3.1、特性
3.1.1、功率
在实验室条件下,随着当前技术的发展水平，做到单晶硅太阳电池的效率超过23%是有可能的。然而，作为商业生产的代表效率只有17%-18%.造成这种现象的因素有很多，但最重要的一点是,制造高效率电池是实验室主要的目标，并不考虑其成本，工艺的复杂性及生产能力，通常来说，实验室的技术是不适合工业化生产的。
太阳能电池的研究是如何继续提高电池的转换效率,在当前理论的指导下研究方向是如何突破转换效率30%的限制.商业生产落后于实验室技术许多年,但是我们能够预见的是在未来的几年中组件的效率会突破20%.电池组件的价值随着电能的转换效率而不同,所以电池组件要必须给定一个输出功率.一个简单的关于光伏系统价值的计算方法同时是一个重要的关于效率的阐述公式(Benner/DeMeo;1991)如下：
此处：COE=每千瓦时电能的价格
Cm=单位面积光伏组件的价格
Cb=单位面积系统的额外价格（蓄电池，逆变器，控制系统等）
I=间接资本价值因素
FCR=安装费用
S=年鉴附加费
Efficiency=系统电力模块,包含热损耗,配线与失配
0.016=环境,操作与维护的费用。
增加效率或降低硅片的价格都能够在一定程度上降低组件的价格,随着当前单晶硅与多晶硅的发展技术,在产量每年10MW的生产水平下,硅片的价值占每瓦特组件的价值的一半（Darkazalli，1991）。工厂电池效率仍在讨论之中。
3.1.2、光损失
上述我们已经讨论过因为光损耗和复合损耗会使电池的输出的理想值减少.
图3.1 阐述了一些关于在一块电池内光损耗的过程.
图3.1: 电池的光损耗有;
注：1.表面覆盖物的阻碍， 2.电池表面反射， 3.背场的反射。
来减少这些损失的方法有:
(i)缩小表面覆盖物的面积(与串联电阻有联系)
(ii)在电池表面使用减反射膜，使用一个波长1/4 的减反射膜，薄膜厚度d1 与波长和反射系数n1 的关系式为:
这样理想的认为，利用光的干涉效应可以消除光在半导体界面处180 度外的反射，如图3.2 所示:
图3-2:使用1/4 波长减反射膜来减少表面反射
反射系数n1 与介质两边空气或玻璃的系数no 和半导体的系数n2 的算术关系式是：
如图3.3 示：表面反射在这种状况下能减少至0。
图3-3：在波长为0.6 微米处的硅表面的减反射膜的关系
（iii)表面结构也可以用来减少光的反射。任何表面的粗加工（绒面）都可以用来增加光在表面来回反射的机会，来减少光的损失。
晶体硅的表面结构沿着晶面课蚀的方向是均一的。硅表面的晶体结构由晶粒方向决定，沿中心原子的排列关系适当的话，如图3.4 示。
图3-4：一个晶体硅电池表面四棱锥型的结构
根据Snell 法则硅表面的绒面结构能使光间接的被硅吸收，公式如下：
1,2 分别是光在硅表面的入射角度，n1,n2 为反射系数。
（iv）电池背面的高反射会使背部的吸收减少，假如电池的背面反射能使反射光的方向发散，就能够使反射光在电池内部被收集起来，这样就能使光的吸收显著的增加。入射光的光程能够提高到4n2。若使用如图3.5 所示的背表面的光收集技术。
图3-5：（a）背表面反射（b）光程的随机反射
给电池增加一个背电场能够提高电池对长波长的红外响应，既是降低了背部的复合速率。包括重掺杂和在电池的背部用丝网印刷铝背场。图4.7 是一个背场低掺杂区与印刷层的界面表现为一个低的复合速率的示意图。
图3-6：使用背电场来降低背部表面复合速率
3.1.3、复合损失
电池的效率还取决于电子-空穴对在被收集利用之前的复合。图3.7 是一个复合区域的示意图。
图3-7：电池中电子-空穴对可能被复合的场所
发生复合的几种机制有：
（i）辐射复合——在背场吸收时，随着光子能量的释放，电子从高能级转换到低能级。这种形式的复合利用于半导体激光器和发光二级管，对太阳能电池的并没有太大的意义。
（ii）间接复合——背场的冲撞电离。一个电子与空穴复合后会释放出其剩余的能量给另一个电子，并释放出声子，回到其原始的电子能级。间接吸收在高掺杂区特别的活跃，当掺杂水平到达1017cm-3 时，间接吸收占据复合的主导位置。
（iii）陷阱复合——当半导体中的杂质或晶界势阱在禁带上升到导带水平时会发生此复合。电子与空穴的复合有两种状态过程，首先是释放到缺陷能级，然后到达价带。
在实际的电池中，复合损失的的因素和光谱响应如图3.8 示，电池设计者的任务是减少这些损失来提高电池的性能。
图3-8：实际电池的典型量子效应与光谱响应
3.2、设计
3.2.1、顶区接触设计
金属表面接触对电池电流的形成是必须的。Bus bars 直接与表面接触，栅线把电流引出电池，图3.9 是一个电池简单的接触设计。表面接触汇聚流与体电阻和电池遮光面积成反比。
图3-9：电池表面接触
3.2.2、体电阻和薄层电阻
光生电流通过体电阻而到达表层的电流方向是垂直与电池表面电流方向的，如图3.10 示；
图3-10：电池光生电流与外部电流的流向
电池的体电阻Rb 的表达式是：
Rb=ρl/A=ρbw/A
l = 电阻体的路程长
Ρb = 金属薄层的体电阻
A = 电池面积
W = 电池薄层区域的宽度
相似的，N 型薄层电阻可以表示为：
ρ =ρ/t
Ρ 是薄层电阻，方块电阻通常用ohms/ 或Ω / 栅示。
对于不均一的N 型层，
ρ 1= /∫t
odx/dt
薄层电阻可以很容易的通过图3.11 所示的四探针测试仪测量
图3-11：使用四探针测试仪测量电池薄层电阻
电压与电流在探测器上读取：
ρ =(п/ln2)(V/I) .Ω / 3.8 ) )
此处：п/ln2=4.53
电池典型的薄层电阻值在30-100Ω / 之间。
3.2.3、栅线间距
薄层电阻很重要是因为其决定了电池表面栅线之间的间距，如图3.12 所示；
图3-12：计算功率损失的尺寸取决于顶区的横向电阻
图3.12 给出了这部分区域额外的功率损失：dP=I2dR
dR = ρ 搅礀/b
I(y)=横向电流=Jby
J=电流密度
总的功率损失为： Ploss=∫I2dR =J2bρ 包3/24
S 是两栅线间的面积。
在最大功率点，光生功率是：Pgen=VmpJmpS/2
因此：功率损失百分比loss P=Ploss/Pgen（作者微信公众帐号：光伏经验网）
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3.1.1、功率
在实验室条件下,随着当前技术的发展水平，做到单晶硅太阳电池的效率超过23%是有可能的。然而，作为商业生产的代表效率只有17%-18%.造成这种现象的因素有很多，但最重要的一点是,制造高效率电池是实验室主要的目标，并不考虑其成本，工艺的复杂性及生产能力，通常来说，实验室的技术是不适合工业化生产的。
太阳能电池的研究是如何继续提高电池的转换效率,在当前理论的指导下研究方向是如何突破转换效率30%的限制.商业生产落后于实验室技术许多年,但是我们能够预见的是在未来的几年中组件的效率会突破20%.电池组件的价值随着电能的转换效率而不同,所以电池组件要必须给定一个输出功率.一个简单的关于光伏系统价值的计算方法同时是一个重要的关于效率的阐述公式(Benner/DeMeo;1991)如下：
此处：COE=每千瓦时电能的价格
Cm=单位面积光伏组件的价格
Cb=单位面积系统的额外价格（蓄电池，逆变器，控制系统等）
I=间接资本价值因素
FCR=安装费用
S=年鉴附加费
Efficiency=系统电力模块,包含热损耗,配线与失配
0.016=环境,操作与维护的费用。
增加效率或降低硅片的价格都能够在一定程度上降低组件的价格,随着当前单晶硅与多晶硅的发展技术,在产量每年10MW的生产水平下,硅片的价值占每瓦特组件的价值的一半（Darkazalli，1991）。工厂电池效率仍在讨论之中。
3.1.2、光损失
上述我们已经讨论过因为光损耗和复合损耗会使电池的输出的理想值减少.
图3.1 阐述了一些关于在一块电池内光损耗的过程.
图3.1: 电池的光损耗有;
注：1.表面覆盖物的阻碍， 2.电池表面反射， 3.背场的反射。
来减少这些损失的方法有:
(i)缩小表面覆盖物的面积(与串联电阻有联系)
(ii)在电池表面使用减反射膜，使用一个波长1/4 的减反射膜，薄膜厚度d1 与波长和反射系数n1 的关系式为:
这样理想的认为，利用光的干涉效应可以消除光在半导体界面处180 度外的反射，如图3.2 所示:
图3-2:使用1/4 波长减反射膜来减少表面反射
反射系数n1 与介质两边空气或玻璃的系数no 和半导体的系数n2 的算术关系式是：
如图3.3 示：表面反射在这种状况下能减少至0。
图3-3：在波长为0.6 微米处的硅表面的减反射膜的关系
（iii)表面结构也可以用来减少光的反射。任何表面的粗加工（绒面）都可以用来增加光在表面来回反射的机会，来减少光的损失。
晶体硅的表面结构沿着晶面课蚀的方向是均一的。硅表面的晶体结构由晶粒方向决定，沿中心原子的排列关系适当的话，如图3.4 示。
图3-4：一个晶体硅电池表面四棱锥型的结构
根据Snell 法则硅表面的绒面结构能使光间接的被硅吸收，公式如下：
1,2 分别是光在硅表面的入射角度，n1,n2 为反射系数。
（iv）电池背面的高反射会使背部的吸收减少，假如电池的背面反射能使反射光的方向发散，就能够使反射光在电池内部被收集起来，这样就能使光的吸收显著的增加。入射光的光程能够提高到4n2。若使用如图3.5 所示的背表面的光收集技术。
图3-5：（a）背表面反射（b）光程的随机反射
给电池增加一个背电场能够提高电池对长波长的红外响应，既是降低了背部的复合速率。包括重掺杂和在电池的背部用丝网印刷铝背场。图4.7 是一个背场低掺杂区与印刷层的界面表现为一个低的复合速率的示意图。
图3-6：使用背电场来降低背部表面复合速率
3.1.3、复合损失
电池的效率还取决于电子-空穴对在被收集利用之前的复合。图3.7 是一个复合区域的示意图。
图3-7：电池中电子-空穴对可能被复合的场所
发生复合的几种机制有：
（i）辐射复合——在背场吸收时，随着光子能量的释放，电子从高能级转换到低能级。这种形式的复合利用于半导体激光器和发光二级管，对太阳能电池的并没有太大的意义。
（ii）间接复合——背场的冲撞电离。一个电子与空穴复合后会释放出其剩余的能量给另一个电子，并释放出声子，回到其原始的电子能级。间接吸收在高掺杂区特别的活跃，当掺杂水平到达1017cm-3 时，间接吸收占据复合的主导位置。
（iii）陷阱复合——当半导体中的杂质或晶界势阱在禁带上升到导带水平时会发生此复合。电子与空穴的复合有两种状态过程，首先是释放到缺陷能级，然后到达价带。
在实际的电池中，复合损失的的因素和光谱响应如图3.8 示，电池设计者的任务是减少这些损失来提高电池的性能。
图3-8：实际电池的典型量子效应与光谱响应
3.2、设计
3.2.1、顶区接触设计
金属表面接触对电池电流的形成是必须的。Bus bars 直接与表面接触，栅线把电流引出电池，图3.9 是一个电池简单的接触设计。表面接触汇聚流与体电阻和电池遮光面积成反比。
图3-9：电池表面接触
3.2.2、体电阻和薄层电阻
光生电流通过体电阻而到达表层的电流方向是垂直与电池表面电流方向的，如图3.10 示；
图3-10：电池光生电流与外部电流的流向
电池的体电阻Rb 的表达式是：
Rb=ρl/A=ρbw/A
l = 电阻体的路程长
Ρb = 金属薄层的体电阻
A = 电池面积
W = 电池薄层区域的宽度
相似的，N 型薄层电阻可以表示为：
ρ =ρ/t
Ρ 是薄层电阻，方块电阻通常用ohms/ 或Ω / 栅示。
对于不均一的N 型层，
ρ 1= /∫t
odx/dt
薄层电阻可以很容易的通过图3.11 所示的四探针测试仪测量
图3-11：使用四探针测试仪测量电池薄层电阻
电压与电流在探测器上读取：
ρ =(п/ln2)(V/I) .Ω / 3.8 ) )
此处：п/ln2=4.53
电池典型的薄层电阻值在30-100Ω / 之间。
3.2.3、栅线间距
薄层电阻很重要是因为其决定了电池表面栅线之间的间距，如图3.12 所示；
图3-12：计算功率损失的尺寸取决于顶区的横向电阻
图3.12 给出了这部分区域额外的功率损失：dP=I2dR
dR = ρ 搅礀/b
I(y)=横向电流=Jby
J=电流密度
总的功率损失为： Ploss=∫I2dR =J2bρ 包3/24
S 是两栅线间的面积。
在最大功率点，光生功率是：Pgen=VmpJmpS/2
因此：功率损失百分比loss P=Ploss/Pgen（作者微信公众帐号：光伏经验网）
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