专利名称：一种等宽栅线电极设计方法
技术领域：
本发明属于太阳能光伏电池技术领域，特别涉及一种太阳能光伏电池等宽栅线电极设计方法。
背景技术：
太阳能光伏发电技术作为一种清洁可再生能源的利用方式，近几年得到了迅猛的发展。太阳能电池表面栅线电极的结构对电池输 出功率的影响较大，是太阳能电池设计中一个重要的环节。在太阳能电池工作过程中，半导体薄膜中的载流子沿着与次栅电极垂直的方向传输至次栅电极，然后通过次栅电极传输至主栅电极，并通过主栅电极导出。由于电阻的存在，载流子在半导体薄膜、栅线电极以及两者的接触面产生相应的功率损失；由于栅线遮蔽的存在，部分入射太阳光不能被电池吸收利用，从而导致电池输出功率下降。关于太阳能电池表面栅线电极设计方面的研究很多，常见的方法如《Solar CellsOperating Principles, Technology and System Applications》(Martin A. Green 编著，2010年I月第I版，ISBN 978-7-313-06191-1)第八章所述。栅线电极设计过程涉及的电学参数包括最大功率点输出电压V和电流密度J、薄膜方阻R、薄膜与栅线接触电阻率P。及栅线体电阻率P f ;涉及的尺寸参数包括电池长度L和宽度H、最小结构单元宽度S、最小结构单元长度E、主栅宽度W与厚度T、次栅宽度D与厚度t。图I是太阳能电池表面栅线电极的结构示意图，假定电池体材料均匀、电极构形对称且载流子只通过次栅电极收集(忽略主栅电极直接收集部分)，则等宽栅线电极收集载流子过程中，主栅功率损失计算公式为
IpiIjEJ WH = n. +/7=-----1----( I、
Mf IV It次栅功率损失计算公式为
「_71RS2J pcSJ P1SE2J DJJ =η +η +Ti +n_' +」-+ ._
h零r h h h h 12V DV SDtV S (2)对于给定的电学参数和尺寸参数，利用牛顿迭代法分别求出Jibus和nfing 的最小值，此时的栅线电极参数即为主栅和次栅的最佳尺寸。目前的栅线电极设计都是基于上述过程，但这些方法均存在以下四个问题I、数学物理模型与实际情况不符。(I)计算半导体传输损失、接触损失、次栅传输损失及主栅传输损失时，将非光活性区(即主栅和次栅遮蔽区)考虑在内，导致计算结果偏大；(2)计算接触损失、次栅传输损失及次栅遮蔽损失时，将次栅与主栅的重叠区考虑在内，导致接触电阻计算结果偏小、次栅传输电阻及次栅遮蔽面积计算结果偏大；(3)半导体薄膜产生的电流通过次栅汇集到主栅，而非直接汇集到主栅，因此计算主栅传输损失的表达式与实际情况的偏差较大。2、最佳栅线电极结构判据有误。现有方法是分别计算主栅和次栅最佳尺寸，忽略二者之间的关联性。而实际情况是主栅相对功率损耗依赖于采用的次栅结构，二者不可拆分，因此现有方法采用的判据不符合实际情况，无法得到正确结果。3、无法用于具有两个或两个以上未知参数时的栅线设计。计算次栅相对功率损失的数学物理模型涉及5个电学参数和5个尺寸参数，现有方法通过设定其中的9个参数值来求解另外一个参数的最佳值。现有方法无法解决具有两个或两个以上未知参数时的栅线设计问题。4、计算方法繁琐，获取信息量少。牛顿迭代法每次只能获得一个参数的最优结果，要分析电学参数和尺寸参数对总相对功率损失的影响方式及权重，需要进行大规模的数据分析和运算。如果利用牛顿迭代法，该过程将极其复杂和繁琐，需要耗费大量时间和精力。由于上述问题的存在，利用现有方法得到的最佳栅线电极尺寸与实际情况存在较大偏差，且无法对各参数对总相对功率损失的影响方式及权重进行细致的分析和研究。因此，提出更为精确的数学物理模型并开发先进的栅线电极设计方法及工具，是本发明要解 决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有等宽栅线电极设计方法中数学物理模型偏差大、最佳栅线结构判据有误、只能对单一参数进行设计及计算过程复杂繁琐等问题，提供一种更加准确、快速、便捷的太阳能电池等宽栅线电极设计方法。本发明在优化现有数学物理模型的基础上，采用新的判据及数据处理方法对大量数据进行快速、准确的分析处理，不仅能得到更加准确的栅线电极结构，还能得到丰富的过程信息，为栅线电极设计开发提供强大的技术支持。一种等宽栅线电极设计方法，用于根据待设计太阳能电池的参数，设计所述太阳能电池的栅线电极，包括步骤(I)根据待设计太阳能电池的参数，建立栅线电极收集载流子过程产生的总相对功率损失的数学物理模型；(2)设置所述参数的最大值、最小值和参考间隔；(3)对给出的所述参数进行组合，根据所述数学物理模型计算出每种组合对应的总相对功率损失；(4)找出所述总相对功率损失的最小值及其对应的参数组合，所述最小值对应的参数组合即为所述太阳能电池的最优栅线电极结构。进一步地，所述步骤(3)还包括步骤根据每一个所述参数的参考间隔，为其对应的参数取值得到所述参数的所有参数值；从每一个所述参数中取一个参数值进行组合,计算该组合对应的总相对功率损失;遍历所有组合，计算出所有组合对应的总相对功率损失。进一步地，所述参考间隔为小于其对应参数的最大值的任意正数，参考间隔越小，最终设计效果越好。进一步地，所述步骤⑷还包括步骤
结合工艺水平，选择能够满足工艺水平的，最接近总相对功率损失最小值的参数组合作为最优栅线电极结构。可以有效地结合实际工程应用，设计当前工艺条件下最优的栅线电极结构。所述总相对功率损失包括顶层半导体薄膜传输损失，半导体薄膜与次栅的接触损失，次栅传输损失，次栅遮蔽损失，主栅传输损失和主栅遮蔽损失。所述太阳能电池的参数包括电学参数和尺寸参数，其中电学参数包括最大功率点的输出电压V和电流密度J、薄膜方阻R、薄膜与栅线接触电阻率P。及电极体电阻率Pf ;尺寸参数包括电池宽度H和长度L、主栅数目m、次栅数目η、主栅宽度W与厚度Τ、次栅宽度D与厚度t。进一步地，根据所述太阳能电池的电池宽度和长度，定义最小结构单元，所述最小
MT
结构单元的长度E和宽度S分别为:E = ;，S=L 以最小结构单元为基本结构建立数学 2m η
物理模型，最后将最小结构单元的长度E和宽度S的表达式代入，得到基于所述太阳能电池的参数的数学物理模型的数学表达式为fl, =^+0,+f ,+fh+%+Oc—鄰-mWKL-nDf| pv{L-nDf(H-mW)J ] p,JjL-nDf(H^rnWf — XliMy + nDHLV + Mnm1DtHLVnD(H-mW) (2n2 +1 )pfJ{H — mW'f {I, — nPf mW + ^ +......................................................6mn^WWF+^Γ其中，为总相对损失功率，q为顶层半导体薄膜传输
Itii Λ
损失=......=ξ￡Μ...为半导体薄膜接触损失=_ζ^Ε _为
2nDHLV3UtmrDtHLV
次栅传输损失；η% =为次栅遮蔽损失呢
“ HL4Smn1TWHV
rnW
主栅传输损失为主栅遮蔽损失。
H本发明公开的一种等宽栅线电极设计方法，基于最小结构单元建立数学物理模型，引入太阳能电池的电学参数和尺寸参数，通过计算每一种参数组合的总相对功率损失，结合工艺水平，找到最优的栅线电极结构参数。本发明总相对功率损失计算结果精度高，寻找最优栅线电极结构过程计算量小，简单实用，为工业设计提供了强有力的工具。
图I为等宽栅线电极结构示意图；图2为本发明等宽栅线电极设计方法流程图；图3为相对功率损失与薄膜方阻R的关系图；图4为相对功率损失与栅线电阻率P f的关系图；图5为相对功率损失与接触电阻率P。的关系图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。本发明的一种等宽栅线电极设计方法，流程图如图2所示，包括以下步骤步骤201、根据栅线电极的电学参数和尺寸参数，建立数学物理模型。具体地,栅线电极涉及的参数包括电学参数和尺寸参数。其中，电学参数包括最大功率点的输出电压V和电流密度J、薄膜方阻R、薄膜与栅线接触电阻率P。及电极体电阻率P f ;尺寸参数包括电池宽度H和长度L、主栅数目m、次栅数目η、主栅宽度W与厚度Τ、次栅宽度D与厚度t。图I中虚线部分为太阳能电池表面栅线电极的最小结构单元，通过优化最小结构单元的结构然后扩展至整个平面，可以得到栅线电极的整体最优化结构。因为主栅和次栅 遮蔽，最小结构单元中光活性区域的尺寸分别是平行次栅方向(即图I中X轴方向)为
(￡-1)，垂直次栅方向(即图I中y轴方向)为(S-D)，载流子沿这两个方向的最大传输距离分别是需要说明的是，载流子分别从最小结构单元的两个边界向次栅边界传输，所以最小结构单元垂直次栅方向尺寸为(S-D),而该方向上的传输距离为+(-V-/))。假定电池材料均匀、电极构形对称且载流子只通过次栅电极收集(忽略主栅电极直接收集部分)，则为栅线电极收集载流子过程产生的总相对功率损失n■建立数学物理模型，其过程如下对于任一最小结构单元，载流子在电池顶层薄膜中传输产生的功率损失可用如下微分式表不:
_7] dP, =J2Ri^yidxdy (3)
J对式(3)积分得出F1 =^r/2k继-=--(2) (4)由于任一最小结构单元的输出功率为P = SEJV，因此，太阳能电池顶层半导体薄膜传输损失为^查..龜.=.幽(5)
1USEV需要说明的是，计算Il1的过程中，以光活性区域的边界作为(4)式中积分的上、
下限平行次栅方向分别为f/·:-f]、o，垂直次栅方向分别为Α、￡,不同于现有技术中采
V 2 ；2 2
用最小结构单元的边界作为(4)式积分的上、下限。由于最小结构单元中非光活性区域不产生载流子，所以本发明计算H1的方法更合理。计算半导体薄膜与次栅的接触损失H2、次栅传输损失H3以及次栅遮蔽损失H4时，涉及到次栅电极的长度参数。现有技术中以最小结构单元长度E作为次栅电极的长度，实际情况是最小结构单元长度是次栅电极长度和主栅电极半宽度之和，次栅电极长度表达式应为Ε-$·。因此现有技术中η2> η3> η4的计算方法也是不合理的。基于上面的分析，Jl2可通过下面的公式得出(6)
"D{E~~W 12)
「00561 n-DfjE-W/2)
2DSEVν /η 3可通过下面的公式得出dP3 = J2 (S — Df X2 ^(8) Dt4 = Pf讀肩 r : rVY =m
3Dt h 'mtw
r p,J(S-I)f (E-Wl 2f/1Λ、-Li-L(10)
33/ΜΛ.Γn 4的计算公式为 =5ΕζΗΨ￡=5ΕζΗΞ) (11)
* 4tLf I' Fl rCfH'太阳能电池半导体薄膜中的光生载流子通过等间隔(间隔距离即最小结构单元宽度S)的次栅汇入主栅，而非直接从薄膜汇入主栅，因此，沿载流子流出方向，主栅电流以相同增额等间隔地增加，通过每段主栅的电流分别为I2、(2I)2、(3I)2、…、[(n-l)I]2，最后
一根次栅与电池边界之间，通过主栅的电流为(nl)2，主栅的长度为I可以通过计算各段主
2*
栅传输功率损失的总和，进而得出主栅传输损失n5。该方法与现有技术中计算主栅相对传输损失的方法不同(现有技术采用积分法直接计算整条主栅的相对传输功率损失)，n5的推导过程如下
pfS p,-(.V/2K /)2 ,、R =7.....^................Y(M)2^12
J (V/2)7'S(Wfl)T
IprS( Iffλ2"=-'kJ (Λ—I)) L·--X〉々 --
WTU 2 J [S 2 _η ^ =^+\^PfJ{s-D)2(K-wl2)2(Π)
5 nSEJV 3WTEV、'f主栅遮蔽损失Il6的计算方法与现有技术一致，计算公式为
ψ%=~ (14)
2L·由式(5)、(7)、(10)、(11)、(13)、(14)可以得到栅线电极收集载流子过程产生的总相对功率损失Hsum的计算公式1^,= + + + + + =^S=iy(￡=r/2) PcJjS-Df(E-WIl) p,J(S-1))2(E-WIlj D(E-WZl)(.⑶
— \ Ε￥ .^ DSEV ............................................+" IDtSEV................................................+: SE——[,2] 一+”膚’-_二晴2 t W 3WTEVTE其中，S =1为最小结构单元宽度，= f为最小结构单元长度，将S、E的表达式
μIm
代入(15)式中，结果如下Tfam = /J1 + +% +%+% +%, P€(L-nDf(H-mW)J ； pfJ(L-nDf(H-mWf (比) Un2HLV nDHLVUnm2DtHLV rnn7Ri nD(H-mW) (2tr + \)pfJ{H ^mW)2(L^nDf mW
LUU / O J -"I" ........................................................ ...............................................η...........................................................................................
HLSmn2rIWHVH需要说明的是，根据公式(16)建立的数学物理模型中相对功率损耗1、η2、η3、n4> n5> Ji6的表达式也不同于现有技术(现有技术中1、η2> η3> η4> η5、116的表达式见本发明背景技术部分)本发明通过引入主栅数目m、次栅数目η等变量，将npnynyn4> n5> n6的表达式与栅线数目关联，同时用主栅数目m、次栅数目η、电池长度L及电池宽度H等变量，替代现有技术中最小结构单元的长度及宽度变量。步骤202、设置待设计太阳能电池的各电学参数和尺寸参数的最大值、最小值及考察间隔。栅线设计过程共涉及5个电学参数和8个尺寸参数，设置每个参数的最大值、最小值和考察间隔，如表I所示。表I
参数符
分类参数名称d 最小値最火值计算闻___
att欠 I:作电.FR Vvi
学工作电流密度 JJ0J1J权利要求
1.一种等宽栅线电极设计方法，用于根据待设计太阳能电池的参数，设计所述太阳能电池的栅线电极，其特征在于，包括步骤 (1)根据待设计太阳能电池的参数，建立栅线电极收集载流子过程产生的总相对功率损失的数学物理模型； (2)设置所述参数的最大值、最小值和参考间隔； (3)对给出的所述参数进行组合，根据所述数学物理模型计算出每种组合对应的总相对功率损失； (4)找出所述总相对功率损失的最小值及其对应的参数组合，所述最小值对应的参数组合即为所述太阳能电池的最优栅线电极结构。
2.如权利要求I所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括步骤 根据每一个所述参数的参考间隔，为其对应的参数取值得到所述参数的所有参数值； 从每一个所述参数中取一个参数值进行组合，计算该组合对应的总相对功率损失； 遍历所有组合，计算出所有组合对应的总相对功率损失。
3.如权利要求2所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，所述参考间隔为小于其对应参数的最大值的任意正数。
4.如权利要求I所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括步骤 结合工艺水平，选择能够满足工艺水平的，最接近总相对功率损失最小值的参数组合作为最优栅线电极结构。
5.如权利要求1-4任一权利要求所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，所述总相对功率损失包括顶层半导体薄膜传输损失，半导体薄膜与次栅的接触损失，次栅传输损失，次栅遮蔽损失，主栅传输损失和主栅遮蔽损失。
6.如权利要求5所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，所述太阳能电池的参数包括电学参数和尺寸参数，其中电学参数包括最大功率点的输出电压V和电流密度J、薄膜方阻R、薄膜与栅线接触电阻率P。及电极体电阻率Pf;尺寸参数包括电池宽度H和长度L、主栅数目m、次栅数目n、主栅宽度W与厚度T、次栅宽度D与厚度t。
7.如权利要求6所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，根据所述太阳能电池的电池宽度和长度，定义最小结构单元，所述最小结构单元的长度E和宽度S分别为
8.如权利要求7所述的等宽栅线电极设计方法，其特征在于，以最小结构单元为基本结构建立数学物理模型，最后将最小结构单元的长度E和宽度S的表达式代入，得到基于所述太阳能电池的参数的数学物理模型的数学表达式为
全文摘要
本发明公开了一种等宽栅线电极设计方法，根据待设计太阳能电池的参数，建立栅线电极收集载流子过程产生的总相对功率损失的数学物理模型；设置参数的最大值、最小值和参考间隔；对给出的参数进行组合，根据数学物理模型计算出每种组合对应的总相对功率损失；找出总相对功率损失的最小值及其对应的参数组合，该最小值对应的参数组合即为所述太阳能电池的最优栅线电极结构。本发明的方法计算量少，简单实用，结果准确。
文档编号G06F17/50GK102799747SQ20121028321
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者王东, 张晓勇, 赵书力, 成乔, 于平荣 申请人:北京大学