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II類單晶硅片太陽電池擴散工藝的優化研究

發布日期:2017-11-20 來源: 本網 查看次數: 1837 

核心提示:  材料、結構及工藝bookmark0楊超沈鴻烈吳京波2,李瓊2,李斌斌馮曉梅1(1.南京航空航天大學材料科學與技術學院,南京210016 2南京沙寧申光伏有限公司,南京211300)雜濃度和結深研究

  材料、結構及工藝bookmark0楊超沈鴻烈吳京波2,李瓊2,李斌斌馮曉梅1(1.南京航空航天大學材料科學與技術學院,南京210016 2南京沙寧申光伏有限公司,南京211300)雜濃度和結深研究了擴散時間對太陽電池性能的影響。通過太陽電池單片測試儀(XCM―9)測試電池性能。得到了為850°C的擴散溫度下再分布時間分別為5、10和15min時方塊電阻隨主擴時間的變化關系。由可知,當擴散溫度和再分布時間固定時,方塊電阻隨著主擴時間的增加而逐漸減小,這是由式(1)決定的。

  荷,/l為光生電流。

  再分布時間不變,主擴時間增加,使得施主雜質濃度Nd增大,則由式(2)可知反向飽和電流/.減小,導致光生電流/l與反向飽和電流/0的比值增大,由式(3)可以得出開路電壓會逐漸增大131.所示為850°C的擴散溫度下再分布時間分別為5、10和15min時開路電壓隨主擴時間的變化關系。由可知,當擴散溫度和再分布時間固定時,開路電壓隨著主擴時間的增加而逐漸增大,這是還顯示出主擴時間相同再分布時間增加時,電池開路電壓逐漸減小。這是因為主擴時間不變,再分布時間增加,擴散層施主雜質濃度Nd將減小,則由式⑵可知反向飽和電流/增大,導致光生電流IL與反向飽和電流/.的比值減小,由式(3)可知開路電壓會逐漸減小。

  并且由可以推測出當再分布時間分別為5、10和15min時,即使主擴時間增加到50min時,仍然沒有出現重摻雜效應,使得硅禁帶寬度收縮,導致電池開路電壓下降14.當主擴時間為50min,再分布時間為5min時,電池開路電壓達到了本文,此時電池短路電流密度(。、填充因子FF和轉換效率n分別為2.3短路電流密度與擴散時間的關系所示為850°C的擴散溫度下再分布時間分別為5、10和15min時短路電流密度隨主擴時間的變化關系。由可知,當擴散溫度和再分布時間固定時,短路電流密度隨著主擴時間的增加而逐漸減小,這是以下兩方面的原因導致的。

  (1)主擴時間增加,導致pn結的結深增大,使得電池對高能量的短波響應降低;并且結深增加后,光進入硅片后到達耗盡區的距離增加,光衰減長度增加使得射入耗盡區的光減少,而耗盡區正好是載流子收集幾率最高的區域;(2)主擴時間增加,頂層摻雜濃度變大,出現更多的雜質與缺陷,復合中心數量增大,摻雜層少子壽命減小,導致電池短路電流密度減小。

  還顯示出在每個主擴時間下,再分布時間為15min時的電池短路電流密度都大于再分布時間為5min和10min時。然而并不是再分布時間越大越好,過大的再分布時間會使得擴散層摻雜濃度過低及pn結結深過大,反而會使短路電流密度減小,本,此時電池開路電壓Vc、填充因子FF和轉換效率n分別為2.4并聯電阻與擴散時間的關系0的擴散溫度下再分布時間分別為5、10和15min時并聯電阻隨主擴時間的變化關系。由可知,當擴散溫度和再分布時間固定時,并聯電阻隨著主擴時間的增加而逐漸減小。

  并聯電阻的主要來源是:pn結漏電,其中包括繞過電池邊緣的漏電及由于結區存在體缺陷和外來雜質的沉淀物所引起的內部漏電18,它們與擴散制結、PECVD鍍膜、印刷燒結等工藝有關。再分布時間不變,主擴時間變大后,頂層摻雜濃度變大,出現更多的雜質與缺陷,復合中心數量增大,摻雜層少子壽命減小,因而漏電流增大,電池并聯電阻減小。

  還顯示當主擴時間不變,再分布時間增大時,電池并聯電阻逐漸增大。這是因為主擴時間不變再分布時間增大會明顯減小電池表面的雜質濃度,而電池表面又是載流子復合速度最大的區域這樣就會有效減少載流子的表面復合,從而使得電池并聯電阻增大。

  2.5串聯電阻與擴散時間的關系°C的擴散溫度下再分布時間分別為5、10和15min時串聯電阻隨主擴時間的變化關系。由可知,當擴散溫度和再分布時間固定時,串聯電阻隨著主擴時間的增加而逐漸減小。

  串聯電阻的主要來源是:制造電池的硅材料的體電阻、電極及互聯金屬的電阻以及電極和半導體之間的接觸電阻181,它們與擴散制結、印刷燒結等工藝有關。再分布時間不變,主擴時間增大,擴散摻雜濃度變大,在后續電極燒結中更利于制備良好的歐姆接觸,使得電池金屬一半導體接觸電阻減小,從而導致串聯電阻逐漸減小。

  從還可看出,當主擴時間不變,電池串聯電阻隨再分布時間沒有表現出明顯的規律。這是因為主擴時間不變再分布時間增加使得擴散層電阻減小,但是會增大后續電極燒結后的金屬一半導體接觸電阻,這兩者之間的矛盾使得串聯電阻隨再分布2.6填充因子及轉換效率與擴散時間的關系0再分布時間為5min時不同主擴時間對應的電池填充因子和轉換效率,由表1可知,當再分布時間確定在5min時,電池填充因子隨主擴時間增加而逐漸減小。

  電池的填充因子FF會隨著并聯電阻R的減小和串聯電阻Rs的增大而降低9,Rsh的減小和Rs的增大會使得太陽電池最大功率輸出點的輸出電流Im發生下降,這是Rsh和Rs影響電池填充因子的主要機制1101.由和可以看出當再分布時間為5min時,電池的Rsh和Rs都是隨主擴時間增加而逐漸減小的,在串聯電阻減小的情況下填充因子仍然逐漸下降,這是因為此時并聯電阻的減小對填充因子的影響起了主要作用。

  太陽電池的理論能量轉換效率n表達式如下:最高轉換效率電池-V曲線由(4)式可知,當入射太陽光譜AM0或AM1. 5確定以后,太陽電池效率n則取決于開路電壓v.、短路電流密度心和填充因子ff.要提高太陽電池轉換效率,則需要提高V,c、s.和FF這三個基本參量,但是,由于電池的基本參數對這三個參量的影響機制不同,從而使得它們之間往往是相互制約的,單方面提高其中一個,可能會因此降低另外一個,所以在現實生產中,通過工藝的改進使得三者同時提高是比較困難的,往往是統籌考慮對三者的影響實現效率的提高1101.由、和表1可以看出當再分布時間為5min時,隨著主擴時間的增加,電池開路電壓逐漸增大,短路電流密度人。和填充因子FF逐漸減小,而表1顯示電池轉換效率隨主擴時間的增加先增大后減小,在主擴時間為20min時達到最大值,不過效率增大和減小的幅度都較小,由式(4)可知這是主擴時間對開路電壓短路電流密度人。和填充因子FF影響的統籌結果。

  表2和表3分別給出了擴散溫度850G再分布時間為10min和15min時不同主擴時間對應的電池填充因子和轉換效率。

  表1再分布時間為5min時不同主擴時間對應的電池填充因子和轉換效率再分布時間/min主擴時丨間/表2再分布時間為10min時不同主擴時間對應的電池填充因子和轉換效率再分布時間/min主擴時丨間/表3再分布時間為15min時不同主擴時間對應的電池填充因子和轉換效率再分布時間/min主擴時丨間/由表2和表3可知,當再分布時間確定在10min和15min時,電池填充因子隨主擴時間增加先增大后減小,都是在主擴時間為40min時達到最大值,而由和可以看出當再分布時間為10min和15min時,電池的并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs都是隨主擴時間而逐漸減小的,主擴時間為40min之前,再分布時間為10min和15min兩種電池在并聯電阻減小的情況下填充因子仍然逐漸增大,這是因為此時串聯電阻的減小對填充因子的影響起了主要作用;主擴時間為50min時,兩種電池填充因子又都有所下降,說明此時并聯電阻的下降對填充因子的影響起了主要作用。

  表2和表3顯示當再分布時間為10min和15min時,電池轉換效率隨主擴時間的增加先增大后減小,都是在主擴時間為40min時達到最大值,并且效率增大和減小的幅度都不小,如同再分布時間為5min時效率的分析,這也是主擴時間對開路電壓心,短路電流密度人。和填充因子FF影響的統籌結果。當主擴時間為40min、再分布時間為15min時,電池效率達到本文,此時電池開路電壓心、短路電流密度人。和填充因子FF分別為657mV、33.57mA/cm2和74.36% 3結論本文通過改變擴散時間來改變發射區的摻雜濃度和結深,研究了擴散時間對太陽電池性能的影響。

  發現改變擴散時間后,太陽電池的開路電壓和短路電流密度呈現相反的變化趨勢,這與單晶硅太陽電池的理論計算相符。在本文實驗條件下,當擴散溫度為850C,主擴時間和再分布時間分別為50min和5min時,電池得到最高的開路電壓為668mV,但短路電流密度僅32.8mA/cm2,填充因子FF也只有70.51%,轉換效率n為15.45%當擴散溫度為850G主擴時間和再分布時間分別為10min和15min時,電池得到最大的短路電流密度為33. 87mA/cm2,但開路電壓僅621mV,填充因子FF為72.59%轉換效率為15.27%;最終得到了本文實驗條件下較為優化的擴散工藝,此工藝條件既考慮到開路電壓,又兼顧了短路電流密度,工藝參數為擴散溫度850G主擴時間和再分布時間分別為40min和15min,此時電池得到最高的轉換效率為16.4%電池的開路電壓、短路電流密度和填充因子分別為657mV、33.57mA/cm2和74.36%以此優化擴散工藝制備電池的效率較公司原擴散工藝電池提高了約0.3%

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