柵線電極數(shù)量對(duì)太陽電池電性能的影響

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2020年04月14日  

引言


太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件,目前常規(guī)產(chǎn)業(yè)化晶體硅電池前表面重要是由出現(xiàn)光電流的氮化硅受光區(qū)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(fù)責(zé)把電池體內(nèi)的光生電流輸運(yùn)到電池外部,而由于電池串聯(lián)電阻引起的電學(xué)損失和電極遮光面積引起的光學(xué)損失是制約太陽能電池效率提升的重要因素,因此本文針對(duì)柵線電極數(shù)量對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率(Eta)、開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、填充因子(FF)、串聯(lián)電阻(Rs)等各項(xiàng)電池電性能參數(shù)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究,得到最佳的柵線設(shè)計(jì)方法。


1網(wǎng)版柵線的設(shè)計(jì)原理


目前絲網(wǎng)印刷制作電極可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化,生產(chǎn)成本低,產(chǎn)量高,該工藝已經(jīng)很成熟,在太陽電池的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。


上電極設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方向是改善上電極金屬柵線的設(shè)計(jì)。當(dāng)晶體太陽電池的尺寸新增時(shí),這方面就變得愈加重要。關(guān)于電極設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)原則是使電池的輸出最大,即電池的串聯(lián)電阻盡可能小和電池的光照用途面積盡可能大。


金屬電極一般由兩部分構(gòu)成如圖1所示,主電極是直接將電流輸?shù)酵獠康妮^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(xì)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(diǎn)的電流密度和電壓。將太陽電池的最大功率輸出歸一化后,得


圖1太陽電池上表面金屬電極示意圖


Figure1Theschematicdiagramofthemetalelectrodeontnesurfaceofsolarcells.


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。假如電極各部分是逐漸呈線性變細(xì)的,m值則為4,假如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(dǎo)體到主電極的電流,則接觸電阻損耗僅僅是由于柵線電極所引起的,這部分功率損耗一般近似為


其中,ρc是接觸電阻率。關(guān)于硅電池來說,在太陽光下工作時(shí),接觸電阻損耗一般不是重要問題。所以,重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(kuò)散層的方塊電阻。


主電極的最佳尺寸可以由(2)和(4)式相加,然后對(duì)WB求導(dǎo)而得出,結(jié)果為當(dāng)主電極的電阻損耗等于其遮擋損失時(shí),其尺寸最佳。這時(shí)


同時(shí),這部分功率損失的最小值由下式得出:


這表明逐漸變細(xì)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(shù)字上講,當(dāng)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(jì)時(shí),出現(xiàn)最佳值。于是,最佳值由下面條件給出,即


即:


實(shí)際上不可能得到這個(gè)最佳值,在特定的條件下,要保持產(chǎn)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(jiǎn)單的迭代法實(shí)現(xiàn)最佳柵線的設(shè)計(jì)。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(duì)應(yīng)于這個(gè)最小的S值能夠用漸近法求出。對(duì)某個(gè)設(shè)定值S',可計(jì)算出相應(yīng)的各部分功率損失ρsf,ρcf,ρsf和ρst。然后可按下式求出一個(gè)更接近最佳值的值S"


這個(gè)過程將很快收斂到相應(yīng)于最佳值的一個(gè)不變的值上。從式(10)計(jì)算的S值是一個(gè)過高的估計(jì)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(gè)穩(wěn)定的迭代結(jié)果。關(guān)于下電極的要求是盡可能布滿背面,關(guān)于絲網(wǎng)印刷,覆蓋面積將影響到填充因子。


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