太阳能电池基本参数的影响因素分析与研究
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摘要： 通过对太阳电池在光照时等效电路的电路分析，得到了太阳电池在光照条件下几个基本参数的计算公式，从中找出太阳能电池基本参数的影响因素及规律性，再通过生产过程的实际数据进一步证明几个影响因素之间的关系，从而分析提高太阳电池转换效率的有效途径。
Abstract： Based on analyzing equivalent circuit of solar cell in the light， the paper gets the calculation formulas of basic parameters of the solar cell in the light， and finds the influencing factors and regularity， and improves the relationship among influencing factors through the actual data in production process， and then analyzes the effective way to improve the conversion efficiency of solar cell.
关键词： 太阳电池；开路电压；短路电流；转换效率；串联电阻；并联电阻
Key words： solar cell；open circuit voltage；short circuit current；conversion efficiency；series resistor；shunt resistance
中图分类号：S214 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）32-0033-03
0 引言
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏打效应将光能转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装便构成了大面积的太阳能电池组件。本文通过对太阳能电池基本参数的影响因素的分析，进一步探讨提高太阳能电池转换效率的有效途径。
1 太阳电池电性能的主要参数
目前反应太阳电池电性能的主要因素有：短路电流，开路电压，填充因子，光电转换效率，最大功率最大工作电流，最大工作电压，串联电阻，并联电阻。
2 太阳电池在光照时的等效电路
太阳电池在光线的照射下，由于光伏效应，引起的载流子也就是电子和空穴漂移会形成从n区流到p区的光电流Iph。当与外电路接通时，就会有电流通过电路，pn结就相当于一个电流源。太阳电池材料本身以及与金属电极的接触面都不可避免地存在着电阻，为了分析方便，把这些电阻全部看成为一个串联电阻Rs；把不经过p n 结正常电流通道的漏电流都用一个分流电阻Rsh来表示。因此，当考虑串联电阻和分流电阻时，太阳电池在光照时的等效电路就应该如图1所示。
根据图1，由基尔霍夫定律得太阳电池的输出电流方程为：[1]
I=Iph-Id-Ish=Iph-Ioe■-1-■ （1）
Rs——串联电阻；Rsh ——并联电阻
Iph——光生电流；Id——二级正向管电流：
Id=Io（e■-1）（2）
Io=q■+■（3）
Io为二极管反向饱和电流。
3 太阳电池的影响因素分析
短路电流和开路电压是描述太阳电池性能的重要参数。
3.1 短路电流Isc 当负载被短路时，V=0，并且此时流经二极管的暗电流Id非常小，可以忽略，上式可变为：
Isc=Iph -Isc■？圯ISC=■[1] （4）
当Rsh>>Rs时，Isc≈Iph
由此可知，短路电流Isc总小于光生电流Iph且Isc的大小也与Rs和Rsh有关。串联电阻Rs越小，并联电阻Rsh越大，短路电流就越大。理想的光伏电池短路电流Isc=Iph
3.2 开路电压Voc：[2] 一个理想的光伏电池，因串联Rs很小、并联电阻Rsh很大，所以进行理想电路计算时，他们都可忽略不计。所以负载电流满足下式，
I=Iph-Id=Iph-Io[exp（qV/nkT）-1]（5）
即太阳能电池在空载情况下的端电压为太阳能电池的开路电压，用Voc表示。
I=0，有光照时，由上述可知光电流和正向结电流相等，但方向相反，于是由肖克莱方程给出：Id=Iph=Io（e■-1）
两边取对数整理后，A1得Voc=■1n■+1（6）
开路时，可以认为接近于理想太阳能电池，由此可见太阳能电池的光伏电压与电池面积的大小无关。同时也与暗电流有关。而对太阳能电池而言，暗电流不仅仅包括二极管反向饱和电流，还包括薄层漏电流和体漏电流。
漏电流：太阳能电池片可以分3层，即薄层（即N区），耗尽层（即PN结），体区（即P区），对电池片而言，始终是有一些有害的杂质和缺陷的，有些是材料本身就有的，也有的是工艺中形成的，这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用，可以虏获空穴和电子，使它们复合，复合的过程始终伴随着载流子的定向移动，必然会有微小的电流产生，这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的，由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流，由体区贡献的部分称之为体漏电流。
3.3 填充因子FF
FF=■=■（7）
太阳电池的光电输出特性曲线如图2所示。从图中可以看出最大输出功率总在该曲线“膝点”的附近，当电池的短路电流Isc和开路电压Voc一定时，填充因子FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF的值始终小于1。
填充因子越大，反映到太阳能电池的电流-电压曲线上就是曲线接近正方形，此时太阳能电池可以实现很高转换效率。
3.4 转换效率η
η=■=■=■（8）
At表示包括栅线在内的电池总面积，Pin为单位面积入射光的功率。根据上式可得： 填充系因子越大，即转换效率越大。 因此，影响η的主要因素为开路电压、短路电流和填充因子，综上所述，影响Voc、Isc、Vm、Im、FF和η的主要因素就是串联电阻和并联电阻。而实践证明短路电流的变化最直接可以反映效率的变化。
表1及图3是工厂生产的一组实验数据，反映了开路电压一定时，转换效率与短路电流之间的变化关系。转换效率≥15%以后，短路效率在一个狭小的范围（5～6mA）缓慢提高。
其中：Ncell转换效率
3.5 串联电阻Rs和并联电阻Rsh
3.5.1 串联电阻Rs 一般小于1Ω，主要包括金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分。
3.5.2 并联电阻Rsh一般为几千欧姆，主要是电池边缘漏电、电池表面污浊或耗尽区内的复合电流引起的，这几种电流构成了漏电流。而且并联电阻越大，漏电流也就越小。
4 提高太阳电池效率的途径
从上所述可以看出，要提高太阳电池的效率，应提高开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF这三个基本参量。
表2是一组电池片工厂生产过程中最终测试分选数据结果。
从表中可以看出，反映电池片电性能的各参数之间是相互牵制的，不是单纯的提高某一个参量就可以改变转换效率，但总体来说，短路电流是必须增大，效率相对就会提高的。
因此，根据生产经验，提高电池片的转换效率要从以下几个方面考虑。
4.1 优化晶体硅材料 太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系。
Io=q■+■，其中L=■；[2]
n—电子浓度，τ—少子寿命
Voc=■1n■+1
从前面式可以看出，参杂浓度越大则反向饱和电流密度Io越小，少子寿命τn越长，Voc则也越大。因此，理想的太阳电池基底应该是低电阻率和高少子寿命。理论和实践都证明：0.5～3Ω·cm左右的工业生产直拉单晶硅片及铸锭多晶硅片都可以有很好的效果。
4.2 减小暗电流 由I=Iph-Id可以看出，减小暗电流才可以增加短路电流。也就是要减少串联电阻，增加并联电阻，必须减少金属杂质以及其它能够作为复合中心的杂质、缺陷等出现在空间电荷区，抑制高掺杂效应，增加各区的少子寿命。
4.3 提高丝网印刷技术[3] 目前常规工业化晶硅太阳电池的正面金属栅线面积约占整个电池面积的8%。因此为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失，可以从以下几个方面考虑：
a）缩小细栅的宽度：工业化生产中丝网印刷的细栅线的宽度已经从过去几年的140～150μm逐步降低到100～120μm左右，并有继续缩小到80μm左右的潜力。
b）超细主栅或无主栅：主栅的宽度通常为1.5mm（对于125mm边长的电池片，或者156mm边长3根主栅的电池片），将主栅宽度缩小甚至完全移至背面，如metal wrap through技术。
c）栅线内反射：栅线是良好的光线反射体，通过特殊设计，可以将部分反射光线通过玻璃、封装材料等内反射再回到电池片表面。
d）提高铝背场烧结工艺水平：烧结铝背场后，不仅材料寿命的增长有所提高，而且碳、氧含量降低.使材料背面附近的能带结构发生变化.减少了扩散过程中的电子与空穴的复合，增大了载流子的扩散长度，提高了少子的寿命。
4.4 不断调整优化工艺流程 在太阳电池制作过程中，硅片要经过表面清洗去损伤层、扩散磷吸杂、PECVD沉积SiN：H膜钝化、铝背场印刷以及烧结等工艺，在这些工艺过程中，硅片要经过不同的高温处理，少子寿命也会随之发生变化。少子寿命越长，太阳电池的短路电流和开路电压越高，太阳电池的转换效率也相应地提高。
为提高太阳电池的转换效率和控制工艺的稳定性，在工艺过程中增强少子寿命测试对生产过程的监控是非常重要和必要的。通过少子寿命的监控，明确地知道每个工艺过程的质量情况，可以及时调整生产工艺，获得良好的工艺流程，从而达到控制生产过程的目的。提高太阳电池的转换率。
5 结论
影响太阳电池的主要参数是开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF这三个基本参量，而这三个参量这间往往是互相牵制的，如果单方面提高其中一个参量，可能因此会降低另一个，以至于造成总效率不仅没有提高反而有所下降。因此在选择材料、设计工艺时必须全盘考虑，力求使三个参量的乘积最大。因此，工业化太阳电池的生产过程中，提高太阳电池转换率不是单一方面的问题，而是要从生产工艺、成本、效率等多方面考虑。从而达到生产效益的最大化。
参考文献：
[1]《半导体光电》.2007年8月第28卷第4期，p499-499.
[2]太阳能基础与技术，施玉川，p114-p135，西安交通大学出版社，1999.9.
[3]自然杂志，第32卷第3期.