栅线电极数量对太阳电池电性能的影响

引言

太阳能电池是将太阳能转换成电能的半导体器件，目前常规产业化晶体硅电池前表面重要是由出现光电流的氮化硅受光区域与收集电流的金属栅线电极组成，栅线是电池的重要组成部分，它负责把电池体内的光生电流输运到电池外部，而由于电池串联电阻引起的电学损失和电极遮光面积引起的光学损失是制约太阳能电池效率提升的重要因素，因此本文针对栅线电极数量对光电转换效率（Eta）、开路电压（Uoc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）、串联电阻（Rs）等各项电池电性能参数的影响进行实验设计与研究，得到最佳的栅线设计方法。

1网版栅线的设计原理

目前丝网印刷制作电极可以实现生产自动化，生产成本低，产量高，该工艺已经很成熟，在太阳电池的生产中得到了广泛应用。

上电极设计优化的一个重要方向是改善上电极金属栅线的设计。当晶体太阳电池的尺寸新增时，这方面就变得愈加重要。关于电极设计，设计原则是使电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小和电池的光照用途面积尽可能大。

金属电极一般由两部分构成如图1所示，主电极是直接将电流输到外部的较粗部分，栅线电极则是为了把电流收集起来传递到主电极上去较细的部分。太阳电池的最大输出功率可由ABJmpVmp得到，式中AB为太阳电池的表面积，Jmp和Vmp分别为最大功率点的电流密度和电压。将太阳电池的最大功率输出归一化后，得

图1太阳电池上表面金属电极示意图

Figure1Theschematicdiagramofthemetalelectrodeontnesurfaceofsolarcells.

到栅线电极和主电极的电阻功率损耗分别为

其中，ρsmf和ρsmb分别为栅线电极和主电极金属层的薄层电阻，在某些情况下，这两种电阻是相等的，而在另一些情况下（如浸过锡的电池），在较宽的主电极上又盖了一层较厚的锡，ρsmb就比较小。假如电极各部分是逐渐呈线性变细的，m值则为4，假如电极各部分宽度是均匀的，m值则为3。WF和WB分别是太阳电池栅线电极和主电极的平均宽度。S是栅线电极的线距。

因栅线电极和主电极的遮挡部分而引起的功率损失是：

忽略直接由半导体到主电极的电流，则接触电阻损耗仅仅是由于栅线电极所引起的，这部分功率损耗一般近似为

其中，ρc是接触电阻率。关于硅电池来说，在太阳光下工作时，接触电阻损耗一般不是重要问题。所以，重要要考虑的是电池顶层横向电阻所引起的损耗。其归一化形式为

其中，ρs是电池表面扩散层的方块电阻。

主电极的最佳尺寸可以由（2）和（4）式相加，然后对WB求导而得出，结果为当主电极的电阻损耗等于其遮挡损失时，其尺寸最佳。这时

同时，这部分功率损失的最小值由下式得出：

这表明逐渐变细的主电极（m=4）比等宽度的主电极（m=3），功率损失大约低13%。

从上面一些式子可看出，单从数字上讲，当栅线电极的间距变得非常小以致横向电流损耗可忽略不计时，出现最佳值。于是，最佳值由下面条件给出，即

即：

实际上不可能得到这个最佳值，在特定的条件下，要保持产品有较高的成品率，WF及S的最小值均受到工艺条件的限制。

在这种情况下，可通过简单的迭代法实现最佳栅线的设计。若把栅线电极宽度WF取作在特定工艺条件下的最小值，则对应于这个最小的S值能够用渐近法求出。对某个设定值S'，可计算出相应的各部分功率损失ρsf，ρcf，ρsf和ρst。然后可按下式求出一个更接近最佳值的值S"

这个过程将很快收敛到相应于最佳值的一个不变的值上。从式（10）计算的S值是一个过高的估计值，由此可求出最佳的初试值。用式（10）所算出的S值的一半作初试值即可得出一个稳定的迭代结果。关于下电极的要求是尽可能布满背面，关于丝网印刷，覆盖面积将影响到填充因子。