一种太阳能电池非等宽前电极栅线结构及布局方法与流程

本发明涉及太阳能利用的技术领域，尤其是指一种太阳能电池非等宽前电极栅线结构及布局方法。

背景技术：

太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的器件，目前的应用领域十分广泛。随着太阳能电池的迅速发展，针对如何提高太阳能电池的转换效率、降低太阳能电池的生产成本的研究也不断涌现。

前电极栅线是太阳能电池的重要组成部分，它负责将光生电流收集起来，并传输到外部负载，它对太阳能电池的效率有着至关重要的影响。一方面，要求前电极栅线的宽度尽可能的小(前电极栅线面积尽可能的小)，确保有足够的光照射到太阳能电池表面，以产生较大的光生电流；另一方面，又要求前电极栅线的宽度尽可能的大(前电极栅线面积尽可能的大)，以保证前电极栅线电阻尽量小，光生电流尽可能多的被有效收集。因此，需要设计出合理的前电极栅线，使得太阳能电池的光电转换效率尽可能的高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种太阳能电池非等宽前电极栅线结构及布局方法，可以在提高太阳能电池光电转换效率的同时使得银浆的使用量得以降低，特别适用于大面积、高电流密度的太阳能电池。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种太阳能电池非等宽前电极栅线结构，包括设置在太阳能电池上表面的非等宽主栅线和非等宽细栅线，所有非等宽主栅线的中心线彼此相互平行，所有非等宽细栅线的中心线彼此相互平行，所述非等宽细栅线与非等宽主栅线相连，所述非等宽细栅线的中心线与非等宽主栅线的中心线相互垂直，所述非等宽主栅线在引出电流的一端较宽，另一端较窄，所述非等宽细栅线连接非等宽主栅线的一端较宽，另一端较窄。

一种太阳能电池非等宽前电极栅线布局方法，包括以下步骤：

1)测量所要优化的太阳能电池的技术参数，计算得到太阳能电池最大输出功率点的理想电流密度jmp^*和太阳能电池最大输出功率点的理想电压vmp^*；

2)求解太阳能电池中与前电极栅线相关的总体相对功率损失，当总体相对功率损失达到最小时，能够使得太阳能电池的光电转换效率取得最大值。

进一步，所述技术参数包括烧结后细栅线的体电阻率、主栅线与互连带焊接完成后的整体体电阻率、晶硅太阳能电池扩散层薄层电阻、细栅线与晶体硅之间的接触电阻率、细栅线宽度和厚度、主栅线宽度、主栅线与互连带的整体厚度、细栅线的数量和主栅线的数量、电池最大输出功率点的电流密度和电压。

进一步，所述太阳能电池最大输出功率点的理想电流密度jmp^*和太阳能电池最大输出功率点的理想电压vmp^*的求解过程如下：

由于太阳能电池的前电极栅线是对称结构，因此能够分解成单元电池进行分析；单元电池的最大输出功率为abjmpvmp，其中a和b分别为单元电池的长和宽，jmp和vmp分别为电池最大输出功率点的电流密度和电压；除去前电极栅线遮蔽的影响，能够得到太阳能电池最大输出功率点的理想电流密度jmp^*＝jmp/(1-ηs)，其中ηs为前电极栅线的遮蔽率，即主栅线和细栅线遮蔽率之和；除去太阳能电池前表面整体串联电阻的影响，能够得到太阳能电池最大输出功率点的理想电压vmp^*＝vmp+jmpaallrall，其中aall和rall分别为太阳能电池的前表面面积和前表面整体串联电阻。

进一步，所述太阳能电池中与前电极栅线相关的总体相对功率损失包括四个方面：1)非等宽主栅线与非等宽细栅线遮蔽所致相对功率损失；2)非等宽细栅线间半导体电阻所致相对功率损失；3)非等宽细栅线与半导体接触电阻所致相对功率损失；4)非等宽主栅线与非等宽细栅线电阻所致相对功率损失；分别计算以上四个方面的相对功率损失如下：

①栅线遮蔽所致相对功率损失包括主栅线遮蔽所致相对功率损失ηsb和细栅线遮蔽所致相对功率损失ηsf，ηsb和ηsf分别表示为：

②细栅线间半导体电阻所致相对功率损失ηtl表示为：

③细栅线与半导体接触电阻所致相对功率损失ηcf表示为：

④前电极电阻所致相对功率损失包括细栅线自身电阻所致相对功率损失ηrf和主栅线自身电阻所致相对功率损失ηrb，ηrf和ηrb分别表示为：

其中，a和b分别为单元电池的长和宽，wb0为主栅线最窄处的宽度，kb为非等宽主栅线由窄变宽的斜率，wf0为细栅线最窄处的宽度，kf为非等宽细栅线由窄变宽的斜率，s为细栅线间距，jmp^*和vmp^*分别为太阳能电池最大输出功率点的理想电流密和理想电压，rs为半导体方块电阻，nf为细栅线数量，ρc为细栅线与半导体间的接触电阻率，ρf为细栅线的体电阻率，tf为细栅线的厚度，确定tf＝0.25(wf0+2kfy)，ρb为主栅线的体电阻率；tb为主栅线与互连带的整体厚度，由于每条主栅线都与互连带焊接，将焊好后的主栅线和互连带作为一个整体，此整体厚度保持不变；

由于各种电阻所致相对功率损失是在除去栅线遮蔽损失后计算所得，因此总体相对功率损失表示为：

ηtotal＝ηsb+ηsf+(1-ηsb-ηsf)(ηtl+ηcf+ηrf+ηrb)。

进一步，所述前电极栅线的形状尺寸能够用a、b、wf0、wb0、nf、nb、kf、kb和s表示；对于给定的太阳能电池，边长a为确定值，待优化参数为b、wf0、wb0、nf、nb、kf、kb和s，其中，在主栅线数量nb确定的情况下，将wf0、wb0、nf、kf和kb设置为优化参数；在求解太阳能电池总体相对功率损失最小时，对参数wf0、wb0、nf、kf和kb进行了限定，每个参数都限定在一个合理的范围内，通过求解太阳能电池总体相对功率损失最小，能够得到前电极栅线的最佳形状尺寸参数，此形状尺寸对应的前电极栅线使得太阳能电池的光电转换效率最高。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明非等宽细栅线结构，由于细栅线中的电流是沿着细栅线轴向逐渐变大，细栅线宽度由窄逐渐变宽。在远离主栅线的一端细栅线宽度较小、细栅线中的电流也较小，较窄的细栅线可以保证细栅线电阻造成的功率损失不是太大的情况下，使得细栅线的遮蔽率降低、细栅线的银浆使用量减少。沿着细栅线方向，离主栅线越近，细栅线中的电流越大，细栅线的宽度也逐渐增大，这样的细栅线结构可以降低细栅线电阻造成的功率损失的同时减少细栅线银浆的使用量。

2、本发明非等宽主栅线结构，由于主栅线中的电流是沿着主栅线轴向逐渐变大，主栅线宽度由窄逐渐变宽。在主栅线宽度较小的一端主栅线中的电流较小，较窄的主栅线宽度可以保证主栅线电阻造成的功率损失不是太大的情况下，使得主栅线的遮蔽率降低、主栅线的银浆使用量减少。随着主栅线中的电流逐渐增大，主栅线的宽度也在逐渐增大，这样的主栅线结构可以降低主栅线电阻造成的功率损失的同时减少主栅线银浆的使用量。

附图说明

图1为典型等宽栅线结构太阳能电池前电极栅线布局示意图。

图2为非等宽栅线结构太阳能电池前电极栅线布局示意图。

图3为非等宽栅线结构单元电池前电极栅线主要尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明所提供的太阳能电池非等宽前电极栅线结构，包括设置在太阳能电池上表面的非等宽主栅线2和非等宽细栅线1，所有非等宽主栅线2的中心线彼此相互平行，所有非等宽细栅线1的中心线彼此相互平行，所述非等宽细栅线1与非等宽主栅线2相连，并且所述非等宽细栅线1的中心线与非等宽主栅线2的中心线相互垂直。所述非等宽主栅线2在引出电流的一端较宽，另一端较窄。所述非等宽细栅线1连接非等宽主栅线2的一端较宽，另一端较窄。

本发明还提供了一种太阳能电池非等宽前电极栅线布局方法，包括以下步骤：

1)测量所要优化的太阳能电池的技术参数，计算得到太阳能电池最大输出功率点的理想电流密度jmp^*和太阳能电池最大输出功率点的理想电压vmp^*；

2)求解太阳能电池中与前电极栅线相关的总体相对功率损失，当总体相对功率损失达到最小时，可以使得太阳能电池的光电转换效率取得最大值。

所述技术参数包括烧结后细栅线的体电阻率、主栅线与互连带焊接完成后的整体体电阻率、晶硅太阳能电池扩散层薄层电阻、细栅线与晶体硅之间的接触电阻率、细栅线宽度和厚度、主栅线宽度、主栅线与互连带的整体厚度、细栅线的数量和主栅线的数量、电池最大输出功率点的电流密度和电压。

所述太阳能电池最大输出功率点的理想电流密度jmp^*和太阳能电池最大输出功率点的理想电压vmp^*的求解过程如下：由于太阳能电池的前电极栅线是对称结构，因此可以分解成单元电池进行分析；单元电池的最大输出功率为abjmpvmp，其中a和b分别为单元电池的长和宽，jmp和vmp分别为电池最大输出功率点的电流密度和电压；除去前电极栅线遮蔽的影响，可以得到太阳能电池最大输出功率点的理想电流密度jmp^*＝jmp/(1-ηs)，其中ηs为前电极栅线的遮蔽率(主栅线和细栅线遮蔽率之和)；除去太阳能电池前表面整体串联电阻的影响，可以得到太阳能电池最大输出功率点的理想电压vmp^*＝vmp+jmpaallrall，其中aall和rall分别为太阳能电池的前表面面积和前表面整体串联电阻。

所述太阳能电池中与前电极栅线相关的总体相对功率损失包括四个方面：1)非等宽主栅线与非等宽细栅线遮蔽所致相对功率损失；2)非等宽细栅线间半导体电阻所致相对功率损失；3)非等宽细栅线与半导体接触电阻所致相对功率损失；4)非等宽主栅线与非等宽细栅线电阻所致相对功率损失；分别计算以上四个方面的相对功率损失如下：

①栅线遮蔽所致相对功率损失包括所述主栅线遮蔽所致相对功率损失ηsb和所述细栅线遮蔽所致相对功率损失ηsf，ηsb和ηsf可分别表示为

②所述细栅线间半导体电阻所致相对功率损失ηtl可表示为

③所述细栅线与半导体接触电阻所致相对功率损失ηcf可表示为

④前电极电阻所致相对功率损失包括所述细栅线自身电阻所致相对功率损失ηrf和所述主栅线自身电阻所致相对功率损失ηrb，ηrf和ηrb可分别表示为

其中，a和b分别为单元电池的长和宽，wb0为主栅线最窄处的宽度，kb为非等宽主栅线由窄变宽的斜率，wf0为细栅线最窄处的宽度，kf为非等宽细栅线由窄变宽的斜率，s为细栅线间距，jmp^*和vmp^*分别为太阳能电池最大输出功率点的理想电流密和理想电压，rs为半导体方块电阻，nf为细栅线数量，ρc为细栅线与半导体间的接触电阻率，ρf为细栅线的体电阻率，tf为细栅线的厚度，确定tf＝0.25(wf0+2kfy)，ρb为主栅线的体电阻率，tb为主栅线与互连带的整体厚度(由于每条主栅线都与互连带焊接，将焊好后的主栅线和互连带作为一个整体，此整体厚度保持不变)；

由于各种电阻所致相对功率损失是在除去栅线遮蔽损失后计算所得，因此总体相对功率损失可表示为：

ηtotal＝ηsb+ηsf+(1-ηsb-ηsf)(ηtl+ηcf+ηrf+ηrb)。

所述前电极栅线形状尺寸可用a、b、wf0、wb0、nf、nb、kf、kb和s表示；对于给定的太阳能电池，边长a为确定值，待优化参数为b、wf0、wb0、nf、nb、kf、kb和s，其中，在主栅数量nb确定的情况下，将wf0、wb0、nf、kf和kb设置为优化参数；在求解太阳能电池总体相对功率损失最小时，对参数wf0、wb0、nf、kf和kb进行了限定，每个参数都限定在一个合理的范围内。通过求解太阳能电池总体相对功率损失最小，可以得到前电极栅线的最佳形状尺寸参数，此形状尺寸对应的前电极栅线使得太阳能电池的光电转换效率最高。

在设计栅线之前，需要获取电池栅线的电阻率、细栅线与半导体间的接触电阻率、半导体方块电阻、栅线的高度和厚度、电池最大功率点的电压和电流密度。如图1所示，以一个边长为125mm的晶硅太阳能电池为优化基础。该太阳能电池的前电极栅线结构采用丝网印刷进行栅线的印制。所用电极材料为银浆，其烧结后体电阻率为3.0μω·cm。主栅线02与互连带焊接完成后的整体体电阻率为2.0μω·cm，厚度为150μm保持不变，其中，主栅线02厚度为20μm，互连带厚度为130μm。晶硅太阳能电池扩散层薄层电阻为50ω/□，细栅线01与晶体硅之间的接触电阻率为2.8μω·cm²。当主栅线数nb＝2，单元电池主栅线02宽度wb＝634μm，细栅线01宽度wf＝90μm，细栅线01厚度tf＝30μm，细栅线01数量nf＝54时，在am1.5光谱下，电池的最大功率点电压vmp为0.525v，电流密度jmp为34ma/cm²。根据公式jmp^*＝jmp/(1-ηs)和vmp^*＝vmp+jmpaallrall可以得到jmp^*＝36.15ma/cm²，vmp^*＝0.543.38v。

如图2和图3所示，为本发明所提供的太阳能电池非等宽前电极栅线结构，获得的最优前电极栅线的尺寸参数以及其相应的光电转换效率η与典型等宽电极栅线结构对比如下：

根据以上优化结果，可以看出在主栅线数为2-6时，非等宽栅线结构太阳能电池的光电转换效率相比于等宽栅线结构分别提高了0.17％、0.14％、0.12％、0.10％和0.09％。在银浆使用量方面，在主栅线数为2-6时，非等宽栅线结构太阳能电池细栅线总体积相比于等宽栅线结构太阳能电池细栅线总体积分别减少了0.73mm³、0.40mm³、0.26mm³、0.18mm³和0.13mm³。主栅线数为2-6时，非等宽栅线结构太阳能电池主栅线总体积相比于等宽栅线结构太阳能电池主栅线总体积分别减少了0.65mm³、0.56mm³、0.45mm³、0.32mm³和0.19mm³。

本发明所具有的优点和积极效果是：在不增加生产设备和额外工艺步骤、且主栅线数量相同的情况下，非等宽栅线结构太阳能电池相对于等宽栅线结构在光电转换效率提高的同时也降低了银浆的使用量，具有实际推广价值，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。