1.0緒論為了降低太陽電池的成本, 提高光電轉(zhuǎn)換效率, 電池片生產(chǎn)廠家不斷追求減小硅片的厚度, 以降低原材料的成本, 目前,硅片厚度已由300 Lm 降到200Lm,相應(yīng)產(chǎn)生每瓦電能所耗的硅片量減少 20%。隨著硅太陽電池襯底質(zhì)量的不斷提升, 太陽電池的少子壽命也不斷增大，當(dāng)少子擴(kuò)散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時(shí), 背表面的復(fù)合速度對太陽電池特性的影響就很明顯。因此, 為了提高電池的效率, 就必須考慮如何降低電池背表面的復(fù)合速度。因而研究鋁背場對太陽電池輸出性能的影響就顯得十分必要。
2.0光與電池片硅太陽能電池是一個(gè)二極管，由p型硅（一般為硼摻雜）和n型硅（一般為磷摻雜）結(jié)合形成。當(dāng)光照射電池時(shí)有很多種情形，如圖2-1所表現(xiàn)的那樣。
注：1.光在頂部電極的反射與吸收；2.電池表面反射3.理想吸收4.從電池底部反射-僅微弱吸收光5.反射后的吸收6.在底部電極的吸收
為了獲得最大功率的電池，電池必須設(shè)計(jì)成最大吸收（3）和反射后最大吸收（5）。
在p-n結(jié)中空間電荷區(qū)E將電子吸引到n區(qū)同時(shí)將空穴吸引到p區(qū)一邊。圖2-2描述了短路情況下理想的電荷流動(dòng)。實(shí)際上一些電子空穴對如圖2-3所示在被收集前會復(fù)合消失。
通常情況下，電子空穴對的產(chǎn)生越靠近p-n結(jié)，越容易收集?！笆占d流子”是那些當(dāng)V=0時(shí)產(chǎn)生的電流。電子空穴對在結(jié)擴(kuò)散長度內(nèi)被收集的概率比較大，原因是越靠近PN結(jié)，電子空穴對就越容易被拆開。
圖2-2：理想電子短路電流通過p-n結(jié)。
圖2-3：可能的電子空穴對復(fù)合，沒有復(fù)合的載流子收集。
3.0鋁背場的作用晶體硅（單晶、多晶）太陽能電池的主體結(jié)構(gòu)為晶體硅材料，前表面印刷了柵線狀的銀作為負(fù)電極；而背面除了2根銀電極外，其余都是鋁，我們稱之為鋁背場，由絲網(wǎng)印刷鋁漿料，在800多度的高溫下采用合金化工藝燒結(jié)成型。 鋁背場的作用是： 一：與P型的晶體硅襯底形成P++結(jié)，減少少子復(fù)合，提高少子擴(kuò)散長度； 二：形成合金背場，對長波部分光線具有一定程度的反射作用，增加光電轉(zhuǎn)換效率； 三：是導(dǎo)電作用。
4.0鋁背場對電池片的影響
4.1對太陽電池短路電流的影響隨著硅片厚度的減小, 無鋁背場結(jié)構(gòu)的太陽電池的短路電流隨之降低, 有鋁背場結(jié)構(gòu)的電池短路電流隨硅片厚度的減小先緩慢增大而后減小。比較分析發(fā)現(xiàn),隨著硅片厚度的減小, 鋁背場的作用越來越大, 且有鋁背場結(jié)構(gòu)的太陽電池至少取得8%的電流增益。
單晶硅太陽電池要吸收 99%的光所需要的吸收厚度為384 Lm。在 50~ 350 Lm 厚度范圍內(nèi),隨太陽電池厚度的減小,基體不能充分地吸收入射光, 從而影響產(chǎn)生電子空穴對數(shù)目, 導(dǎo)致太陽電池的短路電流降低。有鋁背場時(shí), 只有硅片厚度小于 200 Lm 時(shí), 才能很明顯地觀察到短路電流隨著硅片厚度的減小而減小，而硅片厚度在200Lm和350Lm之間時(shí)，Isc基本不變。I sc的這種變化趨勢,本文認(rèn)為是由于鋁背場的高反射率所致。一方面,由于鋁背場有助于減小金屬與半導(dǎo)體間的接觸電阻,從而降低 Rs值, 提高I s c；另一方面,硅片厚度小于300 Lm,基體不能完全地吸收入射光,部分光到達(dá)鋁背場處,由于發(fā)生高內(nèi)背表面反射,這種作用的最終結(jié)果是基體內(nèi)總的光生載流子數(shù)目幾乎不變。且由于硅片厚度變薄, 電子空穴對的產(chǎn)生更接近p2n（即p++p+，鋁背場作為p++層）結(jié), 因而更有利于 p2n結(jié)對載流子的收集。大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí), 鋁背場的這種效應(yīng)能提高短路電流。
4.2對太陽電池開路電壓的影響
無鋁背場時(shí)電池的開路電壓隨著硅片厚度的減小而減小。有鋁背場時(shí)電池的開路電壓則隨之增加,但增幅很小。且有鋁背場時(shí)可比無鋁背場時(shí)獲得明顯的開路電壓增益, 最小處也可達(dá)10 mV；隨著硅片厚度的減小,鋁背場對太陽電池開路電壓的影響也是越來越大。無鋁背場結(jié)構(gòu)的背表面的復(fù)合速度很高,硅片厚度的減小使這一高復(fù)合速度的表面越來越靠近p2n 結(jié),表面復(fù)合的增加勝過基體內(nèi)的復(fù)合, 最終導(dǎo)致 Voc降低。
而有鋁背場時(shí),硅片厚度的減小同樣也會導(dǎo)致高復(fù)合速度的表面越來越接近 p2n 結(jié), 但一方面由于p2p+接觸勢壘的存在,將阻止p區(qū)光生電子向背表面運(yùn)動(dòng)而發(fā)生復(fù)合, 這也就等效降低了背表面對光生電子的復(fù)合速度；另一方面到達(dá)p2p+結(jié)兩側(cè)的光生載流子也將被 p2p+的內(nèi)建電場分開,從而建立光生電壓。由于這兩方面的作用使得在有鋁背場情況下,單晶硅太陽電池開路電壓隨著硅片厚度減小而升高。
4.3 對太陽電池填充因子的影響填充因子FF是指太陽電池最大功率與開路電壓與短路電流乘積的比值, 是評價(jià)太陽電池輸出特性的一個(gè)重要參數(shù)。它的值越高,表明太陽電池的輸出特性越接近于矩形, 光電轉(zhuǎn)換效率也就越高。
無鋁背場時(shí)電池的填充因子隨著硅片厚度的減小呈現(xiàn)先緩慢增大,而后迅速減小的趨勢。有鋁背場時(shí)電池的填充因子則隨之迅速增大。且隨著硅片厚度的減小, 鋁背場對太陽電池填充因子的影響越來越大。
目前的研究已經(jīng)證實(shí), 影響太陽電池輸出特性的內(nèi)部因素中, 串、 并聯(lián)電阻對填充因子的影響最大:串聯(lián)電阻越小,并聯(lián)電阻越大, 填充因子則隨之變大。另一個(gè)影響因素則是日照強(qiáng)度。因而在無鋁背場情況下,硅片厚度減小, 使得 Rs值降低,從而填充因子出現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)厚度小于一定值后, 由于不能有效的吸收入射光,導(dǎo)致填充因子急劇下降。在有鋁背場情況下,填充因子的這種變化趨勢是由于硅片厚度減小與p2p+結(jié)均能有效得降低Rs值,從而使得填充因子在硅片厚度減小時(shí)迅速增加。
4.4沒有鋁背場結(jié)構(gòu)時(shí),光電轉(zhuǎn)換效率隨著厚度的減小而減小。
有鋁背場時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率則呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢,變化幅度很小。有鋁背場至少可提高1%的轉(zhuǎn)換效率提升?？梢钥闯? 隨著硅片厚度的減小,鋁背場對提高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的作用越來越明顯。
5.0結(jié)論1)硅片厚度越小, 鋁背場對單晶硅太陽電池輸出特性的影響就越大。
2)對沒有鋁背場結(jié)構(gòu)的電池, 其短路電流隨著硅片厚度的減小而降低; 有鋁背場結(jié)構(gòu)的電池,其短路電流則先緩慢增大而后減小, 且有鋁背場至少取得8%的電流增益。
3)對沒有鋁背場結(jié)構(gòu)的電池, 其開路電壓隨著硅片厚度的減小而降低; 有鋁背場結(jié)構(gòu)的電池,其開路電壓則隨之增加, 但增幅很小。且有鋁背場結(jié)構(gòu)具有明顯的開路電壓增益, 至少可獲得10 mV 的電壓增益。
由此，電池片鋁背膜脫落，對于電池片的電性能有較大的影響。（作者微信公眾賬號：
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附：
參考文獻(xiàn)
【1】周繼承, 李斐等，鋁背場對單晶硅太陽電池輸出特性的影響，《半導(dǎo)體光電》2009年12月。
【2】彭銀生，劉祖明等，晶體硅太陽電池背場的研究，《云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)》，2004年1月。
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