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摘要：单晶硅太阳能电池片因其光电转换效率高、使用寿命长等优点，在太阳能发电中的使用量日益增多。文章主要在产业化生产线中研究了单晶硅太阳能电池片的面积对其电性能的影响，研究表明：面积较大的电池片，其光电转换效率、短路电流和填充因子较大，串联电阻较小，其中短路电流和串联电阻的变化尤为显著；开路电压基本不受电池片面积的影响。
关键词：单晶硅太阳电池；电池片；硅片；光电转换效率；电性能参数
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0083-03
石油、煤炭等传统能源属不可再生能源，随着开发量的日益增大，储量逐渐下降，导致燃料价格上升，能源格局不稳定。此外，传统能源的使用常伴随着大气污染等环境问题。面临日益严峻的能源问题，受地域限制性小、环境友好的太阳能发电无疑成了可持续清洁能源的首选。目前太阳能电池市场中，晶硅太阳能电池占90%以上，而单晶硅太阳能电池片由于光电转换效率高、使用寿命长等优点，在太阳能发电中的使用量日益增多。单晶硅电池片的规格多样化，目前用于光伏电站发电的单晶太阳能电池片主要有125mm×125mm、156mm×156mm两种大类规格，本文在产业化生产线中分别对这两种规格的电池片做了对比试验，重点研究了单晶硅电池片的面积对电池电性能的影响。
1 试验过程
1.1 硅片选择
同一硅片厂家、同种方法（西门子法）制造的同等质量单晶硅片，分别选取规格为S125Φ165mm和S156Φ200mm（后面简称S125和S156）的硅片各5500片。
1.2 加工
使用125—156可相互切换的同一柔性生产线，将硅片加工成电池片。工艺流程为：清洗制绒→酸洗→扩散→刻蚀（干法）→去磷硅玻璃→镀减反射膜（PECVD）→丝网印刷→烧结→测试分选。
1.3 分析样本选取
加工完毕，在两批测试分选数据中去除异常数据后，按转换效率由高至低分别选取5000片的数据作为分析样本。
2 结果与讨论
衡量太阳能电池片发电性能的主要指标是光电转换效率Eff，而影响电池片的转换效率的主要电性能参数有：开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F.F，此外，串联电阻Rs和并联电阻Rsh对转换效率也有很大影响。由于并联电阻Rsh是一个虚拟电阻，指由p-n结的不完整性而造成p-n结的中间部分或边缘有泄漏电流产生，相当于一个泄漏电阻并联在电池的两极之间，在此将不做具体研究。表1是两种规格电池片各5000片数据电性能参数的平均值及其对比分析。
2.1 面积对短路电流和开路电压的影响
表1中S156电池片比S125电池片的Isc高3.17A，差值比例较大，为54.86%，可见电池片面积对短路电流有较大的影响；而S156电池片的Voc与S125的仅相差0.001V，差值比例为0.19%，在工艺波动的范围内。
太阳能电池的等效电路图如图1所示：
图1 太阳能电池等效电路图
当外接负载被短路，即RL=0时，V=0，流经二极管的暗电流ID可忽略不计，此时的电流I为短路电流Isc。
Iph=Ish+Isc=> （1）
由此可知，当光生电流Iph一定时，Isc的大小与串联电阻Rs和并联电阻Rsh有关。
当Rsh>Rs时，，即 （2）
其中，Jph为光生电流密度，At为包括栅线图形在内的电池片的总面积。
由式（2）可知，Isc与电池片面积有直接的关系，且随电池片面积的增大而增大。
有研究表明，当外接电路断开，即RL→+∞，I=0时，电压V为开路电压Voc。
（3）
其中Io、Jo分别为二极管反向饱和电流及其电流密度，由此可见，电池片的开路电压Voc与电池片的面积无关。由此可见，理论与实际结果统一，面积对开路电压基本没有影响。
2.2 面积对串联电阻的影响
表1中显示，S156电池片的Rs为2.51mΩ，S125电池片的Rs为4.89mΩ，其差值比例为48.8%，此数据表明，Rs受面积的影响很大。图2是5000片S156电池片（横轴0～5000）和5000片S125电池片（横轴5000～10000）的Rs散点对比图，图中可以明显看出，S156电池片的Rs值显著低于S125电池片的Rs值，且这两种电池片的Rs值分布都比较集中。
图2 156与125电池片的Rs对比图
串联电阻Rs主要由基层电阻Rb、总线电阻Rbus、栅线电阻Rf、前接触层电阻Rfc、扩散层电阻REmitter、背接触电阻Rbc六个部分组成，即：其中，L为电池片的边长，w为宽度，h为厚度，s为栅线间隔，n为栅线数，Re为扩散层电阻，Rfrontpaste为前接触电阻率，Rbackpaste为背接触电阻率。
电池片的栅线一般是由导电性能优良、电阻率极低的金属银制成，故此，总线电阻在串联电阻Rs的总值中所占的比例是极小的。因此从式（4）中可以得出，电池片的面积（约为L2）对串联电阻有很大的影响，且串联电阻随面积的增大而减小。
2.3 面积对填充因子的影响
表1显示，S156电池片比S125电池片的填充因子F.F稍高，差值比例为0.99%。填充因子的差异，很大程度上是因为受到串联电阻的影响。
图3 F.F随Rs增大的变化图
图3是F.F随Rs增大的变化趋势图，其中X轴0～5000和5000～10000分别为5000片S156和S125电池片，每个规格的电池片均按Rs数值由小到大的顺序排列，以观察对应的F.F值的变化趋势。图4中显示，S156和S125电池片的F.F数值均随Rs的增大而减小，且S156电池片的填充因子数值较S125的整体偏高，这与S156电池片的串联电阻值较S125的整体偏低相对应。因此电池片面积大小对串联电阻的影响，间接影响了填充因子，且较大的电池片面积有利于填充因子的提高。
2.4 面积对光电转换效率的影响
从表1可知S156电池片的Eff值比S125电池片的Eff值高出0.28%。相应地，在Eff对比散点图图4中（横轴0～5000和5000～10000分别表示S156和S125电池片，各5000片），S156较S125电池片的Eff值整体偏高。
图4 156与125电池片的Eff对比图
光电转换效率的计算公式如下：
（5）其中Pin为单位面积入射光功率，故此：
（6）由此可见，Eff与电池片的面积并无直接关系，但是直接影响Eff的电性能参数，尤其是填充因子F.F受面积的影响，较大面积的电池片，其填充因子较大，光电转换效率也随之增加。
3 结语
晶硅太阳能电池制造是光伏产业链中最重要的环节，不断提高电池片的光电转换效率，最大限度降低单位瓦数的生产成本，是太阳能电池片制造行业一直追求的目标。增大电池片的面积，不仅有利于提高光电转换效率和产业化生产中单位时间内的产能，而且可以减少单位瓦数电池片制造的原辅材料消耗，降低生产成本。此外，大面积电池片的使用，对于硅片生产和电池片组件生产过程中的产能提高和原辅材料节约也具有重要意义。目前已有硅片厂家适应市场需求，推出S156Φ210mm规格的单晶硅电池片。因此，随着硅片制造技术和晶硅太阳能电池制造技术的发展，电池片尺寸将不断向增大的方向发展。
参考文献
[1] 秦玲.太阳能电池基本参数的影响因素分析与研究[J].价值工程，2012，（32）.
[2] 王军，王鹤，杨宏，等.太阳电池串联电阻的一种精确算法[J].电源技术，2008，32（10）.
[3] 施玉川.太阳能基础与技术[M].西安：西安交通大学出版社，1999.
作者简介：周筱丽（1986-），女，山东鄄城人，宁夏银星能源股份有限公司技术员，工学硕士，研究方向：晶体硅太阳能电池制造及应用。
关键词：单晶硅太阳电池；电池片；硅片；光电转换效率；电性能参数
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0083-03
石油、煤炭等传统能源属不可再生能源，随着开发量的日益增大，储量逐渐下降，导致燃料价格上升，能源格局不稳定。此外，传统能源的使用常伴随着大气污染等环境问题。面临日益严峻的能源问题，受地域限制性小、环境友好的太阳能发电无疑成了可持续清洁能源的首选。目前太阳能电池市场中，晶硅太阳能电池占90%以上，而单晶硅太阳能电池片由于光电转换效率高、使用寿命长等优点，在太阳能发电中的使用量日益增多。单晶硅电池片的规格多样化，目前用于光伏电站发电的单晶太阳能电池片主要有125mm×125mm、156mm×156mm两种大类规格，本文在产业化生产线中分别对这两种规格的电池片做了对比试验，重点研究了单晶硅电池片的面积对电池电性能的影响。
1 试验过程
1.1 硅片选择
同一硅片厂家、同种方法（西门子法）制造的同等质量单晶硅片，分别选取规格为S125Φ165mm和S156Φ200mm（后面简称S125和S156）的硅片各5500片。
1.2 加工
使用125—156可相互切换的同一柔性生产线，将硅片加工成电池片。工艺流程为：清洗制绒→酸洗→扩散→刻蚀（干法）→去磷硅玻璃→镀减反射膜（PECVD）→丝网印刷→烧结→测试分选。
1.3 分析样本选取
加工完毕，在两批测试分选数据中去除异常数据后，按转换效率由高至低分别选取5000片的数据作为分析样本。
2 结果与讨论
衡量太阳能电池片发电性能的主要指标是光电转换效率Eff，而影响电池片的转换效率的主要电性能参数有：开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子F.F，此外，串联电阻Rs和并联电阻Rsh对转换效率也有很大影响。由于并联电阻Rsh是一个虚拟电阻，指由p-n结的不完整性而造成p-n结的中间部分或边缘有泄漏电流产生，相当于一个泄漏电阻并联在电池的两极之间，在此将不做具体研究。表1是两种规格电池片各5000片数据电性能参数的平均值及其对比分析。
2.1 面积对短路电流和开路电压的影响
表1中S156电池片比S125电池片的Isc高3.17A，差值比例较大，为54.86%，可见电池片面积对短路电流有较大的影响；而S156电池片的Voc与S125的仅相差0.001V，差值比例为0.19%，在工艺波动的范围内。
太阳能电池的等效电路图如图1所示：
图1 太阳能电池等效电路图
当外接负载被短路，即RL=0时，V=0，流经二极管的暗电流ID可忽略不计，此时的电流I为短路电流Isc。
Iph=Ish+Isc=> （1）
由此可知，当光生电流Iph一定时，Isc的大小与串联电阻Rs和并联电阻Rsh有关。
当Rsh>Rs时，，即 （2）
其中，Jph为光生电流密度，At为包括栅线图形在内的电池片的总面积。
由式（2）可知，Isc与电池片面积有直接的关系，且随电池片面积的增大而增大。
有研究表明，当外接电路断开，即RL→+∞，I=0时，电压V为开路电压Voc。
（3）
其中Io、Jo分别为二极管反向饱和电流及其电流密度，由此可见，电池片的开路电压Voc与电池片的面积无关。由此可见，理论与实际结果统一，面积对开路电压基本没有影响。
2.2 面积对串联电阻的影响
表1中显示，S156电池片的Rs为2.51mΩ，S125电池片的Rs为4.89mΩ，其差值比例为48.8%，此数据表明，Rs受面积的影响很大。图2是5000片S156电池片（横轴0～5000）和5000片S125电池片（横轴5000～10000）的Rs散点对比图，图中可以明显看出，S156电池片的Rs值显著低于S125电池片的Rs值，且这两种电池片的Rs值分布都比较集中。
图2 156与125电池片的Rs对比图
串联电阻Rs主要由基层电阻Rb、总线电阻Rbus、栅线电阻Rf、前接触层电阻Rfc、扩散层电阻REmitter、背接触电阻Rbc六个部分组成，即：其中，L为电池片的边长，w为宽度，h为厚度，s为栅线间隔，n为栅线数，Re为扩散层电阻，Rfrontpaste为前接触电阻率，Rbackpaste为背接触电阻率。
电池片的栅线一般是由导电性能优良、电阻率极低的金属银制成，故此，总线电阻在串联电阻Rs的总值中所占的比例是极小的。因此从式（4）中可以得出，电池片的面积（约为L2）对串联电阻有很大的影响，且串联电阻随面积的增大而减小。
2.3 面积对填充因子的影响
表1显示，S156电池片比S125电池片的填充因子F.F稍高，差值比例为0.99%。填充因子的差异，很大程度上是因为受到串联电阻的影响。
图3 F.F随Rs增大的变化图
图3是F.F随Rs增大的变化趋势图，其中X轴0～5000和5000～10000分别为5000片S156和S125电池片，每个规格的电池片均按Rs数值由小到大的顺序排列，以观察对应的F.F值的变化趋势。图4中显示，S156和S125电池片的F.F数值均随Rs的增大而减小，且S156电池片的填充因子数值较S125的整体偏高，这与S156电池片的串联电阻值较S125的整体偏低相对应。因此电池片面积大小对串联电阻的影响，间接影响了填充因子，且较大的电池片面积有利于填充因子的提高。
2.4 面积对光电转换效率的影响
从表1可知S156电池片的Eff值比S125电池片的Eff值高出0.28%。相应地，在Eff对比散点图图4中（横轴0～5000和5000～10000分别表示S156和S125电池片，各5000片），S156较S125电池片的Eff值整体偏高。
图4 156与125电池片的Eff对比图
光电转换效率的计算公式如下：
（5）其中Pin为单位面积入射光功率，故此：
（6）由此可见，Eff与电池片的面积并无直接关系，但是直接影响Eff的电性能参数，尤其是填充因子F.F受面积的影响，较大面积的电池片，其填充因子较大，光电转换效率也随之增加。
3 结语
晶硅太阳能电池制造是光伏产业链中最重要的环节，不断提高电池片的光电转换效率，最大限度降低单位瓦数的生产成本，是太阳能电池片制造行业一直追求的目标。增大电池片的面积，不仅有利于提高光电转换效率和产业化生产中单位时间内的产能，而且可以减少单位瓦数电池片制造的原辅材料消耗，降低生产成本。此外，大面积电池片的使用，对于硅片生产和电池片组件生产过程中的产能提高和原辅材料节约也具有重要意义。目前已有硅片厂家适应市场需求，推出S156Φ210mm规格的单晶硅电池片。因此，随着硅片制造技术和晶硅太阳能电池制造技术的发展，电池片尺寸将不断向增大的方向发展。
参考文献
[1] 秦玲.太阳能电池基本参数的影响因素分析与研究[J].价值工程，2012，（32）.
[2] 王军，王鹤，杨宏，等.太阳电池串联电阻的一种精确算法[J].电源技术，2008，32（10）.
[3] 施玉川.太阳能基础与技术[M].西安：西安交通大学出版社，1999.
作者简介：周筱丽（1986-），女，山东鄄城人，宁夏银星能源股份有限公司技术员，工学硕士，研究方向：晶体硅太阳能电池制造及应用。