晶体硅材料太阳电池的光吸收率仿真研究

姚 宏，欧阳萌，高敬媛，杨万成

(1.河北建材职业技术学院，河北秦皇岛066004；2.英威腾电气股份有限公司，广东深圳518055)

晶体硅材料太阳电池的光吸收率仿真研究

姚 宏1，欧阳萌2，高敬媛1，杨万成1

(1.河北建材职业技术学院，河北秦皇岛066004；2.英威腾电气股份有限公司，广东深圳518055)

通过理论分析、仿真和实验测试，确定了影响晶体硅太阳电池太阳吸收率的主要因素，其中铝背反射器、硅片表面形貌、硼扩散对太阳吸收率的影响较为显著，硅片厚度、磷扩散的影响相对较低。采用有陷光结构的高效硅电池能明显降低电池的太阳吸收率，滤光玻璃盖片叠层电池太阳吸收率比普通玻璃盖片叠层电池低16.2%。

晶体硅太阳电池；太阳吸收率；扩散；仿真

晶体硅太阳电池已在航天领域得到了广泛应用。太空环境下，太阳电池吸收阳光温度升高会导致电池输出功率的降低。晶体硅太阳电池的光谱相应波长为400～1 100 nm，其他波长光对电池光电流无益，反而会引起电池发热。理想的光膜应对光谱范围内的光具有低反射率，而对其他光具有高反射率[1]。硅片厚度、硅片表面形貌、铝背反射器、扩散和玻璃盖片等对太阳电池反射和吸收阳光具有一定影响，因此，本文将通过仿真计算和实验测试分析各因素对太阳电池吸收率的影响程度。

1 实验

制备了五种加工处理程度不同的硅片：(1)硅片未经过抛光处理；(2)硅片经过酸腐蚀抛光处理；(3)硅片经过碱腐蚀抛光处理；(4)硅片经过抛光处理，并且上表面采用陷光结构，(5)硅片经过化学机械抛光(CMP)，然后分别在硅片表面镀铝背反射器，分别测试其反射率。CMP处理的硅片表面接近理想的镜面，其他四种硅片表面形貌如图1所示。

图1 不同硅片的表面形貌

制备五片同批次的未经扩散处理的碱腐蚀抛光硅太阳电池，其中四块硅片正面涂Al2O3/TiO2双层减反射膜，分别做未烧结与350、400和450℃烧结处理，剩余的一块硅片不做处理，分别测试其反射率和太阳吸收率(编号1-2～1-6)。另取5片同批次未经扩散处理的碱腐蚀抛光硅太阳电池 (编号1-3、1-7～1-10)，一块在正面掺杂磷扩散制作PN结，三块分别在背面做5、10、30 Ω硼掺杂制作背场，剩余一块不做掺杂处理，所有硅片正面采用Al2O3/TiO2减反射膜，背面采用铝背反射器，做350℃烧结处理，分别测试其反射率和太阳吸收率。制备蒸镀单层MgF2反射膜的普通玻璃盖片(AR)和蒸镀多层光学膜的带通滤光玻璃盖片(BRR)，分别测试其反射率[2]。对有背电场的普通硅太阳电池(BSFR)和高效硅太阳电池(PERL)分别贴AR和BBR，制成四种叠层电池(编号2-1～2-4)，分别测试其太阳吸收率。

2 结果与分析

为分析计算硅片厚度对裸电池反射率和太阳吸收率的影响，认定电池正表面采用Al2O3/TiO2双减反射膜，背面采用铝背反射器，并假设硅表面为光滑镜面。对硅片厚度为100、200、300和500 nm的硅片分别进行理论计算，计算结果如图2和表1所示。观察图2可知，波长小于900 nm时，硅片厚度对裸电池的反射率几乎没影响，裸电池的反射率等于裸电池上表面的反射率；当波长在900～1 200 nm时，裸电池的反射率开始增加，硅片厚度对裸电池的反射率产生影响；当波长大于1 200 nm时，晶体硅对次波段的光是透明的，裸电池的反射率取决于上、下表面的反射率[3]。由此可知，硅片厚度对裸电池太阳吸收率的影响很小。由表1可知，随着硅片厚度由100 nm增加到500 nm，太阳吸收率仅增加了0.02。因此电池在设计时可以忽略硅片厚度对太阳吸收率的影响。

图2 不同厚度硅片电池的反射率

表1 不同厚度硅片电池的太阳吸收率

图3所示为不同表面形貌硅片的反射率测试结果。观察图3可知，经CMP处理的硅片反射率最高，经酸腐蚀、碱腐蚀抛光以及未经过抛光处理的硅片反射率略低，而采用陷光结构的硅片反射率明显降低很多。由此可知，硅片表面应进行抛光处理，尤其是硅片下表面。

图3 不同表面形貌硅片的反射率

图4和表2为铝背反射器在不同温度烧结后，裸电池反射率和太阳吸收率的测试结果。由图4和表2可知，采用铝背反射器可以增强对长波光的反射，降低裸电池的太阳吸收率。烧结温度越高电池对长波光的反射率越低，太阳吸收率也越高。这是由于烧结破坏了铝硅界面的完整性，影响了铝背反射器的反射率[4]。未烧结与经350℃烧结电池的太阳吸收率基本相同，说明烧结温度在350℃时，铝背反射器的反射效果没有被破坏。

图4 铝背反射器对裸电池反射率的影响

表2 铝背反射器对太阳吸收率的影响

图5和表3分别为不同扩散条件的裸电池的反射率和太阳吸收率的测试结果。由图5可知，电池正面磷扩散对长波光的反射影响很小，电池背面硼扩散对长波光的影响程度随扩散浓度的增大而增强。当扩散薄层电阻低于30 Ω时，随着薄层电阻减小，电池对长波光的反射率迅速降低，电池太阳吸收率逐渐增大。这是由于硼的扩散引起了硅晶体内部自由载流子对长波光的吸收，掺杂计量越大，自由载流子浓度越低，对长波光的吸收也就越不明显[5]。

图5 不同扩散条件对裸电池反射率的影响

表3 不同扩散条件对太阳吸收率的影响

图6所示为实验制备带通滤光玻璃盖片的反射光谱。由图6可知，带通滤光玻璃盖片在300～400 nm和1 200～1 600 nm两个区有接近100%的反射率，而在400～1 100 nm区和普通玻璃盖片有几乎相同的反射率。因此，带通滤光玻璃盖片能显著减小叠层电池的太阳吸收率。表4为采用不同玻璃盖片的太阳电池的太阳吸收率。由表4可知，裸电池太阳吸收率基本不变。与普通玻璃盖片相比，带通滤光玻璃盖片可大幅度降低叠层电池的太阳吸收率。限光结构高效硅采用带通滤光玻璃盖片的效果更佳。高效硅太阳电池采用带通滤光玻璃盖片与普通玻璃盖片相比，可使叠层电池的太阳吸收率降低16.2%。

图6 玻璃盖片的反射光谱

表4 不同玻璃盖片的太阳电池的太阳吸收率

3 结论

本文通过实验测试的方法对影响晶体硅太阳电池吸收率的因素进行了分析，结果表明，硅片表面形貌、铝背反射器、硼扩散三个因素对太阳吸收率的影响较明显，在生产中需特别注意；采用带通滤光玻璃盖片可使陷光结构的硅电池的太阳吸收率明显降低，效果较显著。

[1]卢辉东，铁生年，刘杰.银纳米光栅增加晶体硅薄膜太阳能电池光吸收的研究[J].激光与光电子学进展，2016(8)：91-96.

[2]周涛，陆晓东，张明，等.晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J].激光与光电子学进展，2013(3)：15-25.

[3]邓庆维，黄永光，朱洪亮.25%效率晶体硅基太阳能电池的最新进展[J].激光与光电子学进展，2015(11)：21-28.

[4]曾玉.表面纳米织构多晶硅太阳电池光电性能研究[J].电源技术，2015(11)：2414-2418.

[5]张玉宁，剡文杰.InGaN太阳电池光电转换特性的理论计算[J].电源技术，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

河北省科技厅项目(16214411)

姚宏(1981—)，女，甘肃省人，副教授，主要研究方向为信息与通信工程。