1.0绪论
为了降低太阳电池的成本, 提高光电转换效率, 电池片生产厂家不断追求减小硅片的厚度, 以降低原材料的成本, 目前,硅片厚度已由300 Lm 降到200Lm,相应产生每瓦电能所耗的硅片量减少 20%。随着硅太阳电池衬底质量的不断提升, 太阳电池的少子寿命也不断增大，当少子扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时, 背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显。因此, 为了提高电池的效率, 就必须考虑如何降低电池背表面的复合速度。因而研究铝背场对太阳电池输出性能的影响就显得十分必要。
2.0光与电池片
硅太阳能电池是一个二极管，由p型硅（一般为硼掺杂）和n型硅（一般为磷掺杂）结合形成。当光照射电池时有很多种情形，如图2-1所表现的那样。
图2-1：光在电池中的吸收特性
注：1.光在顶部电极的反射与吸收；2.电池表面反射3.理想吸收4.从电池底部反射-仅微弱吸收光5.反射后的吸收6.在底部电极的吸收
为了获得最大功率的电池，电池必须设计成最大吸收（3）和反射后最大吸收（5）。
在p-n结中空间电荷区E将电子吸引到n区同时将空穴吸引到p区一边。图2-2描述了短路情况下理想的电荷流动。实际上一些电子空穴对如图2-3所示在被收集前会复合消失。
通常情况下，电子空穴对的产生越靠近p-n结，越容易收集。“收集载流子”是那些当V=0时产生的电流。电子空穴对在结扩散长度内被收集的概率比较大，原因是越靠近PN结，电子空穴对就越容易被拆开。
图2-2：理想电子短路电流通过p-n结。
3.0铝背场的作用
晶体硅（单晶、多晶）太阳能电池的主体结构为晶体硅材料，前表面印刷了栅线状的银作为负电极；而背面除了2根银电极外，其余都是铝，我们称之为铝背场，由丝网印刷铝浆料，在800多度的高温下采用合金化工艺烧结成型。 铝背场的作用是： 一：与P型的晶体硅衬底形成P++结，减少少子复合，提高少子扩散长度； 二：形成合金背场，对长波部分光线具有一定程度的反射作用，增加光电转换效率； 三：是导电作用。
4.0铝背场对电池片的影响
4.1对太阳电池短路电流的影响
随着硅片厚度的减小, 无铝背场结构的太阳电池的短路电流随之降低, 有铝背场结构的电池短路电流随硅片厚度的减小先缓慢增大而后减小。比较分析发现,随着硅片厚度的减小, 铝背场的作用越来越大, 且有铝背场结构的太阳电池至少取得8%的电流增益。
单晶硅太阳电池要吸收 99%的光所需要的吸收厚度为384 Lm。在 50~ 350 Lm 厚度范围内,随太阳电池厚度的减小,基体不能充分地吸收入射光, 从而影响产生电子空穴对数目, 导致太阳电池的短路电流降低。有铝背场时, 只有硅片厚度小于 200 Lm 时, 才能很明显地观察到短路电流随着硅片厚度的减小而减小，而硅片厚度在200Lm和350Lm之间时，Isc基本不变。I sc的这种变化趋势,本文认为是由于铝背场的高反射率所致。一方面,由于铝背场有助于减小金属与半导体间的接触电阻,从而降低 Rs值, 提高I s c；另一方面,硅片厚度小于300 Lm,基体不能完全地吸收入射光,部分光到达铝背场处,由于发生高内背表面反射,这种作用的最终结果是基体内总的光生载流子数目几乎不变。且由于硅片厚度变薄, 电子空穴对的产生更接近p2n（即p++p+，铝背场作为p++层）结, 因而更有利于 p2n结对载流子的收集。大量的实验证实, 铝背场的这种效应能提高短路电流。
4.2对太阳电池开路电压的影响
无铝背场时电池的开路电压随着硅片厚度的减小而减小。有铝背场时电池的开路电压则随之增加,但增幅很小。且有铝背场时可比无铝背场时获得明显的开路电压增益, 最小处也可达10 mV；随着硅片厚度的减小,铝背场对太阳电池开路电压的影响也是越来越大。无铝背场结构的背表面的复合速度很高,硅片厚度的减小使这一高复合速度的表面越来越靠近p2n 结,表面复合的增加胜过基体内的复合, 最终导致 Voc降低。
而有铝背场时,硅片厚度的减小同样也会导致高复合速度的表面越来越接近 p2n 结, 但一方面由于p2p+接触势垒的存在,将阻止p区光生电子向背表面运动而发生复合, 这也就等效降低了背表面对光生电子的复合速度；另一方面到达p2p+结两侧的光生载流子也将被 p2p+的内建电场分开,从而建立光生电压。由于这两方面的作用使得在有铝背场情况下,单晶硅太阳电池开路电压随着硅片厚度减小而升高。
4.3 对太阳电池填充因子的影响
填充因子FF是指太阳电池最大功率与开路电压与短路电流乘积的比值, 是评价太阳电池输出特性的一个重要参数。它的值越高,表明太阳电池的输出特性越接近于矩形, 光电转换效率也就越高。
无铝背场时电池的填充因子随着硅片厚度的减小呈现先缓慢增大,而后迅速减小的趋势。有铝背场时电池的填充因子则随之迅速增大。且随着硅片厚度的减小, 铝背场对太阳电池填充因子的影响越来越大。
目前的研究已经证实, 影响太阳电池输出特性的内部因素中, 串、 并联电阻对填充因子的影响最大:串联电阻越小,并联电阻越大, 填充因子则随之变大。另一个影响因素则是日照强度。因而在无铝背场情况下,硅片厚度减小, 使得 Rs值降低,从而填充因子出现增大的趋势。当厚度小于一定值后, 由于不能有效的吸收入射光,导致填充因子急剧下降。在有铝背场情况下,填充因子的这种变化趋势是由于硅片厚度减小与p2p+结均能有效得降低Rs值,从而使得填充因子在硅片厚度减小时迅速增加。
4.4没有铝背场结构时,光电转换效率随着厚度的减小而减小。
有铝背场时光电转换效率则呈现先增大而后减小的趋势,变化幅度很小。有铝背场至少可提高1%的转换效率提升。可以看出, 随着硅片厚度的减小,铝背场对提高太阳电池光电转换效率的作用越来越明显。
5.0结论
1)硅片厚度越小, 铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响就越大。
2)对没有铝背场结构的电池, 其短路电流随着硅片厚度的减小而降低; 有铝背场结构的电池,其短路电流则先缓慢增大而后减小, 且有铝背场至少取得8%的电流增益。
3)对没有铝背场结构的电池, 其开路电压随着硅片厚度的减小而降低; 有铝背场结构的电池,其开路电压则随之增加, 但增幅很小。且有铝背场结构具有明显的开路电压增益, 至少可获得10 mV 的电压增益。
由此，电池片铝背膜脱落，对于电池片的电性能有较大的影响。（作者微信公众账号：光伏经验网）
附：
参考文献
【1】周继承, 李斐等，铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响，《半导体光电》2009年12月。
【2】彭银生，刘祖明等，晶体硅太阳电池背场的研究，《云南师范大学学报》，2004年1月。
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为了降低太阳电池的成本, 提高光电转换效率, 电池片生产厂家不断追求减小硅片的厚度, 以降低原材料的成本, 目前,硅片厚度已由300 Lm 降到200Lm,相应产生每瓦电能所耗的硅片量减少 20%。随着硅太阳电池衬底质量的不断提升, 太阳电池的少子寿命也不断增大，当少子扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时, 背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显。因此, 为了提高电池的效率, 就必须考虑如何降低电池背表面的复合速度。因而研究铝背场对太阳电池输出性能的影响就显得十分必要。
2.0光与电池片
硅太阳能电池是一个二极管，由p型硅（一般为硼掺杂）和n型硅（一般为磷掺杂）结合形成。当光照射电池时有很多种情形，如图2-1所表现的那样。
图2-1：光在电池中的吸收特性
注：1.光在顶部电极的反射与吸收；2.电池表面反射3.理想吸收4.从电池底部反射-仅微弱吸收光5.反射后的吸收6.在底部电极的吸收
为了获得最大功率的电池，电池必须设计成最大吸收（3）和反射后最大吸收（5）。
在p-n结中空间电荷区E将电子吸引到n区同时将空穴吸引到p区一边。图2-2描述了短路情况下理想的电荷流动。实际上一些电子空穴对如图2-3所示在被收集前会复合消失。
通常情况下，电子空穴对的产生越靠近p-n结，越容易收集。“收集载流子”是那些当V=0时产生的电流。电子空穴对在结扩散长度内被收集的概率比较大，原因是越靠近PN结，电子空穴对就越容易被拆开。
图2-2：理想电子短路电流通过p-n结。
3.0铝背场的作用
晶体硅（单晶、多晶）太阳能电池的主体结构为晶体硅材料，前表面印刷了栅线状的银作为负电极；而背面除了2根银电极外，其余都是铝，我们称之为铝背场，由丝网印刷铝浆料，在800多度的高温下采用合金化工艺烧结成型。 铝背场的作用是： 一：与P型的晶体硅衬底形成P++结，减少少子复合，提高少子扩散长度； 二：形成合金背场，对长波部分光线具有一定程度的反射作用，增加光电转换效率； 三：是导电作用。
4.0铝背场对电池片的影响
4.1对太阳电池短路电流的影响
随着硅片厚度的减小, 无铝背场结构的太阳电池的短路电流随之降低, 有铝背场结构的电池短路电流随硅片厚度的减小先缓慢增大而后减小。比较分析发现,随着硅片厚度的减小, 铝背场的作用越来越大, 且有铝背场结构的太阳电池至少取得8%的电流增益。
单晶硅太阳电池要吸收 99%的光所需要的吸收厚度为384 Lm。在 50~ 350 Lm 厚度范围内,随太阳电池厚度的减小,基体不能充分地吸收入射光, 从而影响产生电子空穴对数目, 导致太阳电池的短路电流降低。有铝背场时, 只有硅片厚度小于 200 Lm 时, 才能很明显地观察到短路电流随着硅片厚度的减小而减小，而硅片厚度在200Lm和350Lm之间时，Isc基本不变。I sc的这种变化趋势,本文认为是由于铝背场的高反射率所致。一方面,由于铝背场有助于减小金属与半导体间的接触电阻,从而降低 Rs值, 提高I s c；另一方面,硅片厚度小于300 Lm,基体不能完全地吸收入射光,部分光到达铝背场处,由于发生高内背表面反射,这种作用的最终结果是基体内总的光生载流子数目几乎不变。且由于硅片厚度变薄, 电子空穴对的产生更接近p2n（即p++p+，铝背场作为p++层）结, 因而更有利于 p2n结对载流子的收集。大量的实验证实, 铝背场的这种效应能提高短路电流。
4.2对太阳电池开路电压的影响
无铝背场时电池的开路电压随着硅片厚度的减小而减小。有铝背场时电池的开路电压则随之增加,但增幅很小。且有铝背场时可比无铝背场时获得明显的开路电压增益, 最小处也可达10 mV；随着硅片厚度的减小,铝背场对太阳电池开路电压的影响也是越来越大。无铝背场结构的背表面的复合速度很高,硅片厚度的减小使这一高复合速度的表面越来越靠近p2n 结,表面复合的增加胜过基体内的复合, 最终导致 Voc降低。
而有铝背场时,硅片厚度的减小同样也会导致高复合速度的表面越来越接近 p2n 结, 但一方面由于p2p+接触势垒的存在,将阻止p区光生电子向背表面运动而发生复合, 这也就等效降低了背表面对光生电子的复合速度；另一方面到达p2p+结两侧的光生载流子也将被 p2p+的内建电场分开,从而建立光生电压。由于这两方面的作用使得在有铝背场情况下,单晶硅太阳电池开路电压随着硅片厚度减小而升高。
4.3 对太阳电池填充因子的影响
填充因子FF是指太阳电池最大功率与开路电压与短路电流乘积的比值, 是评价太阳电池输出特性的一个重要参数。它的值越高,表明太阳电池的输出特性越接近于矩形, 光电转换效率也就越高。
无铝背场时电池的填充因子随着硅片厚度的减小呈现先缓慢增大,而后迅速减小的趋势。有铝背场时电池的填充因子则随之迅速增大。且随着硅片厚度的减小, 铝背场对太阳电池填充因子的影响越来越大。
目前的研究已经证实, 影响太阳电池输出特性的内部因素中, 串、 并联电阻对填充因子的影响最大:串联电阻越小,并联电阻越大, 填充因子则随之变大。另一个影响因素则是日照强度。因而在无铝背场情况下,硅片厚度减小, 使得 Rs值降低,从而填充因子出现增大的趋势。当厚度小于一定值后, 由于不能有效的吸收入射光,导致填充因子急剧下降。在有铝背场情况下,填充因子的这种变化趋势是由于硅片厚度减小与p2p+结均能有效得降低Rs值,从而使得填充因子在硅片厚度减小时迅速增加。
4.4没有铝背场结构时,光电转换效率随着厚度的减小而减小。
有铝背场时光电转换效率则呈现先增大而后减小的趋势,变化幅度很小。有铝背场至少可提高1%的转换效率提升。可以看出, 随着硅片厚度的减小,铝背场对提高太阳电池光电转换效率的作用越来越明显。
5.0结论
1)硅片厚度越小, 铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响就越大。
2)对没有铝背场结构的电池, 其短路电流随着硅片厚度的减小而降低; 有铝背场结构的电池,其短路电流则先缓慢增大而后减小, 且有铝背场至少取得8%的电流增益。
3)对没有铝背场结构的电池, 其开路电压随着硅片厚度的减小而降低; 有铝背场结构的电池,其开路电压则随之增加, 但增幅很小。且有铝背场结构具有明显的开路电压增益, 至少可获得10 mV 的电压增益。
由此，电池片铝背膜脱落，对于电池片的电性能有较大的影响。（作者微信公众账号：光伏经验网）
附：
参考文献
【1】周继承, 李斐等，铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响，《半导体光电》2009年12月。
【2】彭银生，刘祖明等，晶体硅太阳电池背场的研究，《云南师范大学学报》，2004年1月。
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