體內(nèi)和表面復(fù)合中心對單晶硅太陽電池電學(xué)性能的影響

周 濤，陸曉東，吳元慶，張金晶

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體內(nèi)和表面復(fù)合中心對單晶硅太陽電池電學(xué)性能的影響

周 濤，陸曉東，吳元慶，張金晶

（渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件詳細地分析了體內(nèi)和表面復(fù)合中心對產(chǎn)業(yè)化P型單晶硅太陽電池電學(xué)性能的影響。重點分析了當復(fù)合中心存在于太陽電池體內(nèi)和表面時，電池內(nèi)量子效率、暗電流及轉(zhuǎn)換效率的變化特點。結(jié)果表明：對于單晶硅太陽電池，存在體復(fù)合中心臨界密度（≈1×1013cm–3）和表面復(fù)合中心臨界密度（≈1×1012cm–3）。當體內(nèi)和表面復(fù)合中心密度分別小于其臨界密度時，復(fù)合中心對太陽電池內(nèi)量子效率、暗電流、短路電流密度、開路電壓及轉(zhuǎn)換效率的影響較小。但當體內(nèi)和表面復(fù)合中心密度大于其臨界密度時，隨著體內(nèi)和表面復(fù)合中心密度的增大，太陽電池電學(xué)性能隨之顯著降低。

單晶硅；太陽電池；復(fù)合中心；內(nèi)量子效率；暗電流；轉(zhuǎn)換效率

提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率是長期以來人們一直努力解決的問題[1-2]。目前，市場上銷售的太陽電池大部分是單晶硅和多晶硅太陽電池，產(chǎn)業(yè)化P型單晶硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到20.3%[3]，為進一步提高產(chǎn)業(yè)化單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，必須對太陽電池的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及制備工藝進行精細的設(shè)計和優(yōu)化。單晶硅太陽電池的光生載流子復(fù)合損耗受少子壽命的影響[4]，為實現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率，通常要求原始單晶硅材料的少子壽命越高越好。

單晶硅材料理論上具有理想的周期性結(jié)構(gòu)，但對于實際的單晶硅太陽電池，從硅材料提純、摻雜到電池的制備，會不可避免地在電池內(nèi)部或表面引入不同類型的雜質(zhì)并產(chǎn)生各種缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會引起附加勢場，形成局域化電子態(tài)，使電子和空穴束縛在雜質(zhì)和缺陷周圍，在帶隙內(nèi)形成復(fù)合中心能級[5]。復(fù)合中心能級對于電子和空穴具有差不多大小的俘獲幾率，能夠促進非平衡載流子復(fù)合（即電子、空穴成對消失），從而降低少子壽命，影響器件的電學(xué)性能。

由于半導(dǎo)體器件仿真技術(shù)具有大幅縮短研究周期、顯著降低研發(fā)成本和獲得更多器件內(nèi)部信息等方面的優(yōu)勢，因此成為器件研發(fā)過程中不可或缺的重要技術(shù)手段[4]。在半導(dǎo)體器件研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的計算機輔助設(shè)計TCAD仿真軟件具有物理模型準確且針對性好、器件結(jié)構(gòu)設(shè)定精細等優(yōu)點，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于晶硅太陽電池工藝和器件性能的仿真研究。本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件詳細地分析了P型單晶硅體內(nèi)及表面雜質(zhì)復(fù)合中心密度對太陽電池電學(xué)性能（內(nèi)量子效率、暗電流、轉(zhuǎn)換效率等）的影響。并給出太陽電池電學(xué)性能發(fā)生顯著降低時體復(fù)合中心和表面復(fù)合中心的臨界密度。本文仿真結(jié)果可為硅材料生長及后續(xù)電池加工提供參考。

1 單晶硅太陽電池參數(shù)及模型選擇

單晶硅太陽電池主要由背電極、鋁背表面場（P+區(qū)）、基區(qū)（P區(qū)）、發(fā)射區(qū)（N+區(qū)）、柵線電極及減反射膜組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為[3-4,6-8]：單元電池（柵電極中點到相鄰的發(fā)射區(qū)中點）尺寸為1 000 μm；電池上表面氮化硅減反射膜厚度為79 nm，中心波長（550 nm）折射率為2.05。背表面場表面濃度為8.15×1018cm–3，擴散深度為3.6 μm，背表面復(fù)合速率為1×104cm/s；P型單晶硅片厚度為170 μm，硼摻雜濃度為2×1016cm–3。P型單晶硅材料少子壽命為27 μs。太陽電池發(fā)射區(qū)表面濃度為1×1019cm–3，結(jié)深為0.3 μm。柵電極半寬度為30 μm；金屬電極-發(fā)射區(qū)接觸電阻率取為4.63×10–3Ω·cm2。外部并聯(lián)電導(dǎo)為0 S。電池非金屬接觸區(qū)表面復(fù)合速率與氮化硅減反射膜的鈍化效果直接相關(guān)，電池非金屬接觸區(qū)表面復(fù)合速率為1.5×103cm/s。前表面電極與硅接觸區(qū)域假設(shè)其復(fù)合速率為1×107cm/s。

圖1 單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)

載流子復(fù)合主要包含三種復(fù)合機制：①肖克萊-里德-霍爾（SRH）復(fù)合，用SRH表示其壽命。②輻射復(fù)合，用rad表示其壽命。③俄歇復(fù)合，用auger表示其壽命。有效壽命由三種復(fù)合機制決定，它們的關(guān)系為[9]：

SRH復(fù)合壽命定義為[9]：

式中：0和0分別為平衡的電子和空穴濃度；△和△分別為非平衡的電子和空穴濃度；n和p分別為電子和空穴壽命。當忽略陷阱作用時，認為△=△，p、n、1和1分別定義為[9]：

式中：n、p分別為電子和空穴的俘獲截面；th、t、i分別為熱電子發(fā)射速率、復(fù)合中心密度和本征載流子濃度。t和i分別為復(fù)合中心能級和本征費米能級。

輻射壽命定義為[9]：

式中：是輻射復(fù)合系數(shù)。

俄歇壽命為[9]：

式中：p是俄歇復(fù)合系數(shù)。

輻射復(fù)合屬于半導(dǎo)體材料的本征復(fù)合。在硅中，輻射復(fù)合基本不起作用；SRH復(fù)合是通過復(fù)合中心的間接復(fù)合過程，與雜質(zhì)或缺陷的數(shù)量、性質(zhì)有關(guān)，通常輕摻雜半導(dǎo)體材料中少子壽命主要決定于SRH復(fù)合；俄歇復(fù)合與多數(shù)載流子的濃度有關(guān)，在重摻雜半導(dǎo)體材料中少子壽命主要決定于俄歇復(fù)合。

在仿真過程中，復(fù)合模型考慮了SRH復(fù)合模型和俄歇復(fù)合模型。遷移率模型考慮了ANALYTIC模型（Analytic Low Field Mobility Model）和FLDMOB模型（Parallel Electric Field-Dependent Mobility）。ANALYTIC模型反映遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度依賴關(guān)系，是一種低場遷移率模型。FLDMOB是對平行電場依賴的遷移率模型，實現(xiàn)了遷移率在低場和高場之間的平滑過渡。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應(yīng)(BGN)和能帶簡并效應(yīng)（FERMI）。仿真測試溫度為25℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上表面入射，光強為1 000 W/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 體復(fù)合中心密度對太陽電池性能的影響

圖2為仿真得到體復(fù)合中心密度對太陽電池內(nèi)量子效率（IQE）的影響。在仿真過程中，假設(shè)體復(fù)合中心在P型單晶硅襯底中均勻分布，體復(fù)合中心對電子和空穴的俘獲截面均為5×10–17cm2，體復(fù)合中心距離導(dǎo)帶的間距為0.5 eV。體復(fù)合中心密度為變量，變化范圍為0~1×1018cm–3。由圖2可見：當體復(fù)合中心密度t≤1×1017cm–3時，隨著t的增大，300~450 nm波段范圍的太陽電池內(nèi)量子效率降低幅度較小，當復(fù)合中心密度超過1×1017cm–3時，300~450 nm波段范圍的IQE顯著降低。原因為：對于波長范圍在300~450 nm的短波長入射光，其在單晶硅材料中的吸收系數(shù)較大，吸收深度較淺，主要在電池重摻雜的發(fā)射區(qū)內(nèi)被吸收[10]。當t≤1×1017cm–3時，俄歇復(fù)合損耗是光生載流子復(fù)合損耗的主要因素，發(fā)射區(qū)中少子壽命主要由俄歇復(fù)合壽命決定。導(dǎo)致300~450 nm波段的IQE幾乎不受復(fù)合中心密度的影響。當復(fù)合中心密度超過1×1017cm–3時，發(fā)射區(qū)中SRH復(fù)合損耗不可忽略，發(fā)射區(qū)中少子壽命由SRH復(fù)合壽命和俄歇復(fù)合壽命共同決定，導(dǎo)致300~450 nm波段的IQE顯著降低。

圖2 體復(fù)合中心密度對太陽電池內(nèi)量子效率的影響

由圖2可見：對于波長大于450 nm的波段范圍，隨著體復(fù)合中心密度的增大，IQE降低。原因為：對于波長大于450 nm的入射光主要在電池襯底中被吸收。光生載流子受到SRH復(fù)合損耗的顯著影響。體復(fù)合中心密度越大，體復(fù)合中心俘獲載流子數(shù)量越多，光生載流子有效壽命越低，電池內(nèi)量子效率越低。當復(fù)合中心密度較低（＜1×1013cm–3）時，體復(fù)合中心密度的變化對電池全波段IQE的影響并不顯著，與無體復(fù)合中心理想情況（t=0 cm–3）下的IQE差別較小。同時，由表1太陽電池短路電流密度（SC）值可見：隨著體復(fù)合中心密度的增大，電池短路電流密度隨之降低。當體復(fù)合中心密度由0增大到1×1013cm–3時，電池短路電流密度僅下降0.044×10–3A/cm2。當體復(fù)合中心密度由1×1013cm–3增大到1×1014cm–3時，電池短路電流密度大幅下降，降低了0.375×10–3A/cm2。

對于太陽電池，暗電流對其電學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在開路電壓（OC）上。電池暗電流越大，開路電壓越低[12]。由SRH復(fù)合所導(dǎo)致的暗電流密度可表示為[11]：

式中：為電子電量；為電池厚度；為光生載流子俘獲截面。由式（9）可知，SRH復(fù)合導(dǎo)致的暗電流SRH與復(fù)合中心密度呈線性關(guān)系，隨著復(fù)合中心密度增大，SRH增大。

圖3為仿真得到的體復(fù)合中心密度對電池暗電流的影響。體復(fù)合中心參數(shù)的選取與仿真IQE時所選取的參數(shù)相同。由圖3可見：隨著體復(fù)合中心密度的增大，不同正向偏壓下電池的暗電流越大。當體復(fù)合中心密度較低（＜1×1013cm–3）時，由體復(fù)合中心密度的變化所引起的暗電流變化幅度較小。暗電流主要由襯底中的本征輻射復(fù)合電流決定。當體復(fù)合中心密度大于1×1013cm–3時，SRH復(fù)合電流對電池暗電流的貢獻逐漸增大。隨著體復(fù)合中心密度的增大，電池暗電流隨正向掃描電壓（0~4 V）的增大增加得越迅速。由表1電池開路電壓（OC）值可見：與短路電流密度的變化特點相同，隨著體復(fù)合中心密度的增大，電池開路電壓隨之降低。當體復(fù)合中心密度由0增大到1×1013cm–3時，電池開路電壓僅下降0.299 mV。當體復(fù)合中心密度由1×1013cm–3增大到1×1014cm–3時，電池開路電壓大幅下降，降低了2.403 mV。

圖3 體復(fù)合中心密度對太陽電池暗電流的影響

表1 體復(fù)合中心密度對太陽電池電學(xué)參數(shù)的影響

Tab.1 The influence on solar cells electrical parameters by bulk recombination center density

綜上所述，太陽電池體復(fù)合中心密度存在臨界值（≈1×1013cm–3）。當體復(fù)合中心密度小于該臨界值時，體復(fù)合中心對太陽電池電學(xué)性能的影響較小。體復(fù)合中心密度由0增大到1×1013cm–3時，電池效率僅降低0.036 6%（如表1所示）。當體復(fù)合中心密度高于臨界值時，體復(fù)合中心將嚴重制約太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高。因此，對于不同質(zhì)量的硅太陽電池原材料（如高質(zhì)量且價格昂貴的區(qū)熔單晶硅、廉價的非晶硅材料及主流的直拉單晶硅材料），其所含的復(fù)合中心密度相差較大，導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率有較大差別。對于低質(zhì)量的單晶硅原材料應(yīng)采取有效的吸雜（如磷、鋁吸雜技術(shù)、背面噴砂技術(shù)等）措施，進一步降低體復(fù)合中心密度[12]。

2.2 表面復(fù)合中心密度對太陽電池性能的影響

單晶硅表面雜質(zhì)和缺陷同樣會在禁帶中形成復(fù)合中心能級，因此太陽電池少子壽命在很大程度上也受到器件表面狀態(tài)的影響。從復(fù)合機理方面考慮，表面復(fù)合屬于SRH間接復(fù)合，因此，SRH復(fù)合理論完全可以用來處理表面復(fù)合問題[6]。對于P型太陽電池單晶硅襯底，假設(shè)表面復(fù)合中心存在于表面薄層中，單位表面積的復(fù)合中心總數(shù)為st，薄層中的平均非平衡少子電子濃度為△s。表面復(fù)合可等效為靠近表面薄層區(qū)域內(nèi)的體復(fù)合。則表面復(fù)合率可表示為[6]：

式中：n表示少子的表面復(fù)合速率。

圖4為仿真得到的表面復(fù)合中心密度對太陽電池內(nèi)量子效率的影響。在仿真過程中，假設(shè)表面復(fù)合中心在P型單晶硅表面薄層中均勻分布，表面復(fù)合中心對電子和空穴的俘獲截面為5×10–17cm2，表面復(fù)合中心距離導(dǎo)帶的間距為0.5 eV。表面復(fù)合中心密度為變量，變化范圍為0~1×1016cm–3。由圖4可見：表面復(fù)合中心對太陽電池短波段內(nèi)量子效率的影響尤為顯著。入射光波長越短，隨表面復(fù)合中心密度的增大，內(nèi)量子效率降低越明顯。原因為：對于波長較短的入射光，其在硅材料中的吸收系數(shù)較大，吸收深度較淺，受到表面復(fù)合中心的影響越大。當表面復(fù)合中心密度在0~1×1012cm–2范圍內(nèi)，隨著表面復(fù)合中心密度的增大，太陽電池內(nèi)量子效率僅有小幅度下降。由表2計算得到的短路電流值可見：當表面復(fù)合中心密度由0增大到1×1012cm–3，太陽電池短路電流密度僅減小0.047 1×10–3A/cm2。當表面復(fù)合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3（一個數(shù)量級），短路電流值出現(xiàn)較大幅度的減小，減小值為0.285 8×10–3A/cm2。

圖4 表面復(fù)合中心密度對太陽電池內(nèi)量子效率的影響

圖5為仿真得到的表面復(fù)合中心密度對太陽電池暗電流的影響。表面復(fù)合中心參數(shù)的選取與仿真IQE時所選取的參數(shù)相同。由圖3可見：隨著表面復(fù)合中心密度的增大，不同正向偏壓下電池的暗電流增大。當表面復(fù)合中心密度較低（＜1×1012cm–3）時，由表面復(fù)合中心密度的變化所引起的暗電流變化幅度較小。當表面復(fù)合中心密度大于1×1012cm–3時，隨著表面復(fù)合中心密度的增大，電池暗電流隨正向掃描電壓（0~4 V）的增大增加得越迅速。由表2電池開路電壓（OC）值可見：隨著表面復(fù)合中心密度的增大，電池開路電壓隨之降低。當體復(fù)合中心密度由0增大到1×1012cm–3時，電池開路電壓僅下降0.739 mV。當表面復(fù)合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3時，電池開路電壓下降幅度較大，減小了5.281 mV。

圖5 表面復(fù)合中心密度對太陽電池暗電流的影響

對于太陽電池，不僅存在體復(fù)合中心臨界值，而且也存在表面復(fù)合中心臨界值（≈1×1012cm–3）。當表面復(fù)合中心密度小于該臨界值時，表面復(fù)合中心對太陽電池電學(xué)性能的影響較小。當表面復(fù)合中心密度由0增大到1×1012cm–3時，電池效率僅降低0.063 2%（如表2所示）。當表面復(fù)合中心密度高于臨界值時，表面復(fù)合中心將嚴重制約太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高。當表面復(fù)合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3（增大一個數(shù)量級）時，電池效率降低了0.367 4%。因此，在產(chǎn)業(yè)化單晶硅太陽電池加工中制備表面鈍化效果優(yōu)良的鈍化膜意義重大。目前，在產(chǎn)業(yè)化單晶硅電池加工過程中，太陽電池上表面通常采用由PECVD（等離子增強化學(xué)氣相淀積）法制備得到的氮化硅薄膜作為鈍化-減反射膜[2]。電池下表面通常采用全鋁背表面場結(jié)構(gòu)或局部點接觸結(jié)構(gòu)來降低下表面復(fù)合速率[13]。另外，還應(yīng)在電池加工過程中特別注意清潔度，以確保不引入產(chǎn)生復(fù)合中心的雜質(zhì)。

表2 表面復(fù)合中心密度對太陽電池電學(xué)參數(shù)的影響

Tab.2 The influence on solar cells electrical parameters by surface recombination center density

3 結(jié)論

主要研究了P型單晶硅體內(nèi)和表面的復(fù)合中心對產(chǎn)業(yè)化太陽電池電學(xué)性能的影響，重點分析了分別存在體復(fù)合中心和表面復(fù)合中心時，太陽電池內(nèi)量子效率、暗電流及轉(zhuǎn)換效率衰減的基本特點和規(guī)律。并給出太陽電池電學(xué)性能發(fā)生躍變時的復(fù)合中心臨界密度值，為單晶硅材料生長及后續(xù)太陽電池加工提供了有意義的參考信息。

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（編輯：曾革）

Influence of bulk and surface recombination center on electrical performence of mono-crystalline silicon solar cells

ZHOU Tao, LU Xiaodong, WU Yuanqing, ZHANG Jinjing

(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China)

The influences of bulk and surface recombination center on industrialized P-type mono-crystalline silicon solar cell’s electrical performance were studied in detail by using TCAD semiconductor device simulation software. The changing characteristics of the solar cell’s internal quantum efficiency, dark current and conversion efficiency were analyzed when recombination center exists in the body and the surface of solar cell. The results show that the bulk recombination center critical density is about 1×1013material and the surface recombination center critical density is about 1×1012cm–3for the mono-crystalline silicon solar cell. When the bulk and the surface recombination center density is less than the critical density respectively, recombination center has little effect on solar cell’s internal quantum efficiency, dark current, short circuit current density, open circuit voltage and conversion efficiency. But when the bulk and the surface recombination center density is greater than the critical density, with the increase of the bulk and the surface recombination center density, solar cell’s electrical performance is significantly lowered.

mono-crystalline silicon; solar cell; recombination center; internal quantum efficiency; dark current; conversion efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.014

TM 914.4

A

1001-2028（2016）11-0067-05

2016-09-09

周濤

國家自然科學(xué)基金資助項目（No. 11304020）

周濤（1983－），男，遼寧葫蘆島人，講師，碩士，主要從事晶硅太陽能電池和功率半導(dǎo)體器件相關(guān)技術(shù)研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com。

2016-10-28 14:14:27

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.014.html