03 · 太阳电池工作原理与 4 大损失

系列文章:太阳电池晶体硅界面钝化研究
本文定位:从太阳电池的最基础原理讲起,分析 4 大效率损失机制,说明为什么"界面钝化"对总效率至关重要
前置知识:建议先读 01 · 半导体物理基础 和 02 · 表面与界面化学
写作原则:从"光如何变成电"的最基础过程开始,每一步都讲清"为什么这一步会损失效率"

目录

1. 太阳电池的核心:光伏效应
2. AM1.5 标准太阳光谱
3. 从光子到电流:4 个基本步骤
4. I-V 曲线:衡量太阳电池的"成绩单"
5. 4 大效率损失机制
6. 损失①:光学损失
7. 损失②:复合损失
8. 损失③:串联电阻损失
9. 损失④:并联电阻损失
10. Shockley-Queisser 极限与现实差距
11. 小结:钝化对应哪类损失?

1 · 太阳电池的核心:光伏效应

1.1 什么是光伏效应?

光伏效应(photovoltaic effect):光子照射半导体材料,产生电动势的现象。

1839 年由法国物理学家 Becquerel 首次发现,1954 年贝尔实验室 Chapin 等人发明了第一块晶体硅太阳电池(转换效率 6%)。

1.2 光伏效应的 3 个必要条件

光伏效应能产生电流,必须同时满足 3 个条件:

任何一环出问题,都会损失效率。

1.3 太阳电池 vs 其他光伏技术

2 · AM1.5 标准太阳光谱

2.1 为什么需要标准光谱?

太阳光经过大气吸收和散射后到达地面,光谱与大气层外不同。为了统一衡量太阳电池效率,国际标准组织定义:

AM1.5G(Global)标准光谱 = 太阳光以 48.2° 角穿过 1.5 倍大气层后的地面光谱

• 辐照度 = 1000 W/m²(相当于正午阳光)
• 总功率 = 1000 W/m²(用于效率计算的分母)

2.2 AM1.5G 光谱的关键参数

        光谱辐照度(W/m²/nm)
        ↑
        │           ╱╲
        │          ╱  ╲
        │         ╱    ╲
        │        ╱      ╲
        │      ╱│       ╲│
        │     ╱ │  吸收带│ ╲
        │    ╱  │       │  ╲
        │   ╱   │       │   ╲
        │  ╱    │       │    ╲
        │ ╱     │       │     ╲
        │╱      │       │      ╲
        └─────────────────────────→ 波长(nm)
        300   500   700   900   1100
                ↓
        太阳光的大部分能量
        在 400-1100 nm 范围
        硅的吸收边 ≈ 1100 nm
        (对应 E_g = 1.12 eV)

2.3 硅能吸收的光子比例

只有能量 ≥ E_g = 1.12 eV 的光子才能被硅吸收:

• E_g = 1.12 eV → λ_max = 1240/1.12 ≈ 1107 nm
• AM1.5G 中约 77% 的光子能量在硅的吸收范围内
• 23% 能量(< 1.12 eV)直接透过硅,不被吸收

这是硅的"先天限制"——其他禁带宽度的材料(如 GaAs,1.42 eV)能吸收更多光子,但单结电池的总效率受 SQ 极限约束。

3 · 从光子到电流:4 个基本步骤

3.1 步骤 1:光子吸收

物理过程:光子撞击硅原子,价带电子吸收光子能量,跃迁到导带。

        光子(hν)            价带电子获得能量
          ↓                       ↓
       ┌──────────────┐          ┌──────────────┐
       │  ╱‾‾‾‾‾‾‾‾‾╲  │          │  ╱‾‾‾‾‾‾‾‾‾╲  │
       │ ╱           ╲ │   →     │ ╱  e⁻  e⁻   ╲ │
       │╱    E_g     ╲ │          │╱   ↓   ↓    ╲ │
       ├──────────────┤          ├──────────────┤
       │  ╲___________╱ │          │  ╲___________╱ │
       │               │          │   ↑   ↑       │
       │               │          │   h⁺  h⁺      │
       └──────────────┘          └──────────────┘
       吸收前                       吸收后(产生 e⁻-h⁺ 对)

必要条件:hν ≥ E_g

• hν > E_g:多余能量以热的形式损失(热化损失)
• hν < E_g:光子不被吸收(透过损失)
• hν = E_g:完美吸收(理想情况)

3.2 步骤 2:载流子分离

物理过程:在 pn 结空间电荷区,内建电场把电子-空穴对分离:

• 电子 → N 区
• 空穴 → P 区

        光子
          ↓
       ┌─────────────────────┐
       │     N 区(发射极)    │  ← 电子向 N 区移动
       ├─────────────────────┤
       │  空间电荷区(电场)   │  ← 内建电场分离电子-空穴
       ├─────────────────────┤
       │     P 区(衬底)      │  ← 空穴向 P 区移动
       └─────────────────────┘
              ↓
         N 区积累电子
         P 区积累空穴
              ↓
         形成光生电压 V_oc

3.3 步骤 3:载流子传输

物理过程:分离后的载流子通过扩散或漂移运动到电极:

• 在 P 区:光生空穴是多数载流子,扩散到背电极
• 在 N 区:光生电子是多数载流子,扩散到前电极
• 在空间电荷区:光生载流子被电场直接拉走

3.4 步骤 4:载流子收集

物理过程:载流子通过欧姆接触(金属-半导体接触)被电极收集,流向外电路。

如果接触不好(肖特基接触):产生电压降,损失效率。

3.5 4 个步骤的成功率

每一步都有"成功概率",4 个相乘得到总效率:

$$\eta_{total} = \eta_{absorption} \times \eta_{separation} \times \eta_{transport} \times \eta_{collection}$$

关键观察:钝化主要影响步骤 ③ 传输——通过减少表面复合,载流子能"走更远"到达电极。

4 · I-V 曲线:衡量太阳电池的"成绩单"

4.1 I-V 曲线的定义

I-V 曲线 = 太阳电池的输出电流(I)随输出电压(V)的变化关系。

        I(mA/cm²)
        ↑
        │  
   I_sc │●─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─   ← 短路电流(V=0)
        │  ╲
        │    ╲
        │      ╲
   I_m  │─ ─ ─ ●─ ─ ─ ─ ─ ─   ← 最大功率点电流
        │         ╲
        │           ╲
        │             ╲___
        │                 ╲___
        │                     ╲___ ← 开路电压 V_oc
    0   │───────────────────────────→ V(V)
        0          V_m          V_oc

4.2 三个核心参数

短路电流 I_sc(Short-circuit Current)

• 定义:V = 0 时的输出电流
• 物理意义:所有光生载流子都被收集
• 典型值:40-43 mA/cm²(高效 PERC/TOPCon)
• 决定因素:光吸收(光学损失决定上限)

开路电压 V_oc(Open-circuit Voltage)

• 定义:I = 0 时的输出电压
• 物理意义:光生电流全部在内部复合(没有外流)
• 典型值:0.7-0.74 V(高效 PERC/TOPCon)
• 决定因素:复合损失(本论文核心!)

V_oc 的公式:
$$V_{oc} = \frac{kT}{q} \ln\left(\frac{I_{sc}}{I_0} + 1\right)$$

其中 I_0 是反向饱和电流(由复合决定)。V_oc 随复合增强而下降。

填充因子 FF(Fill Factor)

• 定义:最大功率点矩形面积 / I_sc × V_oc 矩形面积
• 公式:
  $$FF = \frac{P_{max}}{I_{sc} \times V_{oc}} = \frac{I_m \times V_m}{I_{sc} \times V_{oc}}$$
• 典型值:0.80-0.84(高效电池)
• 决定因素:串联电阻 + 并联电阻 + 复合

转换效率 η(Conversion Efficiency)

• 定义:输出电功率 / 入射光功率
• 公式:
  $$\eta = \frac{P_{max}}{P_{in}} = \frac{I_{sc} \times V_{oc} \times FF}{P_{in}}$$
• 典型值:24-26%(量产 PERC/TOPCon)
• 实验室最高:26.9%(晶科 TOPCon 2024)

4.3 V_oc 与钝化的关系(本论文关键)

V_oc 是衡量钝化质量的最敏感参数。

每降低 1 cm/s 的 S_eff,V_oc 可以提升 1-2 mV(本论文体系下)**。

本论文的 V_oc 提升:

• T-ALD Al₂O₃:V_oc ≈ 650-680 mV(S_eff ≈ 20 cm/s)
• PE-ALD Al₂O₃:V_oc ≈ 670-700 mV(S_eff ≈ 14 cm/s)
• 叠层 a-Si:H/Al₂O₃:V_oc 进一步提升 ~ 10-20 mV

5 · 4 大效率损失机制

5.1 总览

所有损失最终都体现为 I_sc、V_oc、FF 的下降。

        总损失(100% - η)
        │
        ├─ ① 光学损失(主要影响 I_sc)
        │   ├─ 反射损失(~ 3-5%)
        │   ├─ 透过损失(E_g 以下光子,~ 23%)
        │   ├─ 寄生吸收(钝化层吸收,~ 1-2%)
        │   └─ 阴影损失(电极遮挡,~ 3-5%)
        │
        ├─ ② 复合损失(主要影响 V_oc,部分影响 I_sc)
        │   ├─ 体内复合(陷阱辅助复合、俄歇复合、辐射复合)
        │   ├─ 表面复合(本论文核心)
        │   └─ 接触区复合(电极下方)
        │
        ├─ ③ 串联电阻损失(主要影响 FF)
        │   ├─ 电极电阻
        │   ├─ 接触电阻
        │   ├─ 发射极电阻
        │   └─ 横向电阻
        │
        └─ ④ 并联电阻损失(主要影响 FF)
            ├─ pn 结漏电
            ├─ 边缘漏电
            └─ 钝化层漏电(本论文 Ga₂O₃ 体系)

5.2 各损失对效率的相对贡献

对于量产 PERC/TOPCon(效率 24-26%):

总损失 ~ 10-13%(相对 100% 入射光)。

6 · 损失①:光学损失

6.1 反射损失

裸硅表面的反射率高达 35%(因为硅的折射率 n ≈ 3.5,与空气 n = 1 的折射率差大)。

减反射方法:

• 单层减反膜:MgF₂(n ≈ 1.38)、SiNₓ(n ≈ 2.0)
• 双层减反膜:SiNₓ/Al₂O₃ 组合
• 织构化表面:金字塔结构(各向异性化学腐蚀),反射率 < 5%
• 黑硅:纳米结构,反射率 < 1%(本论文体系不涉及)

Al₂O₃ 作为减反膜:

• n ≈ 1.65-1.68(接近理想值)
• 单层 Al₂O₃ 在 ~ 600 nm 处减反效果最好
• 与 SiNₓ 双层膜搭配,可以覆盖 400-1100 nm 宽光谱

6.2 透过损失

E_g = 1.12 eV 对应 λ_max = 1107 nm。λ > 1107 nm 的光子完全透过硅,不被吸收。

这部分损失是物理极限,无法消除——只能通过:

• 降低硅片厚度(增加光生载流子产生概率,但减少吸收)
• 叠层电池(在硅下面加低带隙电池,吸收红外光)

本论文体系:硅片厚度 500 μm(研究用) → 实际量产 110-180 μm

6.3 寄生吸收

钝化层本身可能吸收部分光子,这叫"寄生吸收"。

关键洞见:Al₂O₃ 的一个重要优势是"光学友好"——既能钝化又不挡光。这就是为什么 TOPCon 背面用 Al₂O₃ 而非 a-Si:H。

6.4 阴影损失

前电极(栅线)遮挡部分入射光,典型损失 ~ 3-5%。

Al₂O₃ 本身不引入阴影损失(透明钝化层)。

7 · 损失②:复合损失(本论文最相关)

7.1 三类复合位置

        太阳电池结构示意
        (以 p 型 PERC 为例)
        
        银栅电极
        │  SiNₓ
        │  │  (减反+钝化)
        │  │  Al₂O₃
        │  │  │  (场钝化+化学钝化)
        │  │  │
        ├───────────
        │  N+ 发射极(~ 200 nm)
        ├───────────
        │  P 型硅衬底(~ 180 μm)
        ├───────────
        │  Al₂O₃(背钝化)★ 本论文核心
        │  SiNₓ
        │  Al 背电极
        └───────────
        
        复合发生在:
        ① 表面(前+背)
        ② 体内
        ③ 接触区(电极下方)

7.2 复合损失对效率的影响

复合损失每降低 1 倍,V_oc 提升 ~ 18 mV(在高效电池典型 V_oc 附近)。

总效率的提升(从 24% → 25%):

• ~ 50% 来自复合损失降低
• ~ 30% 来自光学损失降低
• ~ 20% 来自电阻损失降低

7.3 表面复合的物理机制(论文核心)

表面复合的 3 个调控手段:

7.4 表面复合速度 S_eff 与钝化质量

S_eff 经验公式(简化):

$$S_{eff} \approx \frac{\pi kT D_{it}}{q^2 N_A \cdot L_D} + \text{场效应修正项}$$

关键观察:强场效应(Al₂O₃)|Q_f| = 10¹³ 可以将 S_eff 降低 5-10 倍——这是为什么 Al₂O₃ 即便 D_it 略高,仍能给出极好钝化效果。

7.5 论文中钝化参数汇总

| 试样 | D_it | |Q_f| | S_eff | τ_eff |
|—|—|—|—|—|
| 未钝化 | ~ 10¹³ | 0 | > 10⁵ cm/s | < 10 μs |
| SiO₂ | 10¹⁰ | 10¹⁰ | 1-5 cm/s | 1-5 ms |
| a-Si:H | 10¹⁰ | 弱 | 1-3 cm/s | 1-5 ms |
| T-ALD Al₂O₃ | 4×10¹¹ | 5.3×10¹² | 20 cm/s | 1063 μs |
| PE-ALD Al₂O₃ | 7.7×10¹¹ | 1×10¹³ | 14 cm/s | 1802 μs |
| 叠层 a-Si:H/Al₂O₃ | ~ 10¹² | 增强 | < 10 cm/s | > 3000 μs |

核心洞见:叠层体系将 S_eff 压到 10 cm/s 以下,接近 SQ 理论极限——这正是为什么 a-Si:H/Al₂O₃ 叠层成为 TOPCon 背钝化的"黄金组合"。

8 · 损失③:串联电阻损失

8.1 串联电阻的组成

        太阳电池等效电路
        
            R_s(串联电阻)
        ┌──/\/\/\──┐
        │           │
        │   I       │
        │   │       │
       ─┤  光电流  ├──
       ─┤  I_L    ├── → 输出到外电路
        │   │       │
        │   V       │
        │           │
        └──/\/\/\───┘
            R_sh(并联电阻)

8.2 串联电阻对 FF 的影响

$$FF = FF_0 \left(1 - \frac{R_s \cdot I_{sc}}{V_{oc}}\right)$$

• R_s = 0.5 Ω·cm² → FF 损失 ~ 1-2%(相对)
• R_s = 1.0 Ω·cm² → FF 损失 ~ 3-4%

本论文不直接涉及 R_s 优化(那是栅线设计问题),但间接相关:Al₂O₃ 不增加串联电阻(绝缘层不参与电流传导)。

9 · 损失④:并联电阻损失

9.1 并联电阻的物理起源

R_sh(并联电阻,又叫"分流电阻")= 等效于太阳电池内部的"漏电通道"。

漏电原因:

• pn 结漏电:pn 结边缘或晶界处漏电
• 钝化层漏电:钝化层有针孔或厚度不均
• 边缘漏电:电池边缘切割面暴露

9.2 并联电阻对效率的影响

$$FF = FF_0 \left(1 - \frac{V_{oc}}{R_{sh} \cdot I_{sc}}\right)$$

• R_sh > 10⁴ Ω·cm² → FF 损失 < 1%
• R_sh = 10³ Ω·cm² → FF 损失 ~ 3-5%
• R_sh = 10² Ω·cm² → FF 损失 ~ 10-20%(电池基本失效)

9.3 本论文 Ga₂O₃ 体系的并联电阻问题

Ga₂O₃ 旋涂膜的漏电问题是 5.5 节关键挑战:

物理原因:

• 450°C 退火:Ga₂O₃ 非晶态,大量缺陷,漏电通道多
• 850°C 退火:Ga₂O₃ 晶化,缺陷减少,漏电通道减少

关键洞见:这就是为什么 850°C 退火的 Ga₂O₃ 钝化效果最好——虽然 D_it 与 650°C 接近,但漏电(并联电阻)大幅改善,综合性能最优。

10 · Shockley-Queisser 极限与现实差距

10.1 Shockley-Queisser 极限(单结)

1961 年,Shockley 和 Queisser 详细计算了单结太阳电池在 AM1.5 下的理论效率极限。

对于硅(E_g = 1.12 eV):

10.2 现实效率与理论极限

单结硅电池的现实差距已经从 2010 年的 ~ 7% 缩到 2024 年的 ~ 2.5%——主要靠钝化(降低复合损失)。

10.3 突破 SQ 极限的方法

11 · 小结:钝化对应哪类损失?

最终结论:钝化的核心战场是降低表面复合损失——本论文所有 6 大创新点都直接或间接服务于此目标。

钝化质量 → V_oc → FF → η:

• 钝化提升 V_oc 30-50 mV → 直接提升效率 0.5-1%
• 钝化提升 FF 1-2% → 提升效率 0.3-0.5%
• 综合:优质钝化可以让电池效率从 24% 提升到 26%(本论文预期)

本篇完