太阳能光伏技术：陷光效应与背面光反射镜

为减小电池表面的光反射，目前晶硅电池生产中都采用表面绒面结构，如图6．19（a）所示随机金字塔结构在单晶电池生产中最为普遍，然而如图6．19（b）中的倒金字塔结构也很普遍地用于研发类型的高效电池。这些绒面结构利用如图6．3（a）所示“两次反射”机理能大大减小电池表面的光反射。

图6．19　减小反射的表面绒面结构（a）随机金字塔绒面　（b）有序倒金字塔绒面

晶体硅是间接禁带半导体，它对红外光的吸收率比较低，因此很大的一部分红外光在穿透硅片后还没有被吸收。而铝烧结形成的合金结背面场对光的内反射率很低，接近于零，因而穿透硅片的红外光就在铝背场处消失掉了。因此，如果把背表面改成一个反射镜，穿透了电池的红外光会被反射回到电池体内。如图6．20（a）所示的平面电池，这种背面镜能将入射光在硅体内的吸收厚度加倍，因为背面反射的光线回到了正表面后还是可以逃逸出电池。

图6．20　陷光效应示意图　（a）背表面镜将到达背表面的光线反射回衬底中（b）正表面绒面结构与背表面镜结合，可将光线陷在硅片表面之间　

金字塔绒面结构可以使垂直入射光在电池表面入射两次，从而大大降低反射损失。而且在这个过程中，在金字塔斜面上入射的光线会改变入射方向，如图6．20 （b）所示。这样，在背面反射的光线再次回到正表面时，大部分会满足内部全反射的条件，而被再次反射回电池内部。如此光线就会被陷在了电池的正背面之间，这可将光线“陷”在衬底内最高可达4n2次［46，47］。这里n为硅的折射率，所以最大的陷光倍数约为50次［46，47］。(www.xing528.com)

图6．21给出了理论计算出来的不同电池表面结构的陷光倍数，也就是光线通过电池衬底的次数，以及多大比例的光线能存在这种陷光作用。可以看到，其实研发中采用的有序金字塔结构的陷光作用是比较差的，但由于研发采用了光刻技术，随机金字塔绒面不合适于光刻工艺，因而不被研发采用。在图6．21中可以看到［46，47］，随机金字塔比有序金字塔的陷光作用实际上好很多。最好的陷光结构是Lambertian，也就是光线在正表面随机角度内反射，这样的陷光作用远高于金字塔结构。可惜Lambertian结构只是一个理论模型，并没有实际结构能与其对应。

图6．21　理论计算出的不同电池表面结构的陷光性能［47］

图6．22　测量的平面和绒面PERC电池的表面反射性能，1　200nm以上波长的60%的反射意味着它具有很好的陷光效应

实际在具有背反射镜的PERC电池的测量结果如图6．22所示。平面PERC电池对1．2μm以上波长的红外光的反射率为90%左右，这是最不理想［如图6．19 （a）］的2倍陷光的效果。而很好的陷光作用使倒金字塔绒面的PERC对同样波长的电池的红外光反射率下降到55%左右。从另一个角度来看，在1 200nm波长下，无陷光机制的平面PERC电池只吸收了10%的入射光，而具有陷光机构的倒金字塔PERC电池在同样1 200nm波长下的光吸收率被增加了5倍以上，达到了55%左右。可见虽然有了陷光机构，还是有相当量的长波在背面反射后，最终从电池的正面逃出电池。由此从理论分析计算出背表面的光线内反射率在97%左右［48］。