CN100357755C - 太阳能电池有效扩散长度的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池有效扩散长度的测试方法，用于能源技术领域。方法步骤为：测量太阳能电池基片材料的载流子浓度；测量太阳能电池的暗伏安特性和负载特性；采用理论公式拟合太阳能电池暗伏安特性得到饱和电流密度J₀₁，J₀₂；结合基片材料的载流子浓度和负载特性给出的开路电压，短路电流密度，用理论公式使求得的与有效扩散长度相关的饱和电流密度同由暗伏安特性给出的饱和电流密度的平方差之和最小，从而得到太阳能电池的有效扩散长度。本发明可避免吸收和反射系数的详细信息，利用常用测试方法便可直接得到太阳能电池的有效扩散长度，还可同时用以指导太阳能电池的结构优化和工艺改进，具有简单、方便、精确度较高、应用性较强和适用范围广的特点。

Description

太阳能电池有效扩散长度的测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能电池有效扩散长度的测试方法，具体是一种基于太阳能电池基片材料霍尔特性、暗伏安特性和负载特性的测试方法，用于能源技术领域。

背景技术

目前，大规模开发和利用光伏太阳能发电的核心所在仍然是降低太阳能电池的生产成本和提高电池的光电转换效率。有效扩散长度是太阳能电池的一个极其重要的参数，能够直接预测太阳能电池的转换效率。单晶硅太阳能电池的有效扩散长度与体扩散长度、基片材料的厚度、少子扩散常数以及表面复合速度有关；多晶硅太阳能电池的有效扩散长度与晶粒的有效扩散长度、晶界复合速度、晶粒的大小及扮演复合中心的位错等有关。因而有效扩散长度的获取对于宏观上太阳能电池结构设计和微观理论上的研究都有重要的指导作用。

一般地，用来确定太阳能电池有效扩散长度的方法有内部量子效率测试法和开路电压衰减法。内部量子效率方法通过以有效扩散长度、复合速度等为参数拟合测试所得内部量子效率从而得到太阳能电池的有效扩散长度。由于该方法需要明确知道太阳能电池的吸收和反射系数，而每块太阳能电池的吸收和反射系数往往不同，再加上吸收和反射系数对于厚度较小的太阳能电池很难来判定，因而大大降低了内部量子效率测试方法应用的广泛性；开路电压衰减法是一种应用较广的方法，它采用外界激光或频闪灯引起的太阳能电池开路电压衰减并结合相关理论获取太阳能电池的有效扩散长度。但是在其理论计算过程中，该方法忽略了空间电荷区的复合，使得实验获得的有效扩散长度往往有较大的误差。

经文献检索发现，Taretto等人在《美国应用物理杂志》(Journal of AppliedPhysics)2003年，93卷，5447页上提出一种基于基区材料载流子浓度、太阳能电池开路电压和短路电流密度计算太阳能有效扩散长度的方法，该方法简单易行，精确度较高。然而，在其推导和计算过程中，忽略了太阳能电池的串、并联电阻以及大注入条件引起的饱和电流密度，因而得到的太阳能电池有效扩散长度与实际相比仍有一定的偏差；且由有效扩散长度求得的饱和电流密度与暗伏安特性给出的在数值上有较大不同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有测试方法的不足，提供一种太阳能电池有效扩散长度的测试方法，使其具有简单易行、准确度高、提供的信息更全面可靠等特点，从而解决了背景技术中存在的缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的测试方法包括如下步骤：

(1)测量太阳能电池基片材料的载流子浓度；

(2)测量太阳能电池的暗伏安特性和负载特性；

(3)采用相关理论拟合太阳能电池暗伏安特性得到饱和电流密度J₀₁，J₀₂；

(4)结合基片材料的载流子浓度和负载特性给出的开路电压，短路电流密度，用相关理论使求得的与有效扩散长度相关的饱和电流密度同由暗伏安特性给出的饱和电流密度的平方差之和最小，从而得到太阳能电池的有效扩散长度。

步骤(1)采用常温下的霍尔实验进行测量。

步骤(2)中负载特性的测量条件为：室温25±2℃，光谱AM1.5，光强100mW/cm²。

步骤(3)首先使用单二极管模型对太阳能电池的暗伏安特性进行计算机拟合，得到包括串、并联电阻，理想因子在内的一系列参数，然后将串、并联电阻代入双二极管模型重新拟合太阳能电池的暗伏安特性，得到饱和电流密度J₀₁，J₀₂。

步骤(4)中，太阳能电池的饱和电流密度J₀₁＝qD_nn_i ²/N_A/L_eff，由中性区的复合引起；饱和电流密度J₀₂＝(1-β)qπD_nn_iV_t/F_max/L² _eff+2βqD_nn_i/L_eff由空间电荷区的复合(J₀₂表达式中右式第一项)和大注入引起的复合(J₀₂表达式中右式第二项)决定，其中β为由0变化到1的权重因子，表征为大注入引起的复合饱和电流占J₀₂大小的比重，q，D_n，n_i，V_t，F_max，L_eff分别为单位电荷电量、少数载流子扩散常数、本征载流子浓度、热电压(kT/q，k，T分别表示波尔兹曼常数和绝对温度)、热力学平衡时空间电荷区最大电场强度(F_max＝(2qN_AV_bi/ε_s)^1/2，V_bi＝kTln(N_DN_A/n_i ²)/q，其中V_bi，ε_s，N_D分别为内建电势差、绝对介电常数和发射区的载流子浓度)和有效扩散长度。

步骤(4)中，太阳能电池有效扩散长度表达式可结合J₀₁、J₀₂的表达式和太阳能电池负载特性推导得出。计算有效扩散长度时，通过选取适当的β使求得的与有效扩散长度相关的饱和电流密度同由暗伏安特性给出的饱和电流密度的平方差之和达到最小。

本发明具有显著优点和进步，本发明考虑到了太阳能电池的串、并联电阻和各种复合机制(包括中性区的复合，空间电荷区的复合，大注入条件下的复合等)引起的饱和电流密度，并可以在避免详细的吸收和反射系数的情况下利用常用的测试方法便可直接得到太阳能电池的有效扩散长度，还可以同时研究硅太阳能电池的微观参数对转换效率的影响用以指导太阳能电池的结构优化和工艺改进，具有简单、方便、精确度较高、应用性较强和适用范围广的特点。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

美国Keithley公司2182纳伏电压表、220高精度电流源表、7065霍尔效应开关卡和磁体***联用对太阳能电池的基片材料进行霍尔测试。测试用三块不同产地和不同方法制备的p型硅片采用相同工艺制成的太阳能电池样品：单晶硅样品S1，多晶硅样品S2，均采用铸定法制备；多晶硅样品S3，采用定向凝固法制备。采用了如下工艺将硅片制成太阳能电池：先用酸溶液腐蚀和织构硅片表面，再经POCl₃扩散后用丝网印刷技术制作电极，最后为了钝化表面和体内以及减小入射光在多晶硅太阳能电池表面的反射，用离子束增强化学气相沉积法(PECVD)在其表面沉积SiN_x减反膜。暗伏安特性测试中，将太阳能电池放置在暗室里，用计算机控制下的Keithley 2400电源表对电池进行测量。负载特性的测试在如下条件下进行：光源为美国光谱实验室X-25太阳模拟器，光谱AM1.5，光强100mW/cm²；测试温度25±2℃；标准电池采用全国太阳能电池联合标定片编号：新-25，短路电流108mA。

本发明的测试方法具体包括如下步骤：

1.室温下，对三块太阳能电池的基片材料进行霍尔测试。得到三块基片材料的载流子浓度N_A(1.40×10¹⁶cm^-3，2.00×10¹⁶cm^-3和3.27×10¹⁶cm^-3)。

2.室温下，对三块基片材料经过相同工艺制成的太阳能电池样品(S1、S2、S3)进行暗伏安特性和负载特性的测量，其中，负载特性给出三块样品的开路电压(V_oc＝0.618 V，0.572V和0.530V)、短路电流密度(J_sc＝36.68 mA/cm²，33.76mA/cm²，25.12 mA/cm²)。

3.基于单二极管模型对三块样品的暗伏安特性进行拟合得到三块样品的串联电阻(0.56Ω，0.56Ω，0.58Ω)和并联电阻(24.14Ω，9.55Ω，3.53Ω)；采用双二极管模型对三块样品的暗伏安特性重新拟合得到三块样品的饱和电流密度J₀₁(1.86×10^-12 A/cm²，6.88×10^-12 A/cm²，9.64×10^-12 A/cm²)和J₀₂(1.09×10^-7 A/cm²，2.97×10^-7 A/cm²，7.89×10^-7 A/cm²)。

4.饱和电流密度J₀₁＝qD_nn_i ²/N_A/L_eff，由中性区的复合引起；考虑大注入复合电流将J₀₂修正为：J₀₂＝(1-β)qπD_nn_iV_t/F_max/L² _eff+2βqD_nn_i/L_eff，由空间电荷区的复合(J₀₂表达式中右式第一项)和大注入引起的复合(J₀₂表达式中右式第二项)决定，其中β为由0变化到1的权重因子，表征为大注入引起的复合饱和电流占J₀₂大小的比重，q，D_n，n_i，V_t，F_max，L_eff分别为单位电荷电量、少数载流子扩散常数、本征载流子浓度、热电压(kT/q，k，T分别表示波尔兹曼常数和绝对温度)、热力学平衡时空间电荷区最大电场强度(F_max＝(2qN_AV_bi/ε_s)^1/2，V_bi＝kTln(N_DN_A/n_i ²)/q，其中V_bi，ε_s，N_D分别为内建电势差、绝对介电常数和发射区的载流子浓度)和有效扩散长度。结合太阳能电池负载特性，可推导出太阳能电池有效扩散长度的表达式：

$L_{\mathrm{eff}}=(B_1+\sqrt{{B_1}^2+4A_1{C}_1})/\left(2A_1\right)$

其中

A₁＝F_maxN_A{J_sc+J_scR_s/R_sh-V_oc/(AR_sh)}，

B₁＝qD_nn_i ²F_max{exp(V_oc/V_t)-exp(J_scR_sA/V_t)}+

2qD_nn_iN_AF_maxβ{exp(V_oc/2V_t)-exp(J_scR_sA/2V_t)}’

C₁＝（1-β)qD_nπn_iV_tN_A{exp(V_oc/2V_t)-exp(J_scR_sA/2V_t)}。

J_sc，A，R_s，R_sh分别为太阳能电池的短路电流密度、面积、串联电阻和并联电阻。每块太阳能电池的面积A为25cm²，一般地，取ε_s＝10^-12F/cm，n_i＝10¹⁰cm^-3，D_n＝20cm²/s和N_D＝1.0×10²⁰cm^-3，选择合适的β，使通过计算得到的J₀₁和J₀₂与暗伏安特性给出的J₀₁和J₀₂平方差之和达到最小从而给出三块样品的有效扩散长度：224.4μm，27.5μm和18.2μm。与由少数载流子寿命并结合其它物理参数求得的三块样品的有效扩散长度：204.0μm，22.2μm和7.1μm很接近，说明了本发明的可靠性。

Claims (5)

1.一种太阳能电池有效扩散长度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)测量太阳能电池基片材料的载流子浓度；

(2)测量太阳能电池的暗伏安特性和负载特性；

(3)采用理论公式拟合太阳能电池暗伏安特性得到饱和电流密度J₀₁，J₀₂；

(4)结合基片材料的载流子浓度和负载特性给出的开路电压，短路电流密度，用理论公式使求得的与有效扩散长度相关的饱和电流密度同由暗伏安特性给出的饱和电流密度的平方差之和最小，从而得到太阳能电池的有效扩散长度。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池有效扩散长度的测试方法，其特征是，步骤(2)中，负载特性的测试条件为：光谱AM 1.5，光强100mW/cm²，测试温度25±2℃。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池有效扩散长度的测试方法，其特征是，步骤(3)中，先采用单二极管模型拟合暗伏安特性得到太阳能电池的串、并联电阻，然后结合串、并联电阻，采用双二极管模型得到太阳能电池饱和电流密度J₀₁，J₀₂。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池有效扩散长度的测试方法，其特征是，步骤(4)中，太阳能电池的有效扩散长度相关的饱和电流密度J₀₁＝qD_nn_i ²/N_A/L_eff，由中性区的复合引起，饱和电流密度J₀₂＝(1-β)qπD_nn_iV_t/F_max/L² _eff+2βqD_nn_i/L_eff，由空间电荷区的复合和大注入引起的复合决定，其中β为由0变化到1的权重因子，表征为大注入引起的复合饱和电流占J₀₂数值大小的比重；q，D_n，n_i，V_t，F_max，L_eff分别为单位电荷电量、少数载流子扩散常数、本征载流子浓度、热电压、热力学平衡时空间电荷区最大电场强度和有效扩散长度；F_max＝(2qN_AV_bi/ε_s)^1/2，V_bi＝kTln(N_DN_A/n_i ²)/q，其中V_bi，ε_s，N_D分别为内建电势差、绝对介电常数和发射区的载流子浓度，k，T分别表示波尔兹曼常数和绝对温度，kT/q＝V_t即表示热电压，N_A为基片材料的载流子浓度。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池有效扩散长度的测试方法，其特征是，L_eff由上述J₀₁，J₀₂表达式并结合负载特性推导得出，计算有效扩散长度时，通过选取β使求得的与有效扩散长度相关的饱和电流密度同由暗伏安特性给出的饱和电流密度的平方差之和达到最小。