淺談晶體硅太陽電池中的電學(xué)復(fù)合行為

姜明　閆偉

摘要 ：研究晶體硅太陽電池中的電學(xué)復(fù)合行為，對推動(dòng)晶體硅太陽電池發(fā)展具有較為重要影響。文中對晶體硅太陽電池進(jìn)行了簡單介紹，并對晶體硅太陽電池中的電學(xué)復(fù)合行為進(jìn)行了深入研究。

關(guān)鍵詞 ：晶體硅 太陽電池 電學(xué)復(fù)合行為

在所有可再生資源中，太陽能是其中最重要的一種，對緩解全球性資源短缺問題具有較為重要的影響。而在當(dāng)前的太陽能電池市場上，晶體硅太陽電池牢牢占據(jù)了超過八成的市場份額，其對整個(gè)太陽能電池的發(fā)展有具有即為重要的推動(dòng)作用。在晶體硅太陽電池的研制中，最主要的工作就是要降低其制造成本和制作工藝，當(dāng)前，該方面所采用的最主要的方法就是設(shè)法降低晶體硅硅片的厚度和進(jìn)一步提升晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換能力。降低晶體硅硅片的厚度，就能夠有效降低的電學(xué)復(fù)合行為的影響，并進(jìn)一步提高電池的產(chǎn)量。接下來，本文就將以此為基礎(chǔ)，對晶體硅太陽電池的電學(xué)復(fù)合行為進(jìn)行詳細(xì)探討。

一、晶體硅太陽電池

自太陽能被開發(fā)利用開始，硅在太陽能電池中就得到了應(yīng)用，經(jīng)過多年的發(fā)展，到晶體硅太陽電池的出現(xiàn)，其技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并且擁有比較高的能源轉(zhuǎn)化效率。因此，在太陽能電池市場中，晶體硅太陽電池一直是當(dāng)之無愧的霸主，直到現(xiàn)在，其所占市場份額也超八成。經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)，就晶體硅太陽電池的研制和發(fā)展情況來看，雖然晶體硅太陽電池?fù)碛斜容^成熟的技術(shù)和較為高效的發(fā)電能力，但是其成本也非常高，是其他能源發(fā)電成本的數(shù)倍乃至更多。因此，對當(dāng)前晶體硅太陽電池的發(fā)展而言，其主要工作就是要設(shè)法降低電池的發(fā)電成本。

現(xiàn)如今，晶體硅太陽電池所存在的問題主要集中在晶體硅硅片的厚度越來越薄，而其厚度越來越薄，其問題就開始一點(diǎn)點(diǎn)暴露[1]。首先，晶體硅硅片厚度不斷降低，其抗壓和抗磨損能力也會(huì)隨之降低，在硅片制備和使用的過程中，硅片的破損率就會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致成本增加。其次，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多線切割計(jì)技術(shù)水平也在不斷提升，如今硅片的厚度已經(jīng)可以達(dá)到100？m，如此一來硅片的轉(zhuǎn)換效率就會(huì)降低，無法對擴(kuò)散長度過長的光生載流子進(jìn)行收集，也會(huì)對晶體硅太陽電池的電學(xué)復(fù)合行為造成影響。

二、晶體硅太陽電池中的電學(xué)復(fù)合行為

（一）硅片表面復(fù)合對薄片電池效率的影響

通過對太陽電池中的電學(xué)復(fù)合行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測可以發(fā)現(xiàn)，在晶體硅太陽電池中，硅片的厚度越薄，硅表面的電學(xué)復(fù)合行為所具有的影響就越大。當(dāng)前，在晶體硅太陽電池的制造中，硅片的厚度通常為200 ？m，而隨著科學(xué)技術(shù)和多線切割工藝的不斷發(fā)展，硅片的厚度還在不斷縮減，當(dāng)前，其厚度縮小極限為100？m。

為了能夠?qū)w硅太陽電池中的電學(xué)復(fù)合行為進(jìn)行有效驗(yàn)證，相關(guān)人員對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)過程中，首先要將所選取的硅片通過HNO3-HF-H2O體系進(jìn)行處理，按照實(shí)驗(yàn)要求制作成厚度不同的薄硅片，硅片的厚度，從60？m到180？m不等，每個(gè)規(guī)格的薄硅片10片。在硅片制作完成之后，利用不同規(guī)格的薄硅片制成晶體硅太陽電池[2]。然后，對由不同厚度硅片制成的太陽電池的透射率和前表面反射率進(jìn)行測試，并通過光譜相應(yīng)獲得電池的外量子效率。最后，以美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)片為參考基準(zhǔn)在25± 1℃的溫度條件，采用合適光強(qiáng)為100 mw/cm2的太陽光光對電池I-V曲線進(jìn)行測試，并對所得到的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。最終對上述結(jié)果進(jìn)行了有效證實(shí)，硅片的厚度越薄，硅表面的電學(xué)復(fù)合行為所具有的影響就越大。

（二）摻鍺對電池效率的作用

當(dāng)前，晶體硅太陽電池硅片多采用摻硼單晶硅，在長期光照條件下，晶體硅的體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生硼氧復(fù)合體，進(jìn)而對晶體硅太陽能電池的能源轉(zhuǎn)換效率造成影響，并且最大能夠降低10%轉(zhuǎn)換效率。而經(jīng)過相關(guān)人員的實(shí)驗(yàn)研究證明，在摻硼單晶硅中摻入適量的鍺能夠?qū)ε鹧鯊?fù)合體的產(chǎn)生形成抑制，進(jìn)而降低其對太陽電池效率的影響[3]。其主要原因，是因?yàn)閾饺腈N能夠?qū)﹄p氧擴(kuò)散勢壘進(jìn)行有效提升，進(jìn)而限制雙氧形成，阻止硼氧復(fù)合體的生產(chǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，尺寸為125X125cm2，厚度為200 ？m，電阻率在1～3Ωcm左右的晶體硅硅片中，鍺的濃度在1019-1020cm-3。左右最為合適，如果再大，就會(huì)在起到反作用，反而對晶體硅太陽電池的效率和電學(xué)復(fù)合行為造成影響。

（三）硅片表面電學(xué)復(fù)合對效率的影響

如圖1所示，為常規(guī)絲網(wǎng)印刷硅太陽電池，圖2為入射光在電池中的傳播情況。

從圖2中能夠看出，當(dāng)入射光照射到電池表面之后，一部分光會(huì)反射到空氣或者是封裝玻璃中，而另一部分光，則會(huì)折射進(jìn)電池襯底硅中。而從圖1中能夠看出，為了能夠減少入射光的反射率，在電池的表面通常會(huì)設(shè)置一層用來減少光反射的薄膜，當(dāng)前，入射光的反射率已經(jīng)被控制到了3%以下[4]。除此之外，在電池的前表面還會(huì)有許多三角形結(jié)構(gòu)，這樣能夠增加光從一個(gè)三角表面反射到另一個(gè)三角表面的二次耦合的幾率，進(jìn)一步降低了入射光反射率。

在入射光照射的過程中，如果入射光子的能量比硅的禁帶寬度大，在電池中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對。并且，在電池內(nèi)部電場的作用下，還會(huì)降電子和空穴分離開，進(jìn)一步被電池的前后電極所吸收，并產(chǎn)生外電流[5]。

當(dāng)入射光子在晶體硅的硅片內(nèi)進(jìn)行傳播的時(shí)候，會(huì)發(fā)生如公式①和②的反應(yīng)：

I = （I- R1） IΩexp（-αx） ①

式中，I為光強(qiáng)；

X為距離；

R1為平均的反射率。

由式中能夠看出，光強(qiáng)會(huì)隨距離增加而減弱。

（I-R1）（I-R2）I0e-αx ②

式中，I為光強(qiáng)；

X為距離；

R1為平均的反射率；

α為光子吸收系數(shù)。

由式中能夠看出，光子吸收系數(shù)會(huì)隨光子能量減弱而不斷降低。

經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)和相關(guān)研究可以證明，在晶體硅太陽電池中，硅片表面的電學(xué)復(fù)合行為會(huì)對電池效率造成影響。

結(jié)語：

總的來說，對晶體硅太陽電池的電學(xué)復(fù)合行為進(jìn)行研究，能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升晶體硅太陽電池的發(fā)電效率和制作成本。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)對晶體硅太陽電池電學(xué)復(fù)合行為的研究，以能夠更好的達(dá)到降低電池制造成本和提升電池效率的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王明華.富硅氮化硅和納米硅多層量子阱硅基發(fā)光薄膜與器件[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

[2]賴紅梅. 晶體硅太陽電池背場的鋁硼共摻研究與含亞微米級(jí)發(fā)光顆粒的染料敏化太陽電池的光伏性能研究[D].上海師范大學(xué)，2014.