对于硅太阳能电池,表面反射、载流子收集、复合和寄生电阻的基本设计限制导致了最佳器件的理论效率约为 25%。对这种最佳设备,下面显示了使用传统几何形状的示意图。请注意,近年来的创新已经发现其他设计在效率上可以超越这一限制。
基本电池设计折中
基材材质
(通常是硅)
块状晶体硅在当前光伏市场中占据主导地位,部分原因是硅在集成电路市场中的突出地位。与晶体管的情况一样,硅不具有最佳材料参数。特别是,硅的带隙对于最佳太阳能电池来说稍微过低,并且由于硅是间接材料,因此它具有低吸收系数。虽然低吸收系数可以通过光捕获来克服,但硅也很难生长成薄片。然而,硅的丰富性及其在半导体制造业的主导地位使得其他材料难以与其竞争。
电池厚度
(100-500 µm)
具有光捕获和非常好的表面钝化性能的最佳硅太阳能电池的厚度约为 100 µm。然而,通常使用 200 至 500μm 之间的厚度,部分是出于实际考虑,例如制造和处理薄硅片,还有部分是出于表面钝化原因。
基极掺杂
(1 Ω·cm)
较高的基极掺杂会导致较高的 Voc 和较低的电阻,但较高水平的掺杂会导致晶体损坏。
反射控制
(前表面通常有制绒)
前表面经过制绒处理,以增加耦合到电池中的光量。
发射极掺杂剂
(n型)
N 型硅具有比 p 型硅更高的表面质量,因此通常被放置在电池的前面,大部分光被吸收。因此,电池的顶部是负极端子,电池的后部是正极端子。
发射极厚度
(<1 μm)
大部分光在前表面附近被吸收。通过把前层做的非常薄,使得入射光产生的大部分载流子在 p-n 结的扩散长度内产生。
发射极掺杂水平
(100 Ω/☐)
前结的掺杂程度足以传导掉所产生的电力,而不会造成电阻损耗。然而,过量的掺杂会降低材料的质量,导致载流子在到达结之前重新复合。
网格图样
(排线宽 20 至 200 µm,间隔 1 - 5 mm)
硅的电阻率太高会无法传导掉所有产生的电流,因此在表面放置电阻率较低的金属栅格来传导电流。金属栅格遮蔽电池免受入射光的影响,因此在光收集和金属栅格的电阻之间存在折中。
后部接触
后触点比前触点重要得多,因为它距离接合点更远并且不需要透明。随着整体效率的提高和电池变得更薄,后接触的设计变得越来越重要。