專利名稱：一種寬度漸變的柵線電極設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏電池技術領域，特別涉及一種太陽能光伏電池寬度漸變柵線電極設計方法。
背景技術：
太陽能光伏發(fā)電技術作為一種清潔可再生能源的利用方式，近幾年得到了迅猛的發(fā)展。太陽能電池表面柵線電極的結(jié)構(gòu)對電池輸出功率的影響較大，是太陽能電池設計中ー個重要的環(huán)節(jié)。在太陽能電池工作過程中，半導體薄膜中的載流子沿著與次柵電極垂直的方向傳輸至次柵電極，然后通過次柵電極傳輸至主柵電極，并通過主柵電極導出。由于電阻的存在，載流子在半導體薄膜、柵線電極以及兩者的接觸面產(chǎn)生相應的功率損失；由于柵線遮蔽的存在，部分入射太陽光不能被電池吸收利用，從而導致電池輸出功率下降。關于太陽能光伏電池表面柵線電極設計方面的研究很多，常見的方法如《Solar Cells Operating·Principles, Technology and System Applications》(Martin A. Green 編著，2010 年 I月第I版，ISBN978-7-313-06191-1)第八章所述。其中，寬度漸變的柵線電極設計過程涉及的電學參數(shù)包括最大功率點輸出電壓V和電流密度J、薄膜方阻R、薄膜與柵線接觸電阻率Q及柵線電阻率G ;涉及的尺寸參數(shù)包括電池寬度H和長度L、最小結(jié)構(gòu)單元寬度S、最小結(jié)構(gòu)單元長度T、主柵最大處寬度W與厚度F、次柵最大處寬度K與厚度C。圖I是太陽能電池表面寬度漸變的柵線電極的結(jié)構(gòu)示意圖，寬度漸變柵線電極從零寬度逐漸線性變大至某ー寬度。假定電池體材料均勻、電極構(gòu)形對稱且載流子只通過次柵電極收集(忽略主柵電極直接收集部分)，則寬度漸變的柵線電極收集載流子過程中，主柵功率損失計算公式為
r nGlsTJ Ir
_4] Vbus =%+% =+ —(I)次柵功率損失計算公式為
r nRS1J OSJ GST2J K
_6] H瑪+%+l=^T + ^7+^^7 + y (2)對于給定的電學參數(shù)和尺寸參數(shù)，利用牛頓迭代法分別求出nbus和nfing 的最小值，此時的柵線參數(shù)即為主柵和次柵的最佳尺寸。目前寬度漸變柵線電極的設計都是基于上述過程，但這些方法均存在以下四個問題I、數(shù)學物理模型與實際情況不符。(I)計算半導體傳輸損失、接觸損失、次柵傳輸損失及主柵傳輸損失時，將非光活性區(qū)(即主柵和次柵遮蔽區(qū))考慮在內(nèi)，導致計算結(jié)果偏大；(2)計算接觸損失、次柵傳輸損失及次柵遮蔽損失時，將次柵與主柵的重疊區(qū)考慮在內(nèi)，導致接觸電阻計算結(jié)果偏小、次柵傳輸電阻及次柵遮蔽面積計算結(jié)果偏大；(3)半導體薄膜產(chǎn)生的電流通過次柵匯集到主柵，而非直接匯集到主柵，因此計算主柵傳輸損失的表達式與實際情況的偏差較大。
2、最佳柵線結(jié)構(gòu)判據(jù)有誤。(I)現(xiàn)有方法是分別計算主柵和次柵最佳尺寸，忽略二者之間的關聯(lián)性。而實際情況是主柵相對功率損耗依賴于采用的次柵結(jié)構(gòu)，二者不可拆分。(2)現(xiàn)有方法中柵線只能從零寬度漸變至某ー寬度，而實際情況是柵線起始寬度為零不僅在エ藝上無法實現(xiàn)而且不利于載流子的收集。因此現(xiàn)有方法采用的判據(jù)不符合實際情況，無法得到正確結(jié)果。3、無法用于具有兩個或兩個以上未知參數(shù)時的柵線設計。計算次柵相對功率損失的數(shù)學物理模型涉及5個電學參數(shù)和5個尺寸參數(shù)，現(xiàn)有方法通過設定其中的9個參數(shù)值來求解另外ー個參數(shù)的最佳值?，F(xiàn)有方法無法解決具有兩個或兩個以上未知參數(shù)時的柵線設計問題。4、計算方法繁瑣，獲取信息量少。牛頓迭代法毎次只能獲得ー個參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果，要分析電學參數(shù)和尺寸參數(shù)對總相對功率損失的影響方式及權重，需要進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析和運算。如果利用牛頓迭代法，該過程將極其復雜和繁瑣，需要耗費大量時間和精力。由于上述問題的存在，利用現(xiàn)有方法得到的最佳柵線電極尺寸與實際情況存在較·大偏差，且無法對各參數(shù)對總相對功率損失的影響方式及權重進行細致的分析和研究。因此，提出更為精確的數(shù)學物理模型并開發(fā)先進的柵線電極設計方法及工具，是本發(fā)明要解決的重要技術問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有寬度漸變柵線電極設計方法中數(shù)學物理模型偏差大、最佳柵線結(jié)構(gòu)判據(jù)有誤、只能對單ー參數(shù)進行設計，以及計算過程復雜繁瑣等問題，提供ー種更加準確、快速、便捷的太陽能電池柵線電極設計方法。本發(fā)明在優(yōu)化現(xiàn)有數(shù)學物理模型的基礎上，采用新的判據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法對大量數(shù)據(jù)進行快速、準確的分析處理，不僅能得到更加準確的柵線電極結(jié)構(gòu)，還能得到豐富的過程信息，為寬度漸變的柵線電極設計開發(fā)提供強大的技術支持。一種寬度漸變的柵線電極設計方法，用于根據(jù)待設計太陽能電池的參數(shù)，設計所述太陽能電池的柵線電極，包括步驟(I)根據(jù)待設計太陽能電池的參數(shù)，建立柵線電極收集載流子過程產(chǎn)生的總相對功率損失的數(shù)學物理模型；(2)設置所述參數(shù)的最大值、最小值和參考間隔；(3)對給出的所述參數(shù)進行組合，根據(jù)所述數(shù)學物理模型計算出每種組合對應的總相對功率損失；(4)找出所述總相對功率損失的最小值及其對應的參數(shù)組合，所述最小值對應的參數(shù)組合即為所述太陽能電池的最優(yōu)柵線電極結(jié)構(gòu)。進ー步地，所述步驟(3)還包括步驟根據(jù)每ー個所述參數(shù)的參考間隔，為其對應的參數(shù)取值得到所述參數(shù)的所有參數(shù)值；從姆ー個所述參數(shù)中取ー個參數(shù)值進行組合,計算該組合對應的總相對功率損失;遍歷所有組合，計算出所有組合對應的總相對功率損失。
所述參考間隔為小于其對應參數(shù)的最大值的任意正數(shù)。參考間隔越小，最終設計效果越好。進ー步地，所述步驟⑷還包括步驟結(jié)合エ藝水平，選擇能夠滿足エ藝水平的，最接近總相對功率損失最小值的參數(shù)組合作為最優(yōu)柵線電極結(jié)構(gòu)?？梢杂行У亟Y(jié)合實際工程應用，設計當前エ藝條件下最優(yōu)的柵線電極結(jié)構(gòu)。所述總相對功率損失包括頂層半導體薄膜傳輸損失，半導體薄膜與次柵的接觸損失，次柵傳輸損失，次柵遮蔽損失，主柵傳輸損失和主柵遮蔽損失。所述太陽能電池的參數(shù)包括電學參數(shù)和尺寸參數(shù)，其中電學參數(shù)包括最大功率點的輸出電壓V和電流密度J、薄膜方阻R、薄膜與柵線接觸電阻率Q及柵線電阻率G ;尺寸參數(shù)包括電池寬度H和長度L、主柵數(shù)目M、主柵斜率D、主柵起始半寬度E、主柵厚度F、次柵數(shù)目N、次柵斜率A、次柵起始半寬度B、次柵厚度C。根據(jù)所述太陽能電池的電池寬度和長度，定義最小結(jié)構(gòu)單元，所述最小結(jié)構(gòu)單元
的長度T和寬度S分別為
權利要求
1.一種寬度漸變的柵線電極設計方法，用于根據(jù)待設計太陽能電池的參數(shù)，設計所述太陽能電池的柵線電極，其特征在于，包括步驟 (1)根據(jù)待設計太陽能電池的參數(shù)，建立柵線電極收集載流子過程產(chǎn)生的總相對功率損失的數(shù)學物理模型； (2)設置所述參數(shù)的最大值、最小值和參考間隔； (3)對給出的所述參數(shù)進行組合，根據(jù)所述數(shù)學物理模型計算出每種組合對應的總相對功率損失； (4)找出所述總相對功率損失的最小值及其對應的參數(shù)組合，所述最小值對應的參數(shù)組合即為所述太陽能電池的最優(yōu)柵線電極結(jié)構(gòu)。
2.如權利要求I所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，所述步驟(3)還包括步驟 根據(jù)每一個所述參數(shù)的參考間隔，為其對應的參數(shù)取值得到所述參數(shù)的所有參數(shù)值； 從每一個所述參數(shù)中取一個參數(shù)值進行組合，計算該組合對應的總相對功率損失； 遍歷所有組合，計算出所有組合對應的總相對功率損失。
3.如權利要求2所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，所述參考間隔為小于其對應參數(shù)的最大值的任意正數(shù)。
4.如權利要求I所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，所述步驟(4)還包括步驟 結(jié)合工藝水平，選擇能夠滿足工藝水平的，最接近總相對功率損失最小值的參數(shù)組合作為最優(yōu)柵線電極結(jié)構(gòu)。
5.如權利要求1-4任一權利要求所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，所述總相對功率損失包括頂層半導體薄膜傳輸損失，半導體薄膜與次柵的接觸損失，次柵傳輸損失，次柵遮蔽損失，主柵傳輸損失和主柵遮蔽損失。
6.如權利要求5所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，所述太陽能電池的參數(shù)包括電學參數(shù)和尺寸參數(shù)，其中電學參數(shù)包括最大功率點的輸出電壓V和電流密度J、薄膜方阻R、薄膜與柵線接觸電阻率Q及柵線電阻率G ;尺寸參數(shù)包括電池寬度H和長度L、主柵數(shù)目M、主柵斜率D、主柵起始半寬度E、主柵厚度F、次柵數(shù)目N、次柵斜率A、次柵起始半寬度B、次柵厚度C。
7.如權利要求6所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，根據(jù)所述太陽能電池的電池寬度和長度，定義最小結(jié)構(gòu)單元，所述最小結(jié)構(gòu)單元的長度T和寬度S分別為
8.如權利要求7所述的寬度漸變的柵線電極設計方法，其特征在于，以最小結(jié)構(gòu)單元為基本結(jié)構(gòu)建立數(shù)學物理模型，最后將最小結(jié)構(gòu)單元的長度T和寬度S的表達式代入，得到基于所述太陽能電池的參數(shù)的數(shù)學物理模型的數(shù)學表達式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬度漸變柵線電極設計方法，根據(jù)待設計太陽能電池的參數(shù)，建立柵線電極收集載流子過程產(chǎn)生的總相對功率損失的數(shù)學物理模型；設置參數(shù)的最大值、最小值和參考間隔；對給出的參數(shù)進行組合，根據(jù)數(shù)學物理模型計算出每種組合對應的總相對功率損失；找出總相對功率損失的最小值及其對應的參數(shù)組合，該最小值對應的參數(shù)組合即為所述太陽能電池的最優(yōu)柵線電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法計算量少，簡單實用，結(jié)果準確。
文檔編號H01L31/18GK102790131SQ20121028326
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權日2012年8月9日
發(fā)明者于平榮, 張曉勇, 彭海濤, 王東, 趙書力 申請人:北京大學