姜明　閆偉

摘要 ：研究晶體硅太陽(yáng)電池中的電學(xué)復(fù)合行為，對(duì)推動(dòng)晶體硅太陽(yáng)電池發(fā)展具有較為重要影響。文中對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池 電學(xué)復(fù)合行為

在所有可再生資源中，太陽(yáng)能是其中最重要的一種，對(duì)緩解全球性資源短缺問(wèn)題具有較為重要的影響。而在當(dāng)前的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上，晶體硅太陽(yáng)電池牢牢占據(jù)了超過(guò)八成的市場(chǎng)份額，其對(duì)整個(gè)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(lái)，本文就將以此為基礎(chǔ)，對(duì)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池

自太陽(yáng)能被開(kāi)發(fā)利用開(kāi)始，硅在太陽(yáng)能電池中就得到了應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，到晶體硅太陽(yáng)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(yáng)能電池市場(chǎng)中，晶體硅太陽(yáng)電池一直是當(dāng)之無(wú)愧的霸主，直到現(xiàn)在，其所占市場(chǎng)份額也超八成。經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)，就晶體硅太陽(yáng)電池的研制和發(fā)展情況來(lái)看，雖然晶體硅太陽(yáng)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(duì)當(dāng)前晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池所存在的問(wèn)題主要集中在晶體硅硅片的厚度越來(lái)越薄，而其厚度越來(lái)越薄，其問(wèn)題就開(kāi)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(guò)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(lái)硅片的轉(zhuǎn)換效率就會(huì)降低，無(wú)法對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的光生載流子進(jìn)行收集，也會(huì)對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池的電學(xué)復(fù)合行為造成影響。

二、晶體硅太陽(yáng)電池中的電學(xué)復(fù)合行為

（一）硅片表面復(fù)合對(duì)薄片電池效率的影響

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池中的電學(xué)復(fù)合行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，在晶體硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先要將所選取的硅片通過(guò)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(yáng)電池[2]。然后，對(duì)由不同厚度硅片制成的太陽(yáng)電池的透射率和前表面反射率進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)光譜相應(yīng)獲得電池的外量子效率。最后，以美國(guó)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(yáng)光光對(duì)電池I-V曲線進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)所得到的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。最終對(duì)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(duì)電池效率的作用

當(dāng)前，晶體硅太陽(yáng)電池硅片多采用摻硼單晶硅，在長(zhǎng)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(duì)晶體硅太陽(yáng)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(guò)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(duì)太陽(yáng)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(shì)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(duì)晶體硅太陽(yáng)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(duì)效率的影響

如圖1所示，為常規(guī)絲網(wǎng)印刷硅太陽(yáng)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(lái)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(guò)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(duì)。并且，在電池內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，還會(huì)降電子和空穴分離開(kāi)，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(guò)以上實(shí)驗(yàn)和相關(guān)研究可以證明，在晶體硅太陽(yáng)電池中，硅片表面的電學(xué)復(fù)合行為會(huì)對(duì)電池效率造成影響。

結(jié)語(yǔ)：

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)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(duì)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池背場(chǎng)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(yáng)電池的光伏性能研究[D].上海師范大學(xué)，2014.