引言

太陽能電池是將太陽能轉換成電能的半導體器件，目前常規產業化晶體硅電池前表面重要是由出現光電流的氮化硅受光區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，它負責把電池體內的光生電流輸運到電池外部，而由于電池串聯電阻引起的電學損失和電極遮光面積引起的光學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量對光電轉換效率（Eta）、開路電壓（Uoc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）、串聯電阻（Rs）等各項電池電性能參數的影響進行實驗設計與研究，得到最佳的柵線設計方法。

1網版柵線的設計原理

目前絲網印刷制作電極可以實現生產自動化，生產成本低，產量高，該工藝已經很成熟，在太陽電池的生產中得到了廣泛應用。

上電極設計優化的一個重要方向是改善上電極金屬柵線的設計。當晶體太陽電池的尺寸新增時，這方面就變得愈加重要。關于電極設計，設計原則是使電池的輸出最大，即電池的串聯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成如圖1所示，主電極是直接將電流輸到外部的較粗部分，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。關于硅電池來說，在太陽光下工作時，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求導而得出，結果為當主電極的電阻損耗等于其遮擋損失時，其尺寸最佳。這時

同時，這部分功率損失的最小值由下式得出：

這表明逐漸變細的主電極（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，單從數字上講，當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時，出現最佳值。于是，最佳值由下面條件給出，即

即：

實際上不可能得到這個最佳值，在特定的條件下，要保持產品有較高的成品率，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現最佳柵線的設計。若把柵線電極寬度WF取作在特定工藝條件下的最小值，則對應于這個最小的S值能夠用漸近法求出。對某個設定值S'，可計算出相應的各部分功率損失ρsf，ρcf，ρsf和ρst。然后可按下式求出一個更接近最佳值的值S"

這個過程將很快收斂到相應于最佳值的一個不變的值上。從式（10）計算的S值是一個過高的估計值，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穩定的迭代結果。關于下電極的要求是盡可能布滿背面，關于絲網印刷，覆蓋面積將影響到填充因子。