T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池的輸出特性研究①

周 濤 陸曉東 吳元慶 李 媛

(渤海大學(xué)新能源學(xué)院 錦州 121000)

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T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池的輸出特性研究①

周 濤②陸曉東 吳元慶 李 媛

(渤海大學(xué)新能源學(xué)院 錦州 121000)

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對(duì)具有T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池進(jìn)行了仿真研究。全面系統(tǒng)地分析了在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)太陽電池外量子效率、短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。仿真結(jié)果表明：采用T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)可在一定程度上提高常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池的電學(xué)性能；T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)700～1200nm長波段入射光的外量子效率具有明顯的改善作用；當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，太陽電池短路電流密度、填充因子均隨T型發(fā)射區(qū)深度的增大而增大，而開路電壓隨T型發(fā)射區(qū)深度的增大而減??；當(dāng)T型發(fā)射區(qū)深度大于80μm時(shí)，對(duì)于低襯底少子壽命的單晶硅太陽電池，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)其轉(zhuǎn)換效率的改善效果最為顯著。

單晶硅， 太陽電池， 發(fā)射區(qū)， 深度， 少子壽命， 轉(zhuǎn)換效率， 量子效率

0 引 言

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(chǎng)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(dá)到20.3%[2]，如果想進(jìn)一步提高單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，必須對(duì)單晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[3-10]。由于發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單晶硅太陽電池的光生載流子復(fù)合損耗及串聯(lián)電阻損耗均具有較大的影響，因而從理論上深入研究發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)太陽電池輸出特性的影響，對(duì)提高電池轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。

目前在晶硅太陽電池研究領(lǐng)域廣泛使用的模擬軟件(如PC1D、AMPS1D等)只能對(duì)太陽電池進(jìn)行一維器件仿真，無法對(duì)選擇性發(fā)射極電池、背接觸太陽電池、金屬環(huán)繞穿通電池、發(fā)射極環(huán)繞穿通電池等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效電池進(jìn)行精確仿真。在半導(dǎo)體器件研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(technology computer aided design, TCAD)仿真軟件具有物理模型準(zhǔn)確且針對(duì)性好、器件結(jié)構(gòu)設(shè)定精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)[3]，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)體器件仿真軟件對(duì)一種較為新穎的T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究。T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)與選擇性發(fā)射極太陽電池相似。目前，關(guān)于該特殊發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)太陽電池的研究鮮見報(bào)道。本文通過T型發(fā)射區(qū)太陽電池與常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池輸出特性的對(duì)比，全面系統(tǒng)地分析了在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)單晶硅太陽電池外量子效率、短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。本文仿真結(jié)果可為單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有意義的參考信息。

1 T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型及參數(shù)選擇

產(chǎn)業(yè)化N+-P-P+型單晶硅太陽電池的一維短路電流可表示為[11]

(1)

(2)

式中，ISCp表示N+發(fā)射區(qū)中少子空穴的短路電流，ISCn表示P型襯底中少子電子的短路電流。AE表示發(fā)射結(jié)面積。Lp和Ln分別表示發(fā)射區(qū)和襯底中的少子擴(kuò)散長度，Dp和Dn分別表示發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少子擴(kuò)散系數(shù)。SF和SB分別表示上、下表面復(fù)合速率。xn表示發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)在發(fā)射區(qū)一側(cè)的展寬，xp表示發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)在襯底一側(cè)的展寬。Wn為發(fā)射結(jié)結(jié)深，Wp為襯底厚度。其余參數(shù)在分析過程中可認(rèn)為是常量。太陽電池總的短路電流ISC為ISCn與ISCp兩者之和。由式(1)、(2)可見，電池短路電流與發(fā)射結(jié)面積成正比，因此，為增大短路電流，可提高太陽電池的發(fā)射結(jié)面積。

太陽電池開路電壓VOC可表示為[11]

(3)

(4)

(5)

式中，I0為太陽電池反向飽和電流。IL為太陽電池光生電流。n為與發(fā)射區(qū)摻雜濃度相關(guān)的常數(shù)。I0n為P型襯底中少子飽和電流，I0p為N+發(fā)射區(qū)中少子飽和電流。太陽電池總的反向飽和電流為I0n與I0p兩者之和。由式(3)可知，電池開路電壓受到電池的反向飽和電流影響，反向飽和電流越大，電池開路電壓越小。由式(4)和式(5)可見，發(fā)射結(jié)面積AE越大，電池反向飽和電流越大。因此，增大發(fā)射結(jié)面積，會(huì)對(duì)電池開路電壓產(chǎn)生不利影響。

T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池的二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了使仿真結(jié)果具有實(shí)際參考意義，T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池制備工藝應(yīng)與產(chǎn)業(yè)化低成本太陽電池工藝(如熱擴(kuò)散工藝、絲網(wǎng)印刷工藝等)兼容。電池結(jié)構(gòu)參數(shù)如下[2-6,12,13]：單元電池(柵電極中點(diǎn)到相鄰的發(fā)射區(qū)中點(diǎn))尺寸為1000μm；為降低電池上表面入射光的反射損耗，電池上表面采用金字塔絨面結(jié)構(gòu)和氮化硅單層減反射膜。金字塔絨面高為3μm，金字塔側(cè)面與底面夾角為54.7°，減反射膜厚度為79nm，中心波長(550nm)折射率為2.05。為降低電池背表面復(fù)合速率，同時(shí)提高光生載流子的收集效率，在太陽電池中采用背表面場(chǎng)(P+)結(jié)構(gòu)。背表面場(chǎng)表面峰值濃度為8.15×1018/cm3，擴(kuò)散深度為3.6μm，背表面復(fù)合速度為9×104cm/s；為保證電池片的機(jī)械強(qiáng)度及長波段入射光的吸收效果，基片采用厚度為170μm的P型單晶硅片，摻雜濃度為2×1016/cm3，少子壽命為變量，變化范圍為10～1000μs。綜合考慮柵線電極—發(fā)射區(qū)的接觸電阻及電池的短波響應(yīng)，發(fā)射區(qū)(N+)表面濃度為1×1019/cm3，結(jié)深為0.3μm。借鑒產(chǎn)業(yè)化選擇性發(fā)射極太陽電池結(jié)構(gòu)及制備工藝，將T型發(fā)射區(qū)設(shè)置于細(xì)柵電極正下方。T型發(fā)射區(qū)半寬度為0.3μm，深度(de)為變量，變化范圍為0～160μm。柵電極半寬度為30μm；金屬電極-發(fā)射區(qū)接觸電阻率(ρC)與發(fā)射區(qū)表面濃度有關(guān)[11]，ρC值取為4.63×10-3Ω.cm2。假設(shè)外部并聯(lián)電導(dǎo)為0S。電池非金屬接觸區(qū)表面復(fù)合速率與減反射膜的鈍化效果直接相關(guān)[12]，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)合速度為1×107cm/s。在器件仿真過程中，物理模型選擇漂移-擴(kuò)散模型，該模型由泊松方程及電子空穴的連續(xù)性方程組成。載流子復(fù)合模型采用與摻雜濃度相關(guān)的俄歇復(fù)合模型和Shockley-Read-Hall復(fù)合模型。遷移率模型采用與摻雜濃度相關(guān)的遷移率模型。有效本征態(tài)密度采用重?fù)诫s導(dǎo)致的帶隙變窄模型。模擬測(cè)試條件為：25℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上表面入射，光強(qiáng)為1000 W/m2。

圖1 T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)

2 T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)太陽電池輸出特性的影響

圖2為計(jì)算得到的在不同襯底少子壽命的情況下，T型發(fā)射區(qū)太陽電池與常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池(結(jié)構(gòu)參數(shù)取值與T型發(fā)射區(qū)太陽電池相同)外量子效率的差值。由圖2可見：當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)700～1200nm的長波段入射光的外量子效率具有明顯的改善作用。T型發(fā)射區(qū)深度越大，改善效果越顯著。隨著襯底少子壽命的增大，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池長波段外量子效率的改善效果減弱。原因是：由于不同波長的入射光在晶硅電池中的吸收深度不一樣，晶硅電池對(duì)短波長光的吸收系數(shù)較大，吸收深度較淺。對(duì)于波長較短(<700nm)的可見光波段，吸收深度為0.1～10μm。這一范圍與目前常規(guī)均勻發(fā)射結(jié)太陽電池的內(nèi)建電場(chǎng)范圍對(duì)應(yīng)，因此，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池短波段入射光外量子效率的改善作用較小。對(duì)于波長在700nm<λ≤1200nm范圍的長波段入射光，吸收深度為10μm～1m。采用T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)可縮短光生載流子輸運(yùn)至發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)邊界的路徑長度，增強(qiáng)了光生載流子的收集效率。因此，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池長波段入射光外量子效率的改善作用較明顯。T型發(fā)射區(qū)深度越大，對(duì)常規(guī)電池長波段外量子效率的改善效果越顯著。隨著襯底少子壽命的增大，少子擴(kuò)散長度(Ln)隨之增大(當(dāng)τn=10μs時(shí)，Ln=159.8μm；當(dāng)τn=1000μs時(shí)，Ln=1443μm)，當(dāng)少子擴(kuò)散長度達(dá)到或超過光生載流子的輸運(yùn)路徑長度時(shí)，將大大降低光生載流子在輸運(yùn)過程中的復(fù)合損耗。因此，當(dāng)襯底少子壽命較高時(shí)，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)電池長波波段外量子效率的改善效果明顯減弱。

(a) τn=10μs

(b) τn=100μs

(c) τn=1000μs

圖2 在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池外量子效率的影響

由于短路電流密度是全部入射光波段貢獻(xiàn)的總和，且T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)改善了常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池的長波段外量子效率，因此，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)可提高常規(guī)電池的短路電流密度。圖3為計(jì)算得到的在不同襯底少子壽命情況下，T型發(fā)射區(qū)太陽電池與常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池短路電流密度的差值，常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池短路電流密度表示為JSC0。由圖3可見：當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，T型發(fā)射區(qū)深度越大，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)電池短路電流密度的改善效果越顯著。隨著襯底少子壽命的增大，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)電池短路電流密度的改善效果減弱。

圖3 在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池短路電流密度的影響

圖4為計(jì)算得到的在不同襯底少子壽命的情況下，T型發(fā)射區(qū)太陽電池與常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池開路電壓的差值，常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池開路電壓表示為VOC0。表1為計(jì)算得到的在不同襯底少子壽命和T型發(fā)射區(qū)深度的情況下，電池開路電壓值。由圖4可見，當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，隨著T型發(fā)射區(qū)深度的增大，電池開路電壓減小。襯底少子壽命越小，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)電池開路電壓的影響越顯著。原因是：影響太陽電池開路電壓的主要因素之一是反向飽和電流Io。當(dāng)太陽電池材料及光照條件確定時(shí)，開路電壓隨著反向飽和電流的增加而減小。當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，T型發(fā)射區(qū)深度越大，發(fā)射結(jié)有效面積越大，反向飽和電流隨正向電壓的變化增加得越迅速，從而導(dǎo)致電池VOC越??；當(dāng)T型發(fā)射區(qū)深度一定時(shí)，反向飽和電流與少數(shù)載流子在太陽電池中的復(fù)合速率有關(guān)。襯底少子壽命越小，光生載流子在輸運(yùn)過程中的復(fù)合損耗越大，電池反向飽和電流隨正向電壓的變化增加得越迅速。因此，襯底少子壽命越小，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)開路電壓的影響越顯著。

圖4 在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池開路電壓的影響

表1 在不同少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)太陽電池開路電壓的影響

圖5為計(jì)算得到的在不同襯底少子壽命的情況下，T型發(fā)射區(qū)太陽電池與常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池填充因子的差值，常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池填充因子表示為FF0。由圖5可見：當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，T型發(fā)射區(qū)深度越大，T型發(fā)射區(qū)太陽電池的填充因子越大。原因是：填充因子FF主要與太陽電池的串聯(lián)電阻損耗有關(guān)，串聯(lián)電阻損耗越大，填充因子越小。由于產(chǎn)業(yè)化常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池的單元面積較大，電池片較厚，因此，對(duì)于長波段(>700nm)入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子，需要擴(kuò)散輸運(yùn)較長的距離才能到達(dá)電池上表面發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)邊界(如圖6中路徑①所示)。太陽電池單元面積越大，晶硅材料電阻率越高，由光生載流子傳輸引起的串聯(lián)電阻損耗越大。而對(duì)于T型發(fā)射區(qū)單晶硅太陽電池，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)可視為光生載流子的低阻導(dǎo)電通道，一部分光生載流子可經(jīng)由低阻T型發(fā)射區(qū)輸運(yùn)至電池上表面被收集(如圖6中路徑②所示)。因此，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)可減小光生載流子在高阻電池體區(qū)中的傳輸距離，從而降低由光生載流子輸運(yùn)引起的串聯(lián)電阻損耗。T型發(fā)射區(qū)深度越大，太陽電池串聯(lián)電阻損失越小，對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池填充因子的改善效果越顯著。

圖5 在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池填充因子的影響

圖6 具有T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)的晶硅太陽電池襯底中光生載流子傳輸路徑示意圖

當(dāng)T型發(fā)射區(qū)深度一定時(shí)，令短路電流密度、開路電壓、填充因子相比于常規(guī)電池情況的變化量分別為△JSC、△VOC及△FF，則T型發(fā)射區(qū)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率可表示為[14]

(6)

其中：JSC0、VOC0及FF0分別表示常規(guī)電池的短路電流密度、開路電壓及填充因子。Pin為單位面積入射光的功率。T型發(fā)射區(qū)太陽電池Eff由(JSC0+△JSC)、(VOC0-△VOC)及(FF0+△FF)三者的乘積決定，乘積越大，Eff越大。表2為計(jì)算得到的在不同襯底少子壽命情況下，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽電池轉(zhuǎn)換效率(Eff)的影響。由表2可知，在不同襯底少子壽命的情況下，電池效率隨著T型發(fā)射區(qū)深度的變化呈現(xiàn)出相同的變化特點(diǎn)：當(dāng)T型發(fā)射區(qū)深度較小(<40μm)時(shí)，隨著T型發(fā)射區(qū)深度的增加，Eff增大；當(dāng)發(fā)射區(qū)深度在40μm

表2 在不同少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響

圖7 在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響

綜上所述，在常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電池電學(xué)性能產(chǎn)生重要影響：

(1) 采用T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)有利于常規(guī)電池長波段量子效率的提升，從而提高電池短路電流。

(2) 采用T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)有利于常規(guī)電池串聯(lián)電阻損耗的降低，從而提高電池填充因子。

(3) 采用T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)有利于常規(guī)電池轉(zhuǎn)換效率的提高。

(4) 單元電池平面發(fā)射結(jié)面積越大(T型發(fā)射區(qū)結(jié)面積占總發(fā)射結(jié)面積的比值越小)，T型發(fā)射區(qū)對(duì)電池反向飽和電流的貢獻(xiàn)越小，對(duì)電池開路電壓的影響越小。

3 結(jié) 論

本研究利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對(duì)具有T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池進(jìn)行了仿真研究，全面系統(tǒng)地分析了在不同襯底少子壽命情況下，不同T型發(fā)射區(qū)深度對(duì)太陽電池外量子效率、短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。仿真結(jié)果表明：T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)700～1200nm長波段入射光的外量子效率具有明顯的改善作用。T型發(fā)射區(qū)深度越大，襯底少子壽命越小，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)均勻發(fā)射區(qū)太陽電池短路電流密度、開路電壓及填充因子的影響越顯著。當(dāng)襯底少子壽命一定時(shí)，太陽電池短路電流密度、填充因子均隨T型發(fā)射區(qū)深度的增大而增大，而開路電壓隨T型發(fā)射區(qū)深度的增大而減小。當(dāng)T型發(fā)射深度大于80μm時(shí)，隨著T型發(fā)射區(qū)深度的增大，T型發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)由低少子壽命的單晶硅襯底材料制備得到的太陽電池轉(zhuǎn)換效率的改善效果最為顯著。

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Output characteristic of mono-crystalline silicon solar cells with T-type emitter structure

Zhou Tao, Lu Xiaodong, Wu Yuanqing, Li Yuan

(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000)

The simulation study of mono-crystalline silicon solar cells with the T-type emitter structure was carried out by using the TCAD semiconductor device simulation software. The influences of the T-type emitter’s depth on the external quantum efficiency, short circuit current density, open-circuit voltage, fill factor and conversion efficiency of the solar cells under different substrate minority carrier lifetimes were analyzed comprehensively and systematically. The simulation results show that the electrical properties of a conventional solar cell using uniform emitter can be improved to a certain extent by using the T-type emitter structure, and the T-type emitter structure can significantly improve the external quantum efficiency of the long wave incident light of 700～1200nm. When the substrate minority carrier has a certain lifetime, the short circuit current density and the fill factor of a solar cell increase with the increase of T-type emitter structure’s depth, while the open circuit voltage decreases with the increase of T-type emitter structure’s depth. When the depth of the T-type emitter structure is greater than 80μm, the T-type emitter structure can improve the conversion efficiency of the mono-crystalline silicon solar cell with the lower substrate minority carrier lifetime most significantly.

mono-crystalline silicon, solar cell, emitter, depth, minority carrier lifetime, conversion efficiency, quantum efficiency

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.03.012

①國家自然科學(xué)基金(11304020)資助項(xiàng)目。

2015-12-14)

②男，1983年生，碩士，講師；研究方向：晶硅太陽能電池和功率半導(dǎo)體器件相關(guān)技術(shù)方面的研究；聯(lián)系人，E-mail: bhuzhoutao@163.com(