引言

太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，目前常規(guī)產(chǎn)業(yè)化晶體硅電池前表面重要是由出現(xiàn)光電流的氮化硅受光區(qū)域與收集電流的金屬柵線電極組成，柵線是電池的重要組成部分，它負(fù)責(zé)把電池體內(nèi)的光生電流輸運(yùn)到電池外部，而由于電池串聯(lián)電阻引起的電學(xué)損失和電極遮光面積引起的光學(xué)損失是制約太陽能電池效率提升的重要因素，因此本文針對柵線電極數(shù)量對光電轉(zhuǎn)換效率（Eta）、開路電壓（Uoc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）、串聯(lián)電阻（Rs）等各項(xiàng)電池電性能參數(shù)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究，得到最佳的柵線設(shè)計(jì)方法。

1網(wǎng)版柵線的設(shè)計(jì)原理

目前絲網(wǎng)印刷制作電極可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)量高，該工藝已經(jīng)很成熟，在太陽電池的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

上電極設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方向是改善上電極金屬柵線的設(shè)計(jì)。當(dāng)晶體太陽電池的尺寸新增時(shí)，這方面就變得愈加重要。關(guān)于電極設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則是使電池的輸出最大，即電池的串聯(lián)電阻盡可能小和電池的光照用途面積盡可能大。

金屬電極一般由兩部分構(gòu)成如圖1所示，主電極是直接將電流輸?shù)酵獠康妮^粗部分，柵線電極則是為了把電流收集起來傳遞到主電極上去較細(xì)的部分。太陽電池的最大輸出功率可由ABJmpVmp得到，式中AB為太陽電池的表面積，Jmp和Vmp分別為最大功率點(diǎn)的電流密度和電壓。將太陽電池的最大功率輸出歸一化后，得

圖1太陽電池上表面金屬電極示意圖

Figure1Theschematicdiagramofthemetalelectrodeontnesurfaceofsolarcells.

到柵線電極和主電極的電阻功率損耗分別為

其中，ρsmf和ρsmb分別為柵線電極和主電極金屬層的薄層電阻，在某些情況下，這兩種電阻是相等的，而在另一些情況下（如浸過錫的電池），在較寬的主電極上又蓋了一層較厚的錫，ρsmb就比較小。假如電極各部分是逐漸呈線性變細(xì)的，m值則為4，假如電極各部分寬度是均勻的，m值則為3。WF和WB分別是太陽電池柵線電極和主電極的平均寬度。S是柵線電極的線距。

因柵線電極和主電極的遮擋部分而引起的功率損失是：

忽略直接由半導(dǎo)體到主電極的電流，則接觸電阻損耗僅僅是由于柵線電極所引起的，這部分功率損耗一般近似為

其中，ρc是接觸電阻率。關(guān)于硅電池來說，在太陽光下工作時(shí)，接觸電阻損耗一般不是重要問題。所以，重要要考慮的是電池頂層橫向電阻所引起的損耗。其歸一化形式為

其中，ρs是電池表面擴(kuò)散層的方塊電阻。

主電極的最佳尺寸可以由（2）和（4）式相加，然后對WB求導(dǎo)而得出，結(jié)果為當(dāng)主電極的電阻損耗等于其遮擋損失時(shí)，其尺寸最佳。這時(shí)

同時(shí)，這部分功率損失的最小值由下式得出：

這表明逐漸變細(xì)的主電極（m=4）比等寬度的主電極（m=3），功率損失大約低13%。

從上面一些式子可看出，單從數(shù)字上講，當(dāng)柵線電極的間距變得非常小以致橫向電流損耗可忽略不計(jì)時(shí)，出現(xiàn)最佳值。于是，最佳值由下面條件給出，即

即：

實(shí)際上不可能得到這個(gè)最佳值，在特定的條件下，要保持產(chǎn)品有較高的成品率，WF及S的最小值均受到工藝條件的限制。

在這種情況下，可通過簡單的迭代法實(shí)現(xiàn)最佳柵線的設(shè)計(jì)。若把柵線電極寬度WF取作在特定工藝條件下的最小值，則對應(yīng)于這個(gè)最小的S值能夠用漸近法求出。對某個(gè)設(shè)定值S'，可計(jì)算出相應(yīng)的各部分功率損失ρsf，ρcf，ρsf和ρst。然后可按下式求出一個(gè)更接近最佳值的值S"

這個(gè)過程將很快收斂到相應(yīng)于最佳值的一個(gè)不變的值上。從式（10）計(jì)算的S值是一個(gè)過高的估計(jì)值，由此可求出最佳的初試值。用式（10）所算出的S值的一半作初試值即可得出一個(gè)穩(wěn)定的迭代結(jié)果。關(guān)于下電極的要求是盡可能布滿背面，關(guān)于絲網(wǎng)印刷，覆蓋面積將影響到填充因子。