丝印工艺汇总
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————周公庆
太阳电池原理
目前绝大部分的电池片的基本成分是硅,在拉棒铸 锭时均匀的掺入了B(硼),B原子最外层有三个电子,掺B 的硅含有大量空穴,所以太阳能电池基片中的多数载 流子是空穴,少数载流子是自由电子,是P型半导体. 在扩散工序扩入大量的P(磷)原子,P原子最外层有 五个电子,掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导 电体,多数载流子为电子,少数载流子为空穴.
空间电荷区
电子空穴对
电子空穴对
2，当入射光照射到电池片时,能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进 入硅中,在N区、耗尽区、P区激发出光生电子空穴对.光生电子空穴对在耗 尽区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被进入N区,光生空穴则被推进 P区. 光生电子空穴对在N区产生以后,光生空穴便向PN结边界扩散,一旦到达 PN结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引做漂移运动,越过耗尽区 进入P区,光生电子(多子)则被留在N区.P区中的光生电子(少子)同样的先因为 扩散,后因为漂移而进入N区,光生空穴(多子)则留在P区.在PN结的两侧形成 了正负电荷的积累,产生了光生电压,这就是“光生伏特效应”.
3，α随着光波长的缩短而增大,最后(当λ‹450nm)由于α非常大，会 使光生载流子只发生在电池片表面，而电池片的 表面区的缺 陷很容易使电子空穴对被复合掉，从而使光电流反而减小。
太阳电池测试原理----光电流密度和
光电压
1，光电流密度 光生载流子的定向运动形成光电流.如果入射到电池的光子中,能量 大于禁带宽度Eg的光子均能被电池吸收,而激发出数量相同的光生 电子空穴对,且可以被全部收集,则光生电流密度的最大值为: 式中 N ph Eg 为每秒入射到电池上能量大于 Eg 的光子数.考 虑光的发射,材料吸收,电池厚度及光生载流子的实际生产率后, 光电流密度可以表示为:
太阳电池测试原理----光电流和光电
于是可列出一维情况下,描述太阳电池工作状态的基本方程: 对n区:
J p q p pn n qDp dpn .......... .......... .......... .......... .....(2 5) dx dpn 1 dJ p GL U n .......... .......... .......... .......... ........( 2 6) dt q dx dnp J n q n n p p qDn .......... .......... .......... .......... .....(2 7) dx dnp 1 dJn GL U p .......... .......... .......... .......... .......( 2 8) dt q dx d q ( N D N A p n)......... .......... .......... .......... (2 9) dx r 0
H H a x qG ( x ) dx J L q Q1 R a e dxd L d 0 0 0 0
J Lmax qNph Eg

式中 GL Q1 R a e a x , 为入射到电池上波长 为 ,带宽为d 的光子数, Q为量子产额，及一个能量大于Eg的 R 光子产生一对光生载流子的几率，通常情况下可以令Q=1， 为和波长有关的发射因数, a 为对应波长的吸收系数, dx 为距 电池表面x处厚度为dx的薄层,H为电池总厚度, GL ( x) 表示x处的 光生载流子的产生率.
太阳电池原理----原理图
n区 Ebi p区
P+区
中波
正电荷
长波
le
电子
背 场
正电极
短波
lh
0.2μm 2μm 180~200μm 3~6μm
Voc
太阳电池原理
电池片厚度一般为180~200μm. 电子空穴对EHP扩散距离le=(Deτe)1/2其中De为扩散系数. n侧少子为空穴,扩散长度很短,再由于n侧是重扩散杂质,所以少子 寿命非常短,因此n侧做得很薄(0.2μm),事实上,n侧的厚度ln可能少于 空穴的扩散长度lh.表面位置由于存在各种缺陷成为复合中心.短波 光会在表面被吸收,产生电子空穴对,这些非常接近n侧表面的光生 电子和空穴对很快就消失掉,这就是短波光量子效率很低的原因. 在波长约为1至1.2μm的光,硅材料对其吸收的系数很小α很小,吸 收深度(1/ α)通常会大于100μm。为了俘获这些长波光子,我们需要 相当厚的p侧材料，同时这种材料又必须是无缺陷的,使它有足够 长的少数载流子扩散长度le .通常p侧材料厚度为200μm.而少数载流 子扩散长度le会少于这个长度. 硅材料的带隙Eg约为1.1ev.
I sc qGo A

1 exp[ l n W le ] qGo Al n W le
其表面积A=5cm×5cm,ln =0.2μm,W=2μm,le=50μm,Go=1×1018cm-3s-1
太阳电池原理
不同波长的光所产生的Isc 1，对于光波长λ≈1.1μm，α=2000m-1（吸收深度δ=1/ α=500μm）, 求得Isc=20mA. 2，对于强吸收的光波长λ≈0.83μm， α=10 × 105m-1（吸收深度 δ=1/ α=10μm）,求得Isc=40mA.
太阳电池原理----光电流Isc
充足的太阳光照射到晶体硅太阳能电池时，电池片的整个厚 度内都会产生光生载流子,其电子空穴对的产生率Gp(即单位时间 单位体积内产生的电子空穴对数目),以Goexp(- αx)衰减。 （其中Go是电子空穴对在表面时的产生率, α是材料吸收系数.） 假定1,太阳电池厚度很薄,使所有的光生载流子都能流经外电路. 假定2,lh是大于n侧厚度ln ,所以,在体积(ln+w+le)内产生的全部电 子空穴对都贡献给光电流. 假定3,在材料表面的光生载流子的复合可以被忽略.
J 00 qDn ND N qDp A Ln Lp
其中 UD为最大pn结电压,等于pn结势垒高度,将(2-15)代入(2-13),当A=1 KT J 00 时,可得 U OC U D ln
q JL
在低温和高光强时, UOC接近UD, UD 越高UOC越大,因为
UD
所以pn结两边掺杂度越大,开路电压也越大.
负载电流
I I L I D I sh I L I 0 (e
负载电压
q (U IRS ) AKT
1)
U IR
I ( RS RL ) ......(2 17) Rsh
太阳电池测试原理----模拟电路图(等效
上式不能写成I=f(U)形式,只能写成I=f(U,I)的形式,因为这是一个超 越函数. IL 光生电流 T 太阳电池pn结的绝对温度 I0 反向饱和电流(暗电流) q 单位电荷量 A 二极管因子 K 普朗克常量 Rs/Rsh 太阳电池的串连/并联 I 太阳电池的输出电流 U 太阳电池的输出电压 当负载RL从0变化到无穷的时候,就可以根据上式画出太阳电池的 负载特性曲线.曲线上的每一点称为工作点.工作点和原点的连线称 1 为负载线.斜率为 ,工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压 RL 和工作电流.若改变负载电阻RL到达某一特定值Rm,此时,在曲线上得 到一个点M,对应的工作电流与工作电压之积最大(Pm=ImUm).我们就 称这点M为该太阳电池的最大功率点,其中, Im为最佳工作电流, Um为 最佳工作电压. Rm为最佳负载电阻.Pm为最大输出功率.如下图所示:
KT N D N A ln q ni2
太阳电池测试原理----模拟电路图(等效
电路图)Rs
ID IL CJ Ish Rsh U I RL
等效电路图
当受到光照的太阳电池接上负载时,光生电流流经负载,并在负载两 端产生端压,这时可以使用一个等效电路来描述太阳电池的工作情况. 把太阳电池看成稳定产生光电流的电流源(假设光源稳定),与之并联的 有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh.
J D J 0 (e
qV AKT
qV AKT
1)
1)
AKT J L ln 1 q J0
J L J 0 (e

两边取对数整理后,当A→1,得, 在AM1条件下, J L 1 ,所以
J0
U OC
U OC
AKT J L ln .......... .......... .......... .......... .......... .......( 2 13) q J0
压
对p区:
•方程(2-5)称为电流密度方程,它表示n区中的空穴决定的电流密度等于 空穴的漂移分量与扩散分量的代数和. •方程(2-6)称为连续性方程.它表示在单位时间单位体积的半导体中,空 穴浓度的变化量等于净产生率(产生率减复合率)与空穴流密度梯度 的代数和.其中末项前的负号分别表示扩散流动方向和空穴浓度梯度 方向及电流密度方向均相反. •方程(2-7)(2-8)分别为p区中自由电子决定的电流密度方程和连续性 •方程（2-9）称为泊松方程，表示半导体中电势的空间分布和空间电 荷的关系
太阳电池测试原理----光电流和光电
压
这个表达式认为，凡是在电池中产生的光生载流子均可以对光电 流有贡献，因而是光电流的理想值，见太阳电池原理----原理图。 类似PN结正偏，在单位面积的太阳电池中把JL(λ)看为各区贡献的 光电流密度之和 JL=Jn (λ)+Jc (λ)+Jp(λ) 其中，Jn (λ)、Jc (λ)、 Jp(λ)分别表示n区、耗尽区、p区贡献的光 电流密度.在考虑各种产生和复合后,即可以求出每一区中光生载流 子的总数和分布,从而求出电流密度. 先考虑Jn和Jp,根据肖克莱关于pn结的理论,假设太阳电池原理---原理图中电池满足: • 光照时太阳电池各区均满足pn>ni2,即满足小注入条件 • 耗尽区宽度W<扩散长度Lp,并满足耗尽近似 • 基区少子扩散长度Lp >电池厚度H,结平面为无限大,不考虑周 界影响 • 各区杂质均已电离