晶體硅材料太陽電池的光吸收率仿真研究

姚 宏，歐陽萌，高敬媛，楊萬成

(1.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北秦皇島066004；2.英威騰電氣股份有限公司，廣東深圳518055)

晶體硅材料太陽電池的光吸收率仿真研究

姚 宏1，歐陽萌2，高敬媛1，楊萬成1

(1.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北秦皇島066004；2.英威騰電氣股份有限公司，廣東深圳518055)

通過理論分析、仿真和實(shí)驗測試，確定了影響晶體硅太陽電池太陽吸收率的主要因素，其中鋁背反射器、硅片表面形貌、硼擴(kuò)散對太陽吸收率的影響較為顯著，硅片厚度、磷擴(kuò)散的影響相對較低。采用有陷光結(jié)構(gòu)的高效硅電池能明顯降低電池的太陽吸收率，濾光玻璃蓋片疊層電池太陽吸收率比普通玻璃蓋片疊層電池低16.2%。

晶體硅太陽電池；太陽吸收率；擴(kuò)散；仿真

晶體硅太陽電池已在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。太空環(huán)境下，太陽電池吸收陽光溫度升高會導(dǎo)致電池輸出功率的降低。晶體硅太陽電池的光譜相應(yīng)波長為400～1 100 nm，其他波長光對電池光電流無益，反而會引起電池發(fā)熱。理想的光膜應(yīng)對光譜范圍內(nèi)的光具有低反射率，而對其他光具有高反射率[1]。硅片厚度、硅片表面形貌、鋁背反射器、擴(kuò)散和玻璃蓋片等對太陽電池反射和吸收陽光具有一定影響，因此，本文將通過仿真計算和實(shí)驗測試分析各因素對太陽電池吸收率的影響程度。

1 實(shí)驗

制備了五種加工處理程度不同的硅片：(1)硅片未經(jīng)過拋光處理；(2)硅片經(jīng)過酸腐蝕拋光處理；(3)硅片經(jīng)過堿腐蝕拋光處理；(4)硅片經(jīng)過拋光處理，并且上表面采用陷光結(jié)構(gòu)，(5)硅片經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，然后分別在硅片表面鍍鋁背反射器，分別測試其反射率。CMP處理的硅片表面接近理想的鏡面，其他四種硅片表面形貌如圖1所示。

圖1 不同硅片的表面形貌

制備五片同批次的未經(jīng)擴(kuò)散處理的堿腐蝕拋光硅太陽電池，其中四塊硅片正面涂Al2O3/TiO2雙層減反射膜，分別做未燒結(jié)與350、400和450℃燒結(jié)處理，剩余的一塊硅片不做處理，分別測試其反射率和太陽吸收率(編號1-2～1-6)。另取5片同批次未經(jīng)擴(kuò)散處理的堿腐蝕拋光硅太陽電池 (編號1-3、1-7～1-10)，一塊在正面摻雜磷擴(kuò)散制作PN結(jié)，三塊分別在背面做5、10、30 Ω硼摻雜制作背場，剩余一塊不做摻雜處理，所有硅片正面采用Al2O3/TiO2減反射膜，背面采用鋁背反射器，做350℃燒結(jié)處理，分別測試其反射率和太陽吸收率。制備蒸鍍單層MgF2反射膜的普通玻璃蓋片(AR)和蒸鍍多層光學(xué)膜的帶通濾光玻璃蓋片(BRR)，分別測試其反射率[2]。對有背電場的普通硅太陽電池(BSFR)和高效硅太陽電池(PERL)分別貼AR和BBR，制成四種疊層電池(編號2-1～2-4)，分別測試其太陽吸收率。

2 結(jié)果與分析

為分析計算硅片厚度對裸電池反射率和太陽吸收率的影響，認(rèn)定電池正表面采用Al2O3/TiO2雙減反射膜，背面采用鋁背反射器，并假設(shè)硅表面為光滑鏡面。對硅片厚度為100、200、300和500 nm的硅片分別進(jìn)行理論計算，計算結(jié)果如圖2和表1所示。觀察圖2可知，波長小于900 nm時，硅片厚度對裸電池的反射率幾乎沒影響，裸電池的反射率等于裸電池上表面的反射率；當(dāng)波長在900～1 200 nm時，裸電池的反射率開始增加，硅片厚度對裸電池的反射率產(chǎn)生影響；當(dāng)波長大于1 200 nm時，晶體硅對次波段的光是透明的，裸電池的反射率取決于上、下表面的反射率[3]。由此可知，硅片厚度對裸電池太陽吸收率的影響很小。由表1可知，隨著硅片厚度由100 nm增加到500 nm，太陽吸收率僅增加了0.02。因此電池在設(shè)計時可以忽略硅片厚度對太陽吸收率的影響。

圖2 不同厚度硅片電池的反射率

表1 不同厚度硅片電池的太陽吸收率

圖3所示為不同表面形貌硅片的反射率測試結(jié)果。觀察圖3可知，經(jīng)CMP處理的硅片反射率最高，經(jīng)酸腐蝕、堿腐蝕拋光以及未經(jīng)過拋光處理的硅片反射率略低，而采用陷光結(jié)構(gòu)的硅片反射率明顯降低很多。由此可知，硅片表面應(yīng)進(jìn)行拋光處理，尤其是硅片下表面。

圖3 不同表面形貌硅片的反射率

圖4和表2為鋁背反射器在不同溫度燒結(jié)后，裸電池反射率和太陽吸收率的測試結(jié)果。由圖4和表2可知，采用鋁背反射器可以增強(qiáng)對長波光的反射，降低裸電池的太陽吸收率。燒結(jié)溫度越高電池對長波光的反射率越低，太陽吸收率也越高。這是由于燒結(jié)破壞了鋁硅界面的完整性，影響了鋁背反射器的反射率[4]。未燒結(jié)與經(jīng)350℃燒結(jié)電池的太陽吸收率基本相同，說明燒結(jié)溫度在350℃時，鋁背反射器的反射效果沒有被破壞。

圖4 鋁背反射器對裸電池反射率的影響

表2 鋁背反射器對太陽吸收率的影響

圖5和表3分別為不同擴(kuò)散條件的裸電池的反射率和太陽吸收率的測試結(jié)果。由圖5可知，電池正面磷擴(kuò)散對長波光的反射影響很小，電池背面硼擴(kuò)散對長波光的影響程度隨擴(kuò)散濃度的增大而增強(qiáng)。當(dāng)擴(kuò)散薄層電阻低于30 Ω時，隨著薄層電阻減小，電池對長波光的反射率迅速降低，電池太陽吸收率逐漸增大。這是由于硼的擴(kuò)散引起了硅晶體內(nèi)部自由載流子對長波光的吸收，摻雜計量越大，自由載流子濃度越低，對長波光的吸收也就越不明顯[5]。

圖5 不同擴(kuò)散條件對裸電池反射率的影響

表3 不同擴(kuò)散條件對太陽吸收率的影響

圖6所示為實(shí)驗制備帶通濾光玻璃蓋片的反射光譜。由圖6可知，帶通濾光玻璃蓋片在300～400 nm和1 200～1 600 nm兩個區(qū)有接近100%的反射率，而在400～1 100 nm區(qū)和普通玻璃蓋片有幾乎相同的反射率。因此，帶通濾光玻璃蓋片能顯著減小疊層電池的太陽吸收率。表4為采用不同玻璃蓋片的太陽電池的太陽吸收率。由表4可知，裸電池太陽吸收率基本不變。與普通玻璃蓋片相比，帶通濾光玻璃蓋片可大幅度降低疊層電池的太陽吸收率。限光結(jié)構(gòu)高效硅采用帶通濾光玻璃蓋片的效果更佳。高效硅太陽電池采用帶通濾光玻璃蓋片與普通玻璃蓋片相比，可使疊層電池的太陽吸收率降低16.2%。

圖6 玻璃蓋片的反射光譜

表4 不同玻璃蓋片的太陽電池的太陽吸收率

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗測試的方法對影響晶體硅太陽電池吸收率的因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，硅片表面形貌、鋁背反射器、硼擴(kuò)散三個因素對太陽吸收率的影響較明顯，在生產(chǎn)中需特別注意；采用帶通濾光玻璃蓋片可使陷光結(jié)構(gòu)的硅電池的太陽吸收率明顯降低，效果較顯著。

[1]盧輝東，鐵生年，劉杰.銀納米光柵增加晶體硅薄膜太陽能電池光吸收的研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016(8)：91-96.

[2]周濤，陸曉東，張明，等.晶硅太陽能電池發(fā)展?fàn)顩r及趨勢[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013(3)：15-25.

[3]鄧慶維，黃永光，朱洪亮.25%效率晶體硅基太陽能電池的最新進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015(11)：21-28.

[4]曾玉.表面納米織構(gòu)多晶硅太陽電池光電性能研究[J].電源技術(shù)，2015(11)：2414-2418.

[5]張玉寧，剡文杰.InGaN太陽電池光電轉(zhuǎn)換特性的理論計算[J].電源技術(shù)，2016(3)：604-606.

Simulation of optical absorption rate of crystalline silicon solar cells

YAO Hong1,OUYANG Meng2,GAO Jing-yuan1,YANG Wan-cheng1
(1.Hebei Construction Material Vocational and Technical College,Qinhuangdao Hebei 066004,China;2.INVT,Shenzhen Guangdong 518055,China)

Through theoretical analysis,simulation and experimental test,the main factors affecting the crystal silicon solar cell solar absorptance were determined.And the effect of aluminum reflector,silicon surface morphology,boron diffusion on solar absorption rate was significant. The influence of wafer thickness, phosphorus diffusion was relatively low.The solar absorption rate could be significantly reduced by using high efficiency silicon solar cells with a light trapping structure.The solar absorption rate of the filter glass cover sheet was 16.2%lower than that of the common glass cover PERL stack.

crystalline silicon solar cell;solar absorption;diffusion;simulation

TM 914.4

A

1002-087 X(2017)10-1431-02

2017-03-03

河北省科技廳項目(16214411)

姚宏(1981—)，女，甘肅省人，副教授，主要研究方向為信息與通信工程。