
光波光程差半波
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
X Axis Title
两个波相加后掁幅抵消 1＋1＝0 !
多晶硅制绒表面的电 子显微镜照片
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电池厚度
像减小表面反射一样，充分的吸收入射光也是获得高转换效率的必要途 径之一。而吸收光的多少则取决于光路径的长度和吸收系数。下面将展 示，硅太阳能电池对光的吸收是如何随着电池厚度变化的。
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光陷阱
最佳的电池厚度并不单单由吸收所有的光这一需要决定的。例如，如果光 在与pn结距离小于扩散长度的区域被吸收，但产生的载流子却被复合了。 此外，就像复合引起的电压损失一节所讲那样，如果电池的厚度变薄但是 吸收的光线不变，开路电压将比厚电池的大。经过结构优化的太阳电池通 常拥有比电池实际厚度大几倍的光路径长度，所谓电池光路径长度是指没 被吸收的光在射出电池前在电池内所走的距离。通常称它为器件厚度。举 例说，一个没有光陷阱结构的电池，它的光路径长度可能只相当于电池实 际厚度，而经过光陷阱结构优化的电池的路径长度能达到厚度的好多倍， 这意味着光线能在电池内来回反弹许多遍。 通常，使光子入射在倾斜面上，随之改变光子在电池内运动的角度，便能 达到光陷阱的效果。一个经过制绒的表面不仅能像前面所讲的那样减少反 射，还能使光斜着入射电池，因此光的路径长度比厚度大。光入射到半导 体的折射角度可以通过折射定律求得：
n2 1 sin n 1
-1

利用全内反射，可以把光困在电池内面，是穿入电池的光成 倍增加，因此厚度很薄的电池也能拥有很长的光路径长度。 24
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朗伯背反射层
朗伯背反射层是一种特殊的背反射层，它能使反射光的方向 随机化。电池背反射层的高反射率减小了背电极对光的吸收 和光穿出电池的几率，并把光反弹回电池体内。方向的随机 化使得许多反射光都被全反射回去。有些被反射回电池顶端 表面的光与表面的角度大于临界角，则又再次被全反射回电 池内。这样一来，光被吸收的机会就大大增加了，因为光的 路径长度能达到4n2，n为半导体的折射率。使光的路径长度 长达电池厚度的50倍，因此这是一个十分有效的围困光线的 技术。朗伯背反射层在下图有描述：


理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上。然而，这 一数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实际上很难或根 本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和对器件物理的理解上 很难达到。对于硅太阳能电池来说，其在一个太阳照射下，比较实 际的理论最高效率值大约为28%-29%。现今实验室测得的硅太阳能 电池的最高效率为24.7%。理论值与实际测量值之间的差距主要来 自两个方面因素。 首先，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能量都被 充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽度与其能量相 等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人们想出一种由无限多 层材料禁带宽度不同的电池叠加在一起的模型，每一层都只吸收能 量与其禁带宽度相等的光子。 其次，假设入射光有高聚光比。并假设温度和电阻效应对聚光太阳 能电池的影响很小，而光强的增加能适当增加短路电流。因为开路 电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光强呈对数上升。再者，因为 填充因子也随VOC的提高而提高，所以填充因子同样随着光强的增 加而提高。因光强的增加而额外上升的VOC和FF使聚光太阳能电池 获得更高的效率。

减反射膜
下面将介绍几种能减少光损失的方法： 尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能导致串联电阻的 增加）。这一点在串联电阻一节中有详细讨论 减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一。计算过 程如下，对于折射率为n1薄膜材料，入射光波长为λ 0，则使反射最小化的 薄膜厚度为d：
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复合引起的电压损失



开路电压是指当前置扩散电流与短路电流大小相当时的光电压。前置扩 散电流的大小取决于pn结处复合效应的大小，即扩散电流随着复合的提 高而上升。结果是，高复合提高了前置扩散电流反过来却降低了开路电 压。能表示在前置电压下的复合大小的材料参数是“二极管饱和电流”。 而复合的大小由pn结边缘的少数载流子的数量控制，即它们离开pn结的 速度有多快，复合的速度就有多快。所以，黑暗前置电流以及开路电压 将受到下面几个因素影响： pn结边缘的少数载流子数量。从pn结另一边注入的少数载流子数量，等 于在平衡状态下的少数载流子数量乘以一个由电池电压和温度决定的指 数因子。因此，尽量减少平衡少数载流子浓度将减少复合。而减少平衡 少数载流子浓度可以通过增加掺杂来实现。 材料的扩散长度。短的扩散长度意味着，少数载流子通过复合在pn结边 缘处快速消失，以使得更多的载流子通过电池，增加了前置电流。因此， 必须有长的扩散电流才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度取决 于电池材料的类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。高掺杂导致低扩 散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电压)与高电压 之间的平衡。 与pn结距离小于扩散长度的区域存在局部复合区。靠近pn结的高复合区 （通常为表面或晶界）使得载流子迅速的移向它，接着被复合，因此大 幅度增加了复合电流。通过表面钝化能够降低表面复合的影响。 下图将显示对两种参数的权衡。 36