高效晶体硅太阳电池性能研究应用.doc

研究生学位论文高效晶体硅太阳电池银硅接触构造力学性能研究学位申请人：陈传科指引教师：杨宏副专家学科名称：凝聚态物理05月Investigation of Mechanical Property for Silver Paste-Si Contact of High Efficient Crystalline Silicon Solar CellsA thesis submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementsfor the degree ofMaster of ScienceByChuanke ChenSupervisor：Associate Prof. Hong Yang(Condensed Matter Physics)May 论文题目：高效晶体硅太阳电池银硅接触构造力学性能研究学科名称：凝聚态物理学位申请人：陈传科指引教师：杨宏副专家摘 要对于晶体硅太阳电池而言，其前银电极和硅基底之间力学性能对光伏组件长期可靠性和使用寿命起着至关重要作用。银硅接触性能衰减是导致晶体硅太阳电池及其组件失效重要因素之一。加之太阳电池发展趋势正朝着高阻细栅方向发展，这就规定太阳电池前银电极栅线宽度不断减小，即银硅接触面积减小，以达到节约银用量并增长光线运用率目。但是对于当前太阳电池用银浆来说，随着银栅线宽度减小，银硅接触力学性能会急剧退化。如何在保证银硅接触力学性能前提下，减少银浆使用量，节约生产成本，实现光伏发电平价化，并提高太阳电池及其组件使用寿命和可靠性是当下光伏行业一种迫切亟待解决问题。本文从理论和实验两个方面着手，进一步系统地研究了高效晶体硅太阳电池前电极银硅接触构造力学性能。理论方面，咱们基于构造力学初次建立了银硅接触构造剪切力与栅线宽度之间数学模型，并用剪切实验对该模型进行了验证；实验方面，咱们研究了太阳电池生产工艺对银硅接触构造附着力影响，银硅接触界面微观构造对晶体硅太阳电池银硅接触附着力影响，以及银硅接触构造附着力与太阳电池及其组件功率衰减关系。通过研究咱们发现，晶体硅太阳电池银硅接触构造力学性能与栅线宽度成线性关系，与电池生产制造工艺以及所选用材料性能密切有关；同步银厚膜致密度和银厚膜与硅基底接触方式对银硅接触构造力学性能也有重要影响；银硅接触构造力学性能是影响晶体硅太阳电池及其组件可靠性核心因素之一，银硅接触力学性能差组件在户外运营时，其功率衰减限度更大，更容易失效。这些研究成果，为将来太阳电池技术改进以及导电银浆发展奠定了理论和实验基本。本研究得到国家自然科学基金项目太阳电池组件寿命预测理论研究及新失效机理分析（项目原则号61274050）资助。关 键 词：太阳电池；银硅接触；附着力；可靠性论文类型：应用研究Title：Investigation of Mechanical Property for Silver Paste-Si Contact of High Efficient Crystalline Silicon Solar CellsDescipline:Condensed Matter PhysicsApplicant:Chuanke ChenSupervisor:Associate Prof. Hong YangThis research was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.61274050).ABSTRACTFor crystalline silicon solar cells，the mechanical properties of front metallization are critical to solar modules reliability and long-lifetime. The mechanical properties degradation is one of major factors which cause solar cells and solar modules to failure ahead of time. The development direction of crystalline silicon solar cells is forward to high emitter resistance and compact fingers，this means the width of fingers needs to be more fine to meet the targets of cost saving and increasing utilization rate of light. However，to the silver paste used for photovoltaic，the mechanical properties degradations seriously with the widths of finger finer. In photovoltaic，the urgent problem is not only needs to promote the mechanical properties of Ag-Si contact，but also needs to cut the cost and further develop the reliability and long lifetime of solar cells and solar modules. Therefore，this paper investigates the mechanical properties of Ag-Si contact for crystalline silicon solar cells system from theory and experiment. Firstly，based on Structural Mechanics and Mechanicals of Materials，we have built the mathematical model of Ag-Si contact between the shear force and bus-bar width，and which was verified by shear test. Secondly，the effects of process on interfacial adhesion strength of Ag-Si for crystalline silicon solar cells，the impacts of interface microstructure on adhesion force between silver paste and silicon solar cells emitter，and the effects of binding force between silver paste and silicon on power degradation of crystalline silicon solar modules were investigated respectively. Through above investigations we have gotten some conclusions about the mechanical properties of crystalline silicon solar cell as follows：the shear strength of Ag-Si contact shows a linear relationship with the bus-bar width，and also shows closed relation to process and materials used；the composition of silver paste would affect the interface microstructure and the mechanical property of silver thick-film and Ag/Si contact interface；The binding force reduction between silver paste and silicon leads to power degradation during subsequent qualification tests or outdoor using. These results laid the foundation for studying the mechanical properties of front contact metallization for screen-printed crystalline silicon solar cells.KEY WORDS：Solar cells；Ag-Si contact；Adhesion；ReliabilityTYPE OF THESIS：Application Research目 录1 绪论11.1 太阳电池发展及其现状11.2 本文重要研究工作41.2.1 选题背景41.2.2 研究内容及意义52 高效晶体硅太阳电池工作原理及表征72.1 晶体硅太阳电池工作原理72.2 太阳电池分类82.3 晶体硅太阳电池构造82.4 晶体硅太阳电池参数表征92.4.1 光电流92.4.2 光电压112.4.3 等效电路122.4.4 输出功率122.4.5 填充因子122.4.6 太阳电池效率123 高效晶体硅太阳电池银硅接触构造力学性能理论研究力学模型建立133.1 理论推导133.2 实验验证183.3 成果和讨论193.4 本章小结204 高效晶体硅太阳电池银硅接触构造力学性能实验研究214.1 实验用高效晶体硅太阳电池及组件制备214.1.1 硅片检测214.1.2 清洗制绒224.1.3 扩散制结234.1.4 刻蚀244.1.5 去磷硅玻璃（PSG）244.1.6 等离子增强化学气相沉积（PECVD）制备减反膜244.1.7 丝网印刷254.1.8 高温烧结264.1.9 测试分选284.1.10 封装314.2 银硅接触力学性能研究314.2.1 太阳电池生产工艺对银硅接触构造附着力影响314.2.2 银硅接触界面微观构造对晶体硅太阳电池银硅接触附着力影响354.2.3 银硅接触构造附着力与太阳电池及其组件功率衰减关系385 结论与展望42致 谢43参照文献44攻读学位期间获得研究成果47声明CONTENTS1 Introduction11.1 Development and Present Situation of Solar Cell11.2 Main Research Work and Background41.2.1 Background41.2.2 Contents and Meaning52 Principle and Characterization of Crystalline Silicon Solar Cells72.1 Principle of Crystalline Silicon Solar Cells72.2 Solar Cells Classification82.3 Structure of Crystalline Silicon Solar Cells82.4 Characterization Parameters92.4.1 Photocurrent92.4.2 Photovoltage112.4.3 Equivalent Circuit122.4.4 Power Output122.4.5 Fill Factor122.4.6 Efficiency of Solar Cell123 Theoretical Research on Ag-Si Contact for Crystalline Silicon Solar CellShear Force Mathmatic Model for Ag-Si Contact133.1 Theoretical Derivation133.2 Experiment Verification183.3 Results and Discussion193.4 Brief Summary204 Experimental Research on Ag-Si Contact for Crystalline Silicon Solar Cell214.1 Process of Solar Cell Production214.1.1 Wafers Detection214.1.2 Cleaning and Texturing224.1.3 Doping234.1.4 Etching Perimeter244.1.5 Eliminating PSG244.1.6 Coating Anti-reflection Film244.1.7 Screen Print254.1.8 Sintering264.1.9 Sorting284.1.10 Encapsulation314.2 Mechanical Properties Research on Ag-Si Contact314.2.1 Effects of Process on Interfacial Adhesion Strength of Ag-Si Contact314.2.2 Impacts of Interface Microstructure on Adhesion Force354.2.3 Effects of Binding Force on Power Degradation of Solar Modules385 Conclusions and Suggestions42Acknowledgements43References44Achievements47Declaration章MathType章标记（打印前将其字体颜色变为白色，在打印预览中看不见即可）：1 绪论1.1 太阳电池发展及其现状1839年，法国实验物理学家E. Becquerel在稀释酸性液体中插入两电极，发现两电极间电压随照射光强变化而变化，人们称之为“光伏效应”。液体“光伏效应”发现拉开了人们运用太阳能发电序幕。接着人们陆续发现了某些半导体物质具备光伏效应。从1839年算起，太阳电池已经经历了170近年发展。1877年，W.G.Adams和R.E.Day对硒 (Se) 光伏效应进行了进一步研究，并制作出了第一片硒太阳电池。美国创造家Charles Fritts 于1883年初次对硒太阳电池工作原理进行了关于描述，标志着人们开始进一步研究光伏效应物理本质。时隔6年，1889年Charles Fritts创造了半导体硒太阳电池，重要用于光电探测，尽管当时转换效率只有1%，但是可以毫不夸张说这不但是人们开始跨出太阳能光电运用第一步，也是人类实际运用太阳能一大步。19，Hallwachs在研究氧化亚铜与铜接触时发现其具备光敏特性，启动了化合物太阳电池研究先例。1930年，B. Lang 和W. Schottky对氧化亚铜/铜（Cu/Cu2O）太阳电池进行了进一步研究，两人先后刊登了“新型光伏电池”和“新型氧化亚铜 (Cu2O) 光电池”论文。19，德国物理学家爱因斯坦刊登了关于光电效应论文，进一步阐述了光伏效应物理本质，算是给光伏效应注入了灵魂。爱因斯坦本人也因而获得了1921年诺贝尔物理奖。1932年Audobert 和Stora第一次发现硫化镉 (CdS) 具备光伏效应。1933年L.O. Grondahl 刊登了题为“铜-氧化亚铜 (Cu- Cu2O) 整流器和光电池”论文。1935年，美国专利局正式批准了H. Lamb，Ellsabeth申请光伏器件专利1。1946年，J. Bardeen，W. H. Brattain 和W. Shockley运用放射性铜跟踪研究氧化铜2。1947年W. Shockley，J. Bardeen，W. H. Brattain 创造了晶体管，并给出了p-n结物理解释3，启动了半导体器件时代，也为太阳电池理论研究奠定了基本。紧接着，1951年，J. R. Haynes，W. Shockley通过在单晶锗上生长P-N结，制备了单晶锗电池，并研究了锗晶体中注入电子和空穴迁移率和寿命4。1952年， Walter H. Brattain，John Bardeen对锗晶体表面性能进行了研究5。1953年Wayne 州立大学Dan Trivich刊登了题为“Photovoltaic cells and their possible use as power converters for solar energy”文章6，初次完毕了基于太阳光谱具备不同带隙宽度各类材料光电转换效率理论值计算，进一步完善了太阳电池基本理论研究。1954年，美国贝尔实验室三位研究人员C. S. Fuller，D. M. Chapin和G. L. Pearson制造了第一种实用单晶硅p-n结太阳电池7，这一研究成果对当代光伏发展具备划时代意义，因而1954年也被光伏业界誉为“光伏元年”。尽管当时第一种单晶P-N结太阳电池效率只有6%，几年后效率迅速被提高到10%。同年，美国无线电公司（RCA）实验室P.Rappaport及雷诺慈也相继发现了CdS光伏效应，并与1960年采用蒸镀法制得首个效率为3.5%CdS太阳电池。C. G. B. Garrett，W. H. Barttain研究了半导体表面物理性质8。1955年，美国西部电工(Western Electric) 开始出售硅太阳电池生产技术商业专利。同年，在亚利桑那大学召开国际太阳能会议上，Hoffman电子推出了效率为2%商业太阳电池产品，电池功率为14毫瓦/片，售价为25美元/片，相称于1785 USD/W。尽管当时太阳电池效率很低，价格昂贵，但是它对于太阳电池发展却意义重大。1957年，D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson三人成功获得了“太阳能转换器件”专利权，这一年，Hoffman电子单晶硅太阳电池效率达到8%。1958年，美国信号部队T. Mandelkorn制成n /p型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，适合于太空应用。因而，从1958年开始，单晶硅太阳电池被广泛应用于人造卫星宇宙飞船航天飞机等空间飞行器供电电源，推动了太阳电池发展。同年3月17日，世界上第一种由光伏电池供电卫星先锋1号成功发射，其光伏电池面积为100平方厘米，重要功能是为一备用5毫瓦话筒供电。1959年Hoffman电子实现了效率达到10%商业化单晶硅太阳电池，并通过网栅电极使用来明显减少光伏电池串联电阻；同年发射卫星探险家6号共使用9600片电池片，每片2平方厘米，输出功率共约20W。1962年，初次使用光伏电池作为供电系统第一种商业通讯卫星Telstar成功发射；1964年，安装了470 W光伏阵列宇宙飞船“光轮”号成功发射；1965 年，Peter Glaser 和A. D. Little 提出卫星太阳能电站构想；1966 年，带有1000 W光伏列阵大轨道天文观测站发射成功。随着太阳电池不断应用和发展，太阳电池效率也不断得到提高，1960年Hoffman电子单晶硅电池效率达到14%。从20世纪70年代开始，人们开始更多地关注太阳电池材料研究和太阳电池在寻常生活中应用。材料研究方面：1971年斯皮尔等人 (W.E. Spear) 采用辉光放电法分解硅烷(SiH4)制得氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)，并于1975初次成功实现对a-Si:H掺杂，获得n型和p型硅材料，为器件制造打下了基本。1974年，Tyco实验室运用定边喂膜生长法生长出了第一块EFG晶体硅带。1977年，D.E.Carlson和C.R.Wronski在p-n结工作基本上制成世界上第一种非晶硅（a-Si）太阳电池。同年，D. L. Staebler 和C. R. Wronski发现，a-Si:H 样品光电导和暗电导随光照发生明显变化，在150退火后可复原，该现象被称为S-W效应9，其机理当前尚不清晰。1973年此前，太阳电池由于成本高昂，重要应用于空间电源和偏远地区供电。而随着1973年石油危机，可再生能源运用引起了全世界人民关注，特别是各国政府开始注重地面大面积运用太阳能供电问题，纷纷出台有关勉励政策，刺激太阳能发展，使太阳电池经历了一种高速发展应用时代。1974年，日本推出首个光伏发电勉励性政策“阳光筹划”。 1977年，世界光伏电池总输出功率超过500 KW，至1979年，世界太阳电池安装总量达到1MW。1980年ARCO太阳能公司成为世界上首个年产量达到1 MW光伏电池生产商；三洋电气公司运用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完毕了a-Si组件批量生产并进行了户外测试；为了扩大太阳电池 合用范畴，人们开始研究高效太阳电池以减少生产成本。1985年，澳大利亚新南威尔士大学Martin Green 研制出单晶硅太阳电池效率达到20%。1991年，瑞士Grtzel专家研制纳米TiO2染料敏化太阳电池(Graezel Cell)，其转换效率达到7%；1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%。1999年马丁格林课题组宣布其单晶硅太阳电池效率达到24.7% ，该纪录保持至今。同一年，美国国家能源实验室M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）电池效率达到18.8%。，Wu X.，Dhere R.G.，Aibin D.S.等报道碲化镉（CdTe）电池效率达到16.4%。，德国Fraunhofer ISELFC（Laserfired contact）晶体硅太阳电池效率达到20%。，德国Fraunhofer ISE多晶硅太阳电池效率达到20.3%。1981年名为Solar Challenger 光伏动力飞机成功实现首飞。1983年，名为Solar Trek1 kW光伏动力汽车穿越澳大利亚。1984年，面积为1平方英尺（929 cm2）商品化非晶硅太阳电池组件问世。1985年单晶硅太阳电池用于地面供电电源，太阳电池售价 1W-10USD，1W- 2.5USD，美国目的：1W-1USD。 1986年，ARCO Solar发布G-4000世界首例商用薄膜电池“动力组件”。到了20实际90年代初，光伏电池开始逐渐进入应用高峰期，太阳电池年产量和安装总量记录不断被刷新。1990年，德国提出“个光伏屋顶筹划”。 1995年，世界太阳电池年产量超过77.7 MW；光伏电池安装总量达到500 MW。1998年，世界太阳电池年产量超过151.7 MW；同步由于多晶硅电池生产成本低，性价比高，多晶硅太阳电池市场份额不断扩大，1998年，多晶浇铸硅太阳电池产量初次超过单晶硅。1999年，世界太阳电池年产量超过201.3 MW。世界太阳电池年产量超过287.7 MW，安装量超过1000 MW。世界太阳电池年产量突破399 MW；单晶硅太阳电池售价约为3 USD/W；德国人制作PVC太阳电池。世界太阳电池年产量超过540 MW；多晶硅太阳电池售价约为2.2 USD/W。太阳电池年产量超过760 MW。太阳电池年产量超过1200 MW，非晶硅电池占市场份额4.4%，降为1999年1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。尽管太阳电池已经经历了170年发展，但从1954年第一块晶体硅太阳电池浮现开始，至今晶体硅太阳电池重要构造都没有发生过本质上变化。只是从电池性能方面考虑，不断改进电池构造。例如，为了充分运用光能，减少反射损失，对晶体硅太阳电池表面进行了制绒，并在电池发射极表面制备了减反膜；为了增长光生载流子寿命，减少复合损失，对晶体硅太阳电池进行了钝化解决；同步为了减小遮光损失，不断地改进电池前电极构造，例如采用细栅化，埋栅，背接触等方式。同步当前晶体硅电池采用了铝背场构造，不但能起到背面钝化效果，还能有效增长内建电场强度，增长载流子寿命，提高电池效率。综上所述，就太阳电池构造而言，其发展和改进仅限于通过科学办法和先进材料、设备和技术不断优化电池性能，提高电池输出效率，但其最本质核心某些没有发生变化。晶体硅太阳电池公认理论转换效率极限是29%。这是由于光被半导体吸取，从而形成电子-空穴对，电子-空穴对从产生到被p-n结分开至流向外电路，这其中每一种环节都会产生一定损失，从而影响电池转换效率；除此之外尚有光学损失，当光子能量低于半导体带隙宽度时不能有效地激发产生电子-空穴对。当入射光子能量高于半导体带隙宽度时，多余能量也不能被有效运用产生电子-空穴对。尚有其她某些光学损失，例如电池表面反射，减反射膜反射和吸取等。当前晶体硅太阳电池采用优化设计，商业化156 mm 156 mm尺寸单晶硅太阳电池转换效率普通在19%左右，同尺寸多晶硅太阳电池转换效率普通在18%左右。为理解决太阳电池转换效率瓶颈问题，提高太阳电池转换效率，人们开始研究多结太阳电池、叠层太阳电池、纳米太阳电池、量子点太阳电池等第三代太阳电池。当前原则商业化晶体硅太阳电池重要涉及这样几种构造：前电极、减反膜、带有陷光构造发射极、P-N结和铝背场。原则晶体硅太阳电池组件重要涉及电池片、钢化玻璃、EVA、TPT背板、封装硅胶、铝边框、接线盒等构成。太阳电池在户外运营，由于水分、温度、紫外照射等外部环境应力作用，太阳电池及其组件构成材料会发生老化，最后导致电池及其组件失效。晶体硅太阳电池失效重要体当前输出功率衰减。依照国际电工委原则，当电池组件功率衰减20%时即视为失效。当前晶体硅太阳电池生产商对晶体硅太阳电池组件质量保证是25年有效期，即规定组件在25年内，其功率衰减不得超过20%。导致组件功率衰减因素诸多。从电池层面说重要有：外部环境应力导致电池发射极表面减反膜性能衰减，透光率减少，从而产生入射光损失；前电极Ag离子迁移，破坏了电池p-n结性能，导致电池内部复合增长，暗电流增大，输出功率减小；前电极Ag与Si基底附着性能变差，Ag-Si接触势垒增长，串联电阻增大，导致输出功率减小；水分进入电池片表面，导致前电极银厚膜氧化，或者在金属表面形成腐蚀，导致前电极性能衰减；甚至会由于极端天气，例如昼夜温差较大导致电池片裂片等故障最后导致电池失效。从组件层面来说，更多地是由于外部环境应力导致封装材料老化和疲劳损伤。例如钢化玻璃性能衰减，导致入射光反射和吸取损失；EVA在紫外线和高温、高湿状况下易老化发生黄变；TPT背板老化开裂，导致水汽进一步组件内部导致化学腐蚀等，尚有接线盒等问题导致失效。而从电池层面导致组件失效最重要因素就是前电极银硅接触构造力学性能差，导致电池在户外运营时，由于外部环境应力作用而发生接触脱落等状况，最后导致串联电阻升高导致功率输出衰减。组件功率输出发生衰减，意味着电池发电量减少，从而增长了电池使用成本，影响太阳电池平价化进程，阻碍了太阳电池广泛应用。1.2 本文重要研究工作1.2.1 选题背景银硅接触构造是晶体硅太阳电池最重要功能构造之一。银硅接触构造接触性能不但严重影响太阳电池功率输出，并且对太阳电池及其组件可靠性起着决定性作用。银硅接触构造接触性能重要涉及电学性能和力学性能两个方面。关于银硅接触电学性能方面文章有诸多10-13，重要涉及银硅接触导电模式，接触电阻等。当前银硅接触三种导电模式，银硅接触电阻模型等都已被行业内所接纳。但是由于银硅接触构造复杂性，关于其力学性能方面研究成果鲜有报道。然而，银硅接触力学性能对晶体硅太阳电池可靠性和使用寿命起着决定性作用。晶体硅太阳电池在户外运营过程中，由于受外部环境应力影响和电池片内部应力作用，太阳电池输出功率会发生持续衰减。依照国际原则，当电池组件输出功率衰减至80%时视为失效。大量研究表白14-16，太阳电池电极接触构造附着力性能是导致太阳电池失效一种重要因素。对银硅接触附着力进行进一步研究，揭示影响银硅接触附着力因素，银硅接触形成机理以及银硅接触附着力对太阳电池可靠性影响，这对提高太阳电池可靠性，延长电池使用寿命，减少太阳能发电成本有着重大指引意义，同步能有效增进导电浆料发展，对进一步提高电子元器件可靠性也具备重要参照价值。当前，晶体硅太阳电池前电极普通都是通过丝网印刷一层导电银浆，然后置于高温炉中经高温烧结而形成。导电银浆组分、丝网印刷工艺和烧结工艺决定了银硅接触构造性能。从银浆方面来说，光伏用导电银浆重要由三种成分构成：导电相银粉；粘结相玻璃粉；有机相有机溶剂。银粉形状和尺寸；玻璃粉形状、尺寸，以及玻璃粉成分构成；有机物性能对最后形成银硅接触构造有着重要影响。从丝网印刷和烧结工艺来说，丝网印刷栅线宽度、厚度，烧结工艺各环节温度及升降温控制等因素对所形成银硅接触构造力学性能均有着举足轻重作用。因而针对银硅接触构造力学性能进行系统和进一步研究（涉及银硅接触界面微观构造对其力学性能影响研究，生产制造工艺对银硅接触构造力学性能影响研究，银硅接触构造力学模型建立，以及银硅接触构造力学性能与太阳电池及组件可靠性和使用寿命关系研究），为光伏用导电银浆发展，太阳电池电极构导致产制造及性能改进提供坚实理论指引，是当下光伏行业一种重要且迫切亟待解决课题。1.2.2 研究内容及意义本文针对高效晶体硅太阳电池银硅接触构造力学性能研究工作重要涉及理论研究和实验研究两个方面：理论研究重要是运用构造力学平衡方程和本构方程，建立银硅接触剪切力与栅线宽度数学表达式，为银硅接触构造力学性能定量研究奠定了基本；实验研究重要涉及三个方面：选用不同浆料制备电池，运用扫描电镜观测浆料中银粉形貌与尺寸。再经丝网印刷和烧结工艺形成银硅接触构造后，运用手工焊接方式焊上焊带后，采用180度拉力测试方式测试银硅接触构造附着力。并用扫描电镜观测银硅接触界面微观构造，运用能谱仪对界面成分进行检测分析，以研究银硅接触微观构造对其力学性能影响。采用丝网印刷不同宽度和厚度栅线，经高温烧结形成银硅接触构造。选用不同厚度焊带，手工焊接方式，调节焊接温度和焊接时间，以研究生产工艺对太阳电池银硅接触构造力学性能影响。选用不同级别银硅接触附着力电池片进行分批封装，将封装好组件置于85高温和85%相对湿度高温实验箱中进行加速老化测试，以研究银硅接触构造力学性能与组件可靠性和使用寿命关系。这些研究对晶体硅太阳电池生产工艺改进、导电银浆发展以及组件可靠性提高提供了参照和指引。Equation Chapter (Next) Section 12 高效晶体硅太阳电池工作原理及表征2.1 晶体硅太阳电池工作原理晶体硅太阳电池重要涉及单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，其工作原理是同样。要理解晶体硅太阳电池工作原理，一方面必要要理解晶体硅太阳电池核心构造p-n结。p-n结是指p型半导体和n型半导体结合时，在其结合界面处就形成p-n结。假设有两块均匀掺杂p型硅和n型硅，掺杂浓度分别为和。P型硅中多数载流子（多子）为空穴，n型硅中多数载流子为电子。当p型硅和n型硅互相结合时，由于p型硅中和n型硅中空穴和电子有浓度差，因而在接触界面会发生载流子扩散运动，即p型硅中空穴通过结合界面向n型硅中扩散，n型硅中电子向p型硅中扩散。当载流子扩散运动和漂移运动达到一种相对平衡时，此时在结合界面处P型硅这边，由于空穴向n型硅中扩散，留下了一薄层不能移动电离硼原子，形成一种负电荷区，阻碍负电荷（电子）流向p型硅，也制止空穴继续向n区扩散；相应在n型硅这边则由于电子流失留下了带正电磷原子，形成一种正电荷区，阻碍空穴流向n型硅，也制止电子向p型区扩散。于是在p型硅和n型硅结合界面就形成了一种电偶层，称为阻挡层，也叫耗尽层或空间电荷区。由于固定电荷存在，在阻挡层中就形成了一种由n型硅指向p型硅内建电场。图 21 载流子互相扩散图 22 内建电场当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸取光能产生光生载流子电子-空穴对。在太阳电池内建电场驱动下，光生载流子发生定向移动，电子汇集在n区，空穴汇集在p区，即产生“光生电压”，这种现象咱们称之为“光生伏打效应”。若在内建电场两侧引出电极并接上负载，则负载中就会有电流流过而获得功率输出，这种电流咱们称之为“光生电流”。2.2 太阳电池分类运用电池构造来划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池，薄膜太阳电池。依照电池使用材料来划分，太阳电池可以分为硅太阳电池，化合物太阳电池，染料敏化太阳电池和有机薄膜太阳电池。按照太阳电池产生技术成熟度划分，太阳电池可分为三个阶段：第一代太阳电池：晶硅太阳电池。第二代太阳电池：薄膜电池，涉及非晶硅薄膜电池，碲化镉太阳电池，铜铟镓硒太阳电池，砷化镓太阳电池，纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等。第三代太阳电池：涉及各种叠层太阳电池、热光伏电池、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等。2.3 晶体硅太阳电池构造当前，普通商业化高效晶体硅太阳电池重要涉及前电极、减反层、发射极，硅基底，铝背场，背电极等构造。这些构造都是太阳电池不可或缺一某些。任一构造浮现质量问题，都会直接影响太阳电池正常工作。关于太阳电池各某些制造和作用本节不作阐述，留待4.1节再作详细阐明。图 24 晶体硅太阳电池构造图图 23 多晶硅太阳电池样片2.4 晶体硅太阳电池参数表征2.4.1 光电流光电流是由光生载流子定向移动形成。对于抱负状况下，假设光