电极

电极表示从太阳能电池中抽取电流的金属结构。电极的定义既包括金属元件的几何形状，也包括电极与下方基底之间接触界面的性质。

电极可以仅在主吸收体的正面和背面定义，主吸收体通常是制备太阳能电池的硅片。

修改电极定义会同时影响 SunSolve Power 报告的串联电阻和光学损失指标，因此这些设置的影响会反映在电学和光学输出参数中。

配置和栅线元件

接触配置有两种选项：

1. “正面和背面”：允许在正面和/或背面定义经典的 H 形栅线。
2. “交指式，单元栅线定义”：两个接触均应用于背面，采用交指式设计。

方向

栅指方向、汇流条方向和焊带方向设置定义了每个元件长轴在 SunSolve Power 使用的全局 $X$–$Y$ 坐标系中的方向。

$X$–$Y$ 坐标系在整个仿真中保持一致。改变元件的方向会在这个固定的坐标系内旋转该元件；它不会重新定义坐标轴本身。

您可以改变元件的方向，但始终适用以下约束：

1. 栅指和汇流条始终相互正交，因此它们的方向始终相差 90°。
2. 汇流条和焊带始终共享相同的方向。

正面和背面配置

在此配置中，可以在”太阳能电池”层的正面和背面定义金属电极。每个电极有三种可能的布局：(1) 栅线（grid）、(2) 覆盖层（coating）和 (3) 无（none）。

**栅线（Grid）**电极表示太阳能电池电极的标准 H 形栅线设计。它由一组栅指组成，栅指与一系列汇流条相互垂直排列。栅指和汇流条都延伸至基底的整个宽度（即直至晶圆边缘）。这种配置通常用于常规或 PERC 太阳能电池的正面电极，以及双面电池的正面和背面电极。需要注意的是，SunSolve 允许用户将栅指数量和/或汇流条数量设为零，从而有效地从栅线设计中移除这些元件。

**覆盖层（Coating）**电极表示整个表面被电极完全覆盖的情况。它由一系列汇流条以及每个汇流条之间的连续金属层组成。这种配置通常用于模拟常规丝网印刷或老式 PERC 太阳能电池的背面。需要注意的是，覆盖层会一直延伸到晶圆边缘，无法在边缘处定义间隙。

所有配置都允许定义电池的互连焊带（有时称为”tabbing”）。焊带与汇流条沿同一方向排列。焊带的长度与单元电池的范围相同（即晶圆尺寸加上任何周围区域）。焊带可以施加在太阳能电池的正面和背面。在常规太阳能电池中，通常每根汇流条正上方有一根焊带，因此焊带和汇流条在空间上对齐，但在 SunSolve 中，可以定义任意数量的汇流条或焊带。

需要注意的是，电极中还包含焊盘（pads，例如焊带与汇流条之间的焊接点），如栅线计算器中所述。焊盘的输入会影响电学计算（即栅线电阻），但不会影响光学计算。就光学而言，焊盘与汇流条具有相同的宽度和材料。

交指式单元栅线定义

该电极图案基于经典的全背接触太阳能电池设计，该设计是在该技术发展的早期阶段引入的（通常每个接触有一个汇流条）。它等效于原始栅线计算器中实现的交指式图案。

汇流条位于电池的最边缘，当每个电极有多个汇流条时，它们在晶圆上均匀分布。每根汇流条都有一组栅指，栅指延伸到对面电极的汇流条处（它们交指但不形成电接触）。栅指属于外电极（在电池边缘有第一根和最后一根栅指）或内电极。外电极的栅指总是比内电极多一根。

下图显示了单元栅线定义的交指式示例，具有一个汇流条、十根外栅指和九根内栅指。外电极以黄色显示，内电极以灰色显示。

汇流条定义

单元栅线包含两根汇流条：一根用于外电极，一根用于内电极。这些汇流条位于单元栅线的边界处。

当电池有多个单元栅线时，这会增加汇流条的数量，但不会改变每个汇流条的栅指数量。

在背面，汇流条在内电极和外电极之间交替，因此图案始终是”内→外→内→外”，依此类推。当定义多个汇流条时，单元栅线（如单汇流条情况所示）会重复出现。

示例：2 个单元栅线

下图显示了具有两个单元栅线（即两个汇流条）的电池。因此：

• 外电极（黄色）有两根汇流条，位于电池边缘，
• 内电极（灰色）也有两根汇流条，它们在电池中部相邻，因此看起来像一根宽度为两倍的单个汇流条。

示例：3 个单元栅线

下图显示了具有三个单元栅线（即三个汇流条）的电池。因此：

• 外电极（黄色）有三根汇流条，其中两根相邻，因此图案看起来是边缘处有一根常规厚度的汇流条，靠近中心处有一根双倍厚度的汇流条，
• 内电极（灰色）也有三根汇流条，排列方式使得整个电池保持”内→外→内→外”的图案。

强调定义：“内”和”外”指的是栅指图案，而不是汇流条图案。外电极的外栅指位于电池边缘，这就是为什么外电极的栅指总是比内电极多一根。

焊带定义

互连焊带可以选择性地应用于叉指单元栅线电极。启用焊带后，它们被放置在单元栅线的边界处——即汇流条所在的位置。

对于具有 $N$ 个单元栅线的电池，整个电池上的焊带位置总数为 $N + 1$（每个单元栅线边界一个）。每个位置上，焊带属于在该位置有汇流条的电极。因此，外电极和内电极各有 $N$ 条焊带。

与汇流条类似，电池边缘的焊带宽度为 $W_\mathrm{R}$，电池中部两个单元栅线交汇处的焊带宽度为 $2 W_\mathrm{R}$。

焊带与汇流条共享相同的取向，并沿单元电池的全长延伸（即硅片高度加上任何电池间距）。焊带的宽度和高度独立于汇流条尺寸，由用户单独定义。内电极和外电极使用相同的焊带定义。

栅指、汇流条和焊带宽度定义

汇流条宽度定义了单元栅线内每根汇流条的宽度。电池边缘的汇流条宽度为 $W_\mathrm{B}$，通过电池中部的汇流条（单元栅线反射的位置）宽度为 $2 W_\mathrm{B}$。

同样，焊带宽度定义了单元栅线内每条焊带的宽度。电池边缘的焊带宽度为 $W_\mathrm{R}$，通过电池中部的焊带宽度为 $2 W_\mathrm{R}$。焊带宽度独立于汇流条宽度。

栅指宽度定义了电池中部栅指的宽度。电池边缘的外栅指宽度为此宽度的一半。

用户可以为内电极和外电极定义不同的栅指宽度。

如图所示，栅指的布局使得电池边缘沿外栅指的中心轴通过。换句话说，电池边缘的外栅指宽度为名义栅指宽度的一半。

单元栅线内的总栅指宽度为

$$W_{\mathrm{f,total}} = N_{\mathrm{F,inner}} \,\bigl( W_{\mathrm{F,inner}} + W_{\mathrm{F,outer}} \bigr)$$

其中：

• $N_{\mathrm{F,inner}}$ 是内栅指数量，
• $W_{\mathrm{F,inner}}$ 是内栅指宽度，
• $W_{\mathrm{F,outer}}$ 是外栅指宽度。

保持共同的栅指间隙宽度。用户界面中显示的间隙宽度计算为

$$W_{\mathrm{G}} = \frac{W_{\mathrm{cell}} - W_{\mathrm{f,total}}}{2 N_{\mathrm{F,inner}}}$$

其中 $W_{\mathrm{cell}}$ 是电池宽度。

在光学模型中，栅指和它所连接的汇流条之间没有间隙；金属被视为连续区域。然而，在电学上，一个电极的栅指仍然在到达对面电极的汇流条之前以间隙终止，因此两个电极保持隔离。在光学几何中省略这些小间隙简化了光线追迹，而不会改变栅线电阻的计算方式。

栅线元件的横截面

栅指允许采用多种横截面轮廓。其尺寸定义见下图。“PseudoRectangular”（伪矩形）横截面（在用户界面中标记为圆角矩形）推荐用于模拟典型丝网印刷栅指。它由两个四分之一圆和一个矩形构成，并有两种变体：(a) 宽截面，当 $W > 2H$ 时；(b) 窄截面，当 $W < 2H$ 时。当 $W = 2H$ 时，其截面为半圆形。

SunSolve 强制汇流条的横截面轮廓为矩形。

焊带允许八种横截面轮廓。其中七种的尺寸定义见下图。矩形截面的焊带可以带有纹理，纹理位于远离太阳能电池的一侧。

焊带允许的最后一种横截面称为 “triple-arc”（三弧）型，其由六个输入参数定义，因此需要一幅更大的图像：

这些图像的方向使得太阳能电池表面位于每个图的底部，因此在可视化背面电极时它们看起来是倒置的。对于背面电极，几何形状是镜像的，但朝向太阳能电池的一侧保持不变；例如，半椭圆形焊带的平面始终朝向太阳能电池。

接触区（Contacts）

太阳能电池的**接触区（contacts）**是指电极与基底之间形成电学连接的区域。

在某些电池中（例如传统丝网印刷电池），接触区覆盖电极与基底之间的整个界面（全面积接触）；而在 PERC 等电池中，接触仅发生在电极下方某些局部位置（局部接触）。

下图给出了具有 (i) 全面积接触和 (ii) 局部接触两种情况的电极截面示例。

SunSolve 支持多种接触图案。接触图案可以是全面积接触，也可以由线状或点状接触组成。

选择线状图案时，对于覆盖层（coating）表示周期性分布的接触线，而对于栅指或汇流条则表示单条居中的接触线。选择点状图案时，接触点可以是圆形或矩形，并可以排布为 XY 网格或等间距图案。下图展示了各类接触图案示意。

在 SunSolve 中，接触图案会影响太阳能电池的光学行为，但不会改变金属电极的电阻。若需考虑接触区电流拥挤效应，可相应提高串联电阻的取值。

光学性质

每个电极元件（栅指、汇流条、覆盖层）的光学性质和界面可以单独定义。这些性质会影响光线追迹，但对电阻计算没有影响。

接触区的光学输入可以通过两种方式访问：在 “Layers” 标签页中点击太阳能电池的正面或背面表面，或在 “Electrodes” 标签页中点击 “Define front/rear electrode”。

光学材料（Optical material） 光学材料定义电极元件的折射率，$n(\lambda)$ 和 $k(\lambda)$。可以从已发布 $n(\lambda)$ 和 $k(\lambda)$ 数据的材料库中选择相应材料，也可以上传自定义的 $n(\lambda)$ 与 $k(\lambda)$ 数据。

电极界面（Electrode interfaces） 每个电极元件（栅指、汇流条、覆盖层）的光学性质也需要定义。通常包含两个或三个界面：

• 外侧界面，朝向太阳能电池基底外侧，
• 接触界面，定义电极与电池之间形成电学接触的区域，以及
• 非接触界面，定义电极与基底之间不形成电学接触的区域（对全面积接触图案而言无关）。

对于栅指和汇流条电极（不包括覆盖层电极），用户还需要定义电极之间暴露基底区域的界面。

下图示意了与某一基底表面及其电极相关的各个界面。

对于每个界面，用户需要定义：

• 散射特性；以及
• 是由用户直接给出界面的反射率、吸收率和透射率（RAT），还是让 SunSolve 根据元件材料及其薄膜堆叠的光学性质，利用菲涅耳和薄膜方程自行计算。

焊带的界面定义方式与上述类似，只是 (i) 远离电池的一侧表面可以具有纹理；(ii) 焊带各侧面采用相同的界面定义。

下面给出两个示例，说明如何组合电极与基底界面来表示常见的太阳能电池结构。

示例 1： 丝网印刷太阳能电池的正面

正面可以定义为具有银（Ag）栅线，在电极下方没有任何薄膜，而在栅指之间覆盖一层 SiNₓ。虽然图中未画出，但基底表面通常会具有正立金字塔纹理。

示例 2： PERC 太阳能电池的背面

背面可以定义为一层铝（Al）覆盖层，其中除点接触区域外，铝层与基底之间由 SiNₓ/Al₂O₃ 薄膜堆叠隔开；在点接触处，界面由一层薄的 AlSi 共晶层构成。

电学性质

对于每个元件，用户还可以定义其电学性质，包括金属电阻率和电极电阻率等。这些数值仅用于计算栅线的电学电阻，对光学性能没有影响。