高效單晶硅太陽電池基區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

周 濤，陸曉東，吳元慶，夏婷婷

(渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

高效單晶硅太陽電池基區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

周 濤，陸曉東，吳元慶，夏婷婷

(渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

首先利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件全面系統(tǒng)地分析了在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對常規(guī)P型單晶硅太陽電池輸出特性的影響。然后基于對仿真結(jié)果的分析，提出一種具有非均勻基區(qū)的單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)，并對其輸出特性進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明：當(dāng)少子壽命一定時，存在最優(yōu)的基區(qū)電阻率，使得常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率最大；隨著少子壽命的減小，電池最優(yōu)的基區(qū)電阻率減?。惶岣呋鶇^(qū)電阻率有利于常規(guī)電池長波段量子效率和短路電流的提高，但同時會降低電池的開路電壓和填充因子；當(dāng)少子壽命較低時，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)不具有提高常規(guī)電池轉(zhuǎn)換效率的作用。但當(dāng)少子壽命增大到一定值時，通過優(yōu)化非均勻基區(qū)的表面濃度，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)可有效改善常規(guī)電池的電學(xué)性能。

太陽電池； 非均勻基區(qū)； 表面濃度； 電阻率； 少子壽命； 轉(zhuǎn)換效率； 量子效率

1 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)計和優(yōu)化。由于不同波長入射光在單晶硅太陽電池中的吸收深度不一樣?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化將對太陽電池直接吸收的太陽輻射光譜范圍產(chǎn)生影響。且在光生載流子的收集過程中，基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)將對光生載流子復(fù)合損耗(缺陷引發(fā)的Shockley-Read-Hall輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合)和串聯(lián)電阻損耗產(chǎn)生顯著影響。因此從理論上深入研究單晶硅太陽電池的基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對太陽電池輸出特性的影響，對提高電池轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。

目前在太陽電池研究領(lǐng)域廣泛使用的模擬軟件(如PC1D、AMPS1D等)只能對太陽電池進(jìn)行一維器件仿真，無法對選擇性發(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)用的計算機輔助設(shè)計TCAD仿真軟件具有物理模型準(zhǔn)確且針對性好、器件結(jié)構(gòu)設(shè)定精細(xì)等優(yōu)點[3]，已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于太陽電池制造工藝和器件電學(xué)性能的仿真研究。

雖然關(guān)于太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和電池性能研究的文獻(xiàn)報道有很多[3-13]，但針對單晶硅太陽電池基區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)研究尚報道較少。因此，為一步提高單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率，本文首先利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件針對基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對常規(guī)產(chǎn)業(yè)化P型單晶硅太陽電池輸出特性的影響進(jìn)行了仿真研究，全面系統(tǒng)地分析了基區(qū)電阻率和少子壽命對電池外量子效率、短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。然后基于對仿真結(jié)果的分析，提出一種淺擴散、緩變摻雜的非均勻基區(qū)單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)。通過計算在不同少子壽命情況下，非均勻基區(qū)表面濃度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響，表明采用非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上改善單晶硅太陽電池的電學(xué)性能。本文仿真結(jié)果可為高效單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供有意義的參考信息。

2 單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)的計算模型及參數(shù)選擇

用于仿真的單晶硅太陽電池的二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為[2-6,9,14-15]：單元電池(柵電極中點到相鄰的發(fā)射區(qū)中點)尺寸為1000μm；上表面金字塔絨面高為3μm，金字塔側(cè)面與底面夾角為54.7°；Si3N4減反射膜厚度為79nm。背表面場(P+)表面峰值濃度為8.15×1018cm-3，擴散深度為3.6μm，背表面復(fù)合速度為9×104cm/s；P型單晶硅片厚度為170μm，電阻率為變量，變化范圍為0.1Ω·cm～2Ω·cm。少子壽命為變量，變化范圍為10μs～500μs。太陽電池發(fā)射區(qū)表面濃度為1×1019cm-3，結(jié)深為0.3μm。柵電極半寬度為30μm；金屬電極-發(fā)射區(qū)接觸電阻率(rC)與發(fā)射區(qū)表面濃度有關(guān)，rC值取為[14]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Si3N4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，選用以下模型：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；與摻雜濃度相關(guān)的遷移率模型，重?fù)诫s導(dǎo)致的帶隙變窄模型。模擬測試條件為：25℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上表面入射，光強為1000W/m2。

圖1 單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)Fig.1 Mono-crystalline silicon solar cell structure

3 基區(qū)電阻率和少子壽命對常規(guī)單晶硅太陽電池輸出特性的影響

圖2為計算得到的在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對常規(guī)單晶硅太陽電池外量子效率的影響。由圖2可見：當(dāng)少子壽命一定時，基區(qū)電阻率的變化對600nm～1200nm長波段外量子效率產(chǎn)生顯著的影響?；鶇^(qū)電阻率越低，長波段外量子效率越低。當(dāng)基區(qū)電阻率一定時，隨著少子壽命的增大，長波段外量子效率得到明顯改善。原因為：由于不同波長的入射光在電池中的吸收深度不同，電池對短波長光的吸收系數(shù)較大，吸收深度較淺[16]。對于波長較短(<600nm)的可見光波段的外量子效率主要受電池發(fā)射區(qū)參數(shù)的影響，受基區(qū)電阻率的影響較小。而對于波長在600nm<λ≤1200nm范圍的長波段入射光將在基區(qū)中被吸收并激發(fā)產(chǎn)生光生載流子。當(dāng)少子壽命一定時，基區(qū)電阻率越低，少子擴散長度越短[17]，光生載流子復(fù)合損耗越大，長波段外量子效率越低。當(dāng)基區(qū)電阻率一定時，少子壽命越低，少子擴散長度越短[17]，光生載流子復(fù)合損耗越大。因此，提高基區(qū)電阻率和少子壽命有利于改善長波段外量子效率。圖3為計算得到的在不同少子壽命情況下，不同基區(qū)電阻率對常規(guī)單晶硅太陽電池短路電流密度的影響。由于短路電流密度是全部入射光波段貢獻(xiàn)的總和，因此，提高基區(qū)電阻率和少子壽命有利于電池短路電流密度的提高。

圖2 在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對單晶硅太陽電池外量子效率的影響(a) tn=10μs； (b) tn=100μs； (c) tn=500μsFig.2 Influence of different resistivity of base on external quantum efficiency of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime (a) tn=10μs； (b) tn=100μs； (c) tn=500μs

圖3 在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對單晶硅太陽電池短路電流密度的影響Fig.3 Influence of different resistivity of base on short circuit current density of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime

圖4 在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對單晶硅太陽電池開路電壓的影響Fig.4 Influence of different resistivity of base on open-circuit voltage of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime

圖4為計算得到的在不同少子壽命情況下，基區(qū)電阻率對常規(guī)單晶硅太陽電池開路電壓的影響。由圖4可見：當(dāng)少子壽命一定時，基區(qū)電阻率越大，電池開路電壓越小。當(dāng)基區(qū)電阻率一定時，少子壽命越大，電池開路電壓越大。原因為：影響太陽電池開路電壓(VOC)的主要因素之一是反向飽和暗電流[18]。當(dāng)太陽電池材料及光照條件確定時，電池開路電壓隨著反向飽和暗電流的增大而減小。當(dāng)少子壽命一定時，基區(qū)電阻率越大，反向飽和暗電流越大[18]，電池開路電壓越小。反向飽和暗電流同樣受到少數(shù)載流子在太陽電池中復(fù)合損耗的影響。當(dāng)基區(qū)電阻率一定時，少子壽命越小，光生載流子在輸運過程中的復(fù)合損耗越大，電池反向飽和暗電流越大，電池開路電壓越小。因此，降低基區(qū)電阻率并提高少子壽命有利于太陽電池開路電壓的提高。

圖5為計算得到的在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對常規(guī)單晶硅太陽電池填充因子的影響。由圖5可見：隨著基區(qū)電阻率、少子壽命的變化，電池填充因子曲線與開路電壓曲線的變化特點基本一致。當(dāng)少子壽命一定時，基區(qū)電阻率越高，電池填充因子越低。當(dāng)基區(qū)電阻率一定時，少子壽命越高，電池填充因子越高。原因為：填充因子FF主要與太陽電池的串聯(lián)電阻損耗和光生載流子復(fù)合損耗有關(guān)[18]。當(dāng)少子壽命一定時，基區(qū)電阻率越高，串聯(lián)電阻損耗越大，電池填充因子越低。當(dāng)基區(qū)電阻率一定時，少子壽命越小，光生載流子復(fù)合損耗越大，電池填充因子越低。因此，降低基區(qū)電阻率并提高少子壽命有利于太陽電池填充因子的提高。

圖5 在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對單晶硅太陽電池填充因子的影響.Fig.5 Influence of different resistivity of base on fill factor of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime

太陽電池轉(zhuǎn)換效率Eff可表示為[17]：

其中：Pin為單位面積入射光的功率。由上述太陽電池JSC、VOC和FF的計算結(jié)果可直接計算得到電池的Eff曲線。圖6為計算得到的在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對常規(guī)單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響。由圖6可見：隨著基區(qū)電阻率的增大，對于具有不同少子壽命的單晶硅太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率均存在峰值，即存在最優(yōu)的基區(qū)電阻率。隨著少子壽命的減小，電池最優(yōu)的基區(qū)電阻率減小。當(dāng)tn=10μs時，最優(yōu)的基區(qū)電阻率約為0.5Ω·cm，電池轉(zhuǎn)換效率約為18.8%；當(dāng)tn=100μs時，最優(yōu)的基區(qū)電阻率為0.9Ω·cm，電池轉(zhuǎn)換效率約為21%。當(dāng)tn=500μs時，最優(yōu)的基區(qū)電阻率為1.5Ω·cm，電池轉(zhuǎn)換效率約為21.6%。因此，為提高常規(guī)單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)在提高少子壽命的基礎(chǔ)上，對基區(qū)電阻率進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 在不同少子壽命的情況下，基區(qū)電阻率對單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響Fig.6 Influence of different resistivity of base on conversion efficiency of the mono-crystalline silicon solar cell under different minority carrier lifetime

由上述基區(qū)電阻率對太陽電池輸出特性的影響可知，當(dāng)少子壽命一定時，降低基區(qū)電阻率有利于電池開路電壓和填充因子的提高，但同時會降低長波段外量子效率和短路電流密度。因此，為進(jìn)一步改善常規(guī)產(chǎn)業(yè)化單晶硅太陽電池的電學(xué)性能，提出一種具有非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)(如圖7所示)。即在電池發(fā)射區(qū)(N+)擴散前，首先在均勻基區(qū)(P-)上表面進(jìn)行P+硼擴散(表面濃度高于均勻基區(qū)摻雜濃度)，然后在該P+區(qū)域上進(jìn)行發(fā)射區(qū)擴散，且發(fā)射結(jié)結(jié)深小于P+區(qū)擴散深度(dB)。相對于常規(guī)電池均勻摻雜的基區(qū)，由于P+硼擴散區(qū)域的雜質(zhì)分布屬于非均勻分布，因此，稱P+硼擴散區(qū)域為非均勻基區(qū)。為了降低高摻雜的非均勻基區(qū)對短路電流密度的不利影響，擴散深度(dB)取值較小，同時，可提高均勻基區(qū)部分的電阻率(r)。在計算過程中，令dB=0.4μm，r=1.5Ω·cm。

表1為計算得到的在不同少子壽命的情況下，非均勻基區(qū)表面濃度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響。由表1可見：在不同少子壽命的情況下，隨著非均勻基區(qū)表面濃度的增大，電池轉(zhuǎn)換效率均有不同程度地降低。少子壽命越小，轉(zhuǎn)換效率降低越顯著。當(dāng)tn=10μs時，對于具有不同非均勻基區(qū)表面濃度的太陽電池，其

表1 在不同少子壽命情況下，不同非均勻基區(qū)表面濃度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響

轉(zhuǎn)換效率均低于常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)tn=100μs時，對于非均勻基區(qū)表面濃度較低(≤1×1017cm-3)的太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率高于常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)tn=500μs時，對于具有非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)的太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率均高于常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率。原因為：隨著非均勻基區(qū)表面濃度的增大，雖然有利于太陽電池開路電壓和填充因子的提高，但同時會增大光生載流子的復(fù)合損耗，導(dǎo)致電池短路電流密度顯著降低。因此，太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨著非均勻基區(qū)表面濃度的增大而減小。少子壽命越小，光生載流子復(fù)合損耗越嚴(yán)重，電池轉(zhuǎn)換效率減小的幅度越大。當(dāng)襯底少子壽命較低(10μs)時，隨著非均勻基區(qū)表面濃度的增大，短路電流密度的減小是影響電池效率的主要因素，導(dǎo)致具有非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)太陽電池轉(zhuǎn)換效率均低于常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率。隨著少子壽命的增大，光生載流子的復(fù)合損耗降低。當(dāng)少子壽命為100μs，且非均勻基區(qū)表面濃度低于1×1017cm-3時，隨著非均勻基區(qū)表面濃度的增大，開路電壓和填充因子的增大成為影響電池效率的主要因素，使得非均勻基區(qū)電池的轉(zhuǎn)換效率高于常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)襯底少子壽命增大到500μs時，光生載流子復(fù)合損耗進(jìn)一步降低，從而在不同非均勻基區(qū)表面濃度的情況下，電池轉(zhuǎn)換效率均高于常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)對常規(guī)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的改善效果，受非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)及少子壽命的共同影響。當(dāng)少子壽命較低時，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)不具有提高常規(guī)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的作用。當(dāng)少子壽命增大到一定值時，通過優(yōu)化非均勻基區(qū)表面濃度，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)可有效提高常規(guī)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

5 結(jié) 論

本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件詳細(xì)地分析了基區(qū)電阻率和少子壽命對單晶硅太陽電池輸出特性的影響。仿真結(jié)果表明：在不同少子壽命的情況下，存在最優(yōu)的電阻率，使得太陽電池的轉(zhuǎn)換效率最大。隨著少子壽命的減小，太陽電池最優(yōu)的基區(qū)電阻率減小。當(dāng)少子壽命一定時，提高基區(qū)電阻率有利于電池長波段外量子效率和短路電流密度的提高，但同時會降低電池的開路電壓和填充因子。

為進(jìn)一步提高常規(guī)產(chǎn)業(yè)化單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，提出一種具有非均勻摻雜基區(qū)的單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)，并對其輸出特性進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明：非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)對常規(guī)電池轉(zhuǎn)換效率的改善效果，受非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)及少子壽命的共同影響。當(dāng)少子壽命較低時，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)不具有改善常規(guī)電池電學(xué)性能的作用。當(dāng)少子壽命增大到一定值時，通過優(yōu)化非均勻基區(qū)表面濃度，非均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)可有效提高常規(guī)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

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Base Structural Design and Parameter Optimization of High-efficiency Mono-Crystalline Silicon Solar Cells

ZHOU Tao， LU Xiaodong， WU Yuanqing， XIA Tingting

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

Firstly, influence of the base resistivity on the output behavior of conventional mono-crystalline silicon solar cell is analyzed comprehensively under different minority carrier lifetime. Secondly, based on the analysis of simulation results, this paper puts forward a kind of mono-crystalline silicon solar cell structure with non-uniform doped base, and the simulation research is carried on its output characteristic. The simulation results show that when minority carrier lifetime remains at a fixed value, there is an optimal base resistivity to make the conventional solar cell reach its maximum conversion efficiency; With the decrease of the minority carrier lifetime, the optimal base resistivity decreased; The increase of the resistivity of the base is advantageous to the conventional solar cell quantum efficiency and short circuit current, but will reduce open circuit voltage and fill factor at the same time. When minority carrier lifetime is low, the non-uniform base structure does not improve the conventional solar cell conversion efficiency. But when minority carrier lifetime increases to a certain value, non-uniform base structure can improve the electrical performance of conventional solar cell effectively through optimizing the base non-uniform surface concentration.

solar cell； non-uniform base； surface concentration； resistivity； minority carrier lifetime； conversion efficiency； quantum efficiency

1673-2812(2017)01-0105-06

2015-10-28；

2016-01-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(11304020)

周 濤(1983-)，男，碩士，講師，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)方面的研究。E-mail:bhuzhoutao@163.com。

TM 914.4

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.021