单晶硅太阳能电池铝背场的特性研究

【摘要】： 单晶硅太阳电池铝背场的欧姆接触影响其输出特性,采用新的工艺技术降低电池的串联电阻势在必行。随着电池衬底厚度变得越来越薄,传统的丝网印刷工艺使铝背场难以继续发挥其优势,探索硅片特征参量与铝背场特性之间的内在联系也显得十分必要。 本文首先采用直流磁控溅射和丝网印刷技术分别在半成品单晶硅电池的背面溅射铝膜和印刷铝浆料,然后对其进行快速热处理,制备出了电池的铝背场。研究发现：当溅射铝膜厚度为3μm左右时,经800℃快速热退火处理后,铝背场的表面方块电阻已经和工业上现在常用的丝网印刷和烧结工艺制备出的铝背场的相当。相对传统的丝网印刷工艺,溅射铝膜经800℃快速热处理后,铝晶粒更大,更加均匀紧密且表面平整,有利于进一步降低铝背场欧姆接触电阻以及提高对中长波太阳能的吸收。溅射工艺制备出的铝背场接触电阻随退火温度升高呈下降趋势且溅射工艺的接触电阻比印刷工艺更小。当退火温度不小于800℃时,溅射工艺的接触电阻基本趋于稳定,而印刷工艺制备的铝背场欧姆接触电阻在900℃处理后接触电阻反而升高。 为进一步研究电池铝背场的特性,在模拟软件PC1D中建立了n+pp+单晶硅太阳能电池的物理模型,仿真并系统地研究了单晶硅电池衬底厚度、掺杂浓度和少子寿命以及铝背场的掺杂浓度分布梯度、厚度及其平均掺杂浓度等参数跟铝背场特性之间的内在联系。仿真结果表明,硅衬底厚度对n+pp+电池输出特性的影响与衬底少子的扩散长度相关。当衬底厚度跟其少子扩散长度相当时,随着衬底厚度的减薄,铝背场对提高太阳能电池输出特性的作用越来越强。当少子扩散长度与衬底厚度的比值为2.5-3时,具有铝背场结构的单晶硅电池可获得最佳的输出特性。当p型硅衬底的掺杂浓度在5×1015～1×1017cm-3范围变化时(对应电阻率为0.2～3Ω·cm),具有铝背场结构的单晶硅电池能获得良好的输出特性。具有铝背场结构电池的输出特性几乎不依赖于铝背场掺杂浓度分布梯度,铝背场在一定程度上几乎屏蔽了电池背表面复合速度对其输出特性的影响。当铝背场中的平均掺杂浓度超过6.56×1018cm-3后,铝背场的最佳厚度值决定于p+层内的少子扩散长度,其值一般是少子扩散长度的1-2倍。当铝背场的平均掺杂浓度和厚度分别为6.56×1018cm-3和10μm左右时,铝背场可以发挥其最大的作用。 【关键词】：单晶硅电池 铝背场欧姆接触 PC1D 仿真 输出特性
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 单晶硅太阳能电池结构的演变12-22
• 1.3 铝背场的研究进展22-24
• 1.4 单晶硅电池铝背场的制备及形成过程24-26
• 1.5 本论文的研究意义、方法及内容26-29
• 1.5.1 本论文的研究意义26
• 1.5.2 本论文的研究内容26-27
• 1.5.3 本论文的研究方法27-28
• 1.5.4 论文章节安排28-29
• 第二章 单晶硅电池铝背场特性的实验研究29-42
• 2.1 引言29
• 2.2 测试原理与实验29-33
• 2.2.1 方块电阻测试原理29-31
• 2.2.2 铝背场欧姆接触测试原理31-32
• 2.2.3 欧姆接触伏安特性及其测试系统32-33
• 2.2.4 铝背场的制备及表征33
• 2.3 实验结果与分析33-40
• 2.3.1 铝背场方块电阻的热退火规律33-34
• 2.3.2 铝背场截面及表面形貌34-37
• 2.3.3 欧姆接触伏安特性的测试及比接触电阻的计算37-39
• 2.3.4 电池的伏安特性39-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 太阳能电池仿真的理论基础及仿真软件42-52
• 3.1 太阳能电池物理基础42-44
• 3.1.1 泊松方程42
• 3.1.2 电流密度方程42-43
• 3.1.3 连续性方程43
• 3.1.4 太阳能电池的边界条件43-44
• 3.2 半导体的光吸收44-45
• 3.2.1 光学吸收系数44-45
• 3.2.2 自由载流子吸收系数45
• 3.3 载流子输运特性45-49
• 3.3.1 迁移率46-47
• 3.3.2 载流子的复合47-49
• 3.4 禁带变窄效应49-50
• 3.4.1 温度对禁带宽度的影响49
• 3.4.2 掺杂浓度对禁带宽度的影响49-50
• 3.5 仿真软件PC1D简介50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 单晶硅电池铝背场特性的仿真研究52-72
• 4.1 引言52-53
• 4.2 仿真方案53-55
• 4.3 硅衬底对单晶硅电池输出特性的影响55-63
• 4.3.1 衬底厚度55-58
• 4.3.2 衬底少子寿命58-61
• 4.3.3 衬底掺杂浓度61-63
• 4.4 铝背场掺杂浓度分布对单晶硅电池输出特性的影响63-70
• 4.4.1 铝背场掺杂浓度分布梯度63-66
• 4.4.2 铝背场厚度以及平均掺杂浓度66-70
• 4.5 本章小结70-72
• 第五章 结论72-74
• 参考文献74-83
• 附录 A主要参数符号表83-84
• 致谢84-85
• 攻读学位期间主要的研究成果85

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