硅晶太阳能电池制程之应用

光谱响应/量子效率/IPCE在矽晶太阳能电池制程改善上之应用:



(图A矽晶太阳能电池量子效率光谱与各波长反应之示意图。插图为矽晶太阳能电池的元件结构。

光谱响应/量子效率/IPCE光谱不同波段反应太阳能电池各层的特性。以矽晶太阳能电池为例,其普遍的制程是在p型晶片上扩散掺杂制作n层,形成pn接面,表面再作粗化制作抗反射层,降低介面反射,以提高入射的光子效率,其结构如当太阳光照射到太阳能电池时,光通过的顺序为抗反射层、n层、pn接面、p层、背电极。在入射的界面,产生界面的反射,不同波长反射的程度不一,通常UV段与红外波段的反射所造成的损耗较高,而在可见光波段损耗最低。抗反射层因能隙较大,仅会吸收短波长的光,因此短波长段300 nm ~ 350 nm通常反应抗反射层的特性。波长大于350 nm的光陆续穿过n层、pn接面与p层,因各层厚度的不同,所吸收的波段范围依序为350 nm ~ 500 nm波段(n层),500 nm ~ 800 nm波段(pn接面),800 nm ~1100 nm (p)

350 nm ~ 500 nm波段,光谱响应曲线是随着波长的增加而提升,因长波长光子穿透深度较深,接近pn接面,因此转换效率提升。一般效率最高的部分都是落在PN接面的波段,因pn接面内部电场可有效率的拆解吸收光子后的电子电洞对,因此,效率最高500~800 nm波段,反应的是pn接面层的特性。800~1100 nm波段穿透到最下层的p层,光谱随波长增加而快速递减的原因有两个部分第一个是800-1000 nm 波段波长越长,产生的电子电洞对就越远离pn接面,需借由扩散机制到达pn接面;距离pn接面越远,在扩散到pn接面前就被复合的机率较高,所以 800~1000 nm光谱随波长递减。第二,大于1000 nm波段快速下降则是因为入射光能量逐渐小于矽的能隙,入射光无法激发电子-电洞对之产生,所以曲线快速下降。可由(A单晶矽太阳能电池外部量子效率观察出各层反应特性。

以(B为例,由光谱响应换算成量子效率可以得到下(图C

A电池在300 nm ~ 500 nm效率效率较B电池低,欲再提升A电池的效率,应该要着重在抗反射层(300 nm~ 350 nm)n(350 nm ~ 500 nm)的制程上,作为改进之方向


B不同制程条件下太阳能电池光谱响应与AM1.5G的示意

丙

C两个不同制程电池的量子效率光谱