硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的物理機(jī)制和優(yōu)化設(shè)計(jì)?

肖友鵬 王濤 魏秀琴 周浪

(南昌大學(xué)光伏研究院/材料科學(xué)與工程學(xué)院,南昌 330031)

硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的物理機(jī)制和優(yōu)化設(shè)計(jì)?

肖友鵬 王濤 魏秀琴 周浪?

(南昌大學(xué)光伏研究院/材料科學(xué)與工程學(xué)院,南昌 330031)

(2016年12月30日收到;2017年2月19日收到修改稿)

硅異質(zhì)結(jié)太陽電池是一種由非晶硅薄膜層沉積于晶硅吸收層構(gòu)成的高效低成本的光伏器件,是一種具有大面積規(guī)?；a(chǎn)潛力的光伏產(chǎn)品.異質(zhì)結(jié)界面鈍化品質(zhì)、發(fā)射極的摻雜濃度和厚度以及透明導(dǎo)電層的功函數(shù)是影響硅異質(zhì)結(jié)太陽電池性能的主要因素.針對(duì)這些影響因素已經(jīng)有大量的研究工作在全世界范圍內(nèi)展開,并且有諸多研究小組提出了器件效率限制因素背后的物理機(jī)制.洞悉物理機(jī)制可為今后優(yōu)化設(shè)計(jì)高性能的器件提供準(zhǔn)則.因此及時(shí)總結(jié)硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的物理機(jī)制和優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要.本文主要討論了晶硅表面鈍化、發(fā)射極摻雜層和透明導(dǎo)電層之間的功函數(shù)失配以及由此形成的肖特基勢(shì)壘;討論了屏蔽由功函數(shù)失配引起的能帶彎曲所需的特征長(zhǎng)度,即屏蔽長(zhǎng)度;介紹了硅異質(zhì)結(jié)太陽電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬和實(shí)踐;總結(jié)了硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景.

∶硅異質(zhì)結(jié),太陽電池,物理機(jī)制,優(yōu)化設(shè)計(jì)

PACS∶88.40.Jj,73.40.Lq,81.15.GhDOI∶10.7498/aps.66.108801

1 引 言

硅異質(zhì)結(jié)(silicon heterojunction,SHJ)太陽電池是高效(＞20%)低成本的硅基器件.硅異質(zhì)結(jié)包括晶硅(crystalline silicon,c-Si)和非晶硅(a-Si∶H)兩種半導(dǎo)體,其制備方法是通過化學(xué)氣相沉積等技術(shù)在c-Si襯底上沉積a-Si∶H薄膜.SHJ太陽電池的高效率來源于本征非晶硅 [(i)a-Si∶H]鈍化c-Si表面獲得的高開路電壓(open-circuit voltage,Voc)[1],不過c-Si和a-Si∶H之間以及a-Si∶H和透明導(dǎo)電層(transparent conductive oxide,TCO)之間都會(huì)形成能帶帶階,而且導(dǎo)帶帶階和價(jià)帶帶階不對(duì)稱[2],都會(huì)影響光生載流子的輸運(yùn)和SHJ太陽電池的性能.SHJ太陽電池也會(huì)采用一定的擴(kuò)散同質(zhì)結(jié)硅太陽電池技術(shù),比如磷擴(kuò)散吸雜技術(shù),能提升硅片的載流子壽命,應(yīng)用于SHJ太陽電池中對(duì)效率有一定的提升[3].電鍍是一項(xiàng)有望取代絲網(wǎng)印刷技術(shù)的低成本大面積金屬化制程,有利于降低擴(kuò)散同質(zhì)結(jié)硅太陽電池和SHJ太陽電池的制造成本[4?7].SHJ太陽電池的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究正在全球范圍內(nèi)展開,對(duì)SHJ太陽電池的結(jié)構(gòu)和工藝做出了許多分析和說明,對(duì)SHJ太陽電池物理機(jī)制和性能影響因素的認(rèn)識(shí)不斷深入.將近年來關(guān)于SHJ太陽電池物理機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)加以歸納總結(jié),對(duì)SHJ太陽電池優(yōu)化設(shè)計(jì)加以分析疏理,可以對(duì)后續(xù)SHJ太陽電池的研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)提供有益的啟示.

2 SHJ太陽電池物理機(jī)制和性能的影響因素

SHJ太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中晶硅為n型摻雜,我們將基于(n)c-Si襯底垂直結(jié)構(gòu)SHJ太陽電池展開分析.SHJ太陽電池載流子的收集是通過沉積在晶硅表面的本征/摻雜氫化非晶硅[(i)a-Si∶H/(p)a-Si∶H 或 (i)a-Si∶H/(n)a-Si∶H]疊層來實(shí)現(xiàn)的,其中(p)a-Si∶H為發(fā)射極,(n)a-Si∶H 起背面場(chǎng)作用.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)SHJ太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖[1]Fig.1.(color online)Schematic structure of a SHJ solar cell[1].

SHJ太陽電池的能帶如圖2所示,其明顯的特征是接近(p)a-Si∶H發(fā)射極的c-Si吸收區(qū)形成了反型層,伴隨著反型層出現(xiàn)的是電子勢(shì)壘,此勢(shì)壘是由c-Si的能帶彎曲和c-Si與a-Si∶H之間的導(dǎo)帶帶階構(gòu)成[8].圖2中QFLn和QFLp分別為電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)(quasi-Fermi level,QFL).iVoc(implied open circuit voltage)是太陽電池的隱含開路電壓,是給定結(jié)構(gòu)能夠獲得的理論最大Voc,其與載流子的注入水平?n=?p及準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂(QFLn?QFLp)之間的關(guān)系為[9]

式中k是玻爾茲曼常數(shù),T是絕對(duì)溫度,q是元電荷帶電量,n0和p0是熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度,ni是本征載流子濃度.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)開路條件下SHJ太陽電池能帶示意圖[10]Fig.2.(color online)Schematic energy band diagram of a SHJ solar cell at open-circuit conditions[10].

對(duì)于電學(xué)性能來說,高效SHJ太陽電池需要滿足三個(gè)基本的要求[10]∶

1)c-Si表面鈍化.SHJ太陽電池一個(gè)重要的特征是c-Si吸收區(qū)的優(yōu)秀鈍化性能,除了本征非晶硅緩沖層即(i)a-Si∶H對(duì)c-Si吸收區(qū)提供的化學(xué)鈍化,還有摻雜非晶硅薄膜層即(p)a-Si∶H和(n)a-Si∶H提供的場(chǎng)效應(yīng)鈍化[11].化學(xué)鈍化是指沉積(i)a-Si∶H時(shí)H原子對(duì)c-Si表面懸掛鍵的飽和,場(chǎng)效應(yīng)鈍化是指(p)a-Si∶H和(n)a-Si∶H分別與c-Si形成的內(nèi)建電勢(shì)分別對(duì)電子和空穴的驅(qū)趕作用,從而空穴通過(p)a-Si∶H時(shí)電子被驅(qū)趕或電子通過(n)a-Si∶H時(shí)空穴被驅(qū)趕,即形成了對(duì)空穴和電子的選擇性接觸[12].非晶硅薄膜層與c-Si吸收區(qū)形成的兩個(gè)異質(zhì)結(jié)還會(huì)導(dǎo)致高的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂[13],因此SHJ太陽電池能夠獲得非常高的Voc.下一步可以通過改善SHJ太陽電池的光管理獲得更高的短路電流(short circuit current,Jsc)并且在最大功率點(diǎn)(maximum power point,MPP)降低復(fù)合損失來進(jìn)一步提高SHJ太陽電池性能.

2)c-Si能帶彎曲.為了分別形成電子和空穴的選擇性接觸,(n)a-Si∶H和(p)a-Si∶H必須分別提供低的(接近c(diǎn)-Si的導(dǎo)帶即4.1 eV)和高的(接近c(diǎn)-Si的價(jià)帶即5.3 eV)功函數(shù)[14],從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的能帶彎曲,在c-Si吸收區(qū)形成高的內(nèi)建電勢(shì).忽略如費(fèi)米能級(jí)釘扎等效應(yīng),(p)a-Si∶H和c-Si功函數(shù)不同引起能帶彎曲,在空穴接觸處形成一個(gè)對(duì)電子擴(kuò)散的勢(shì)壘[15].如果a-Si∶H的摻雜濃度很低,部分能帶彎曲將消失在(p)a-Si∶H中[16].

3)在空穴和電子接觸處形成連續(xù)多數(shù)載流子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)QFL[13].(p)a-Si∶H必須充分摻雜,以保證c-Si吸收區(qū)提供的QFL分裂可以維持在(p)a-Si∶H甚至包括n型TCO的摻雜區(qū)域,從而獲得高的選擇性來收集載流子.形成連續(xù)多數(shù)載流子QFL而不是QFL梯度(由于多數(shù)載流子的復(fù)合),可以保證SHJ太陽電池的工作區(qū)域不是在高注入水平范圍,即實(shí)際的多數(shù)載流子濃度沒有超過平衡多數(shù)載流子濃度.擴(kuò)散同質(zhì)結(jié)硅太陽電池采用重?fù)诫s,不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題.而在SHJ太陽電池中a-Si∶H摻雜效率低,平衡多數(shù)載流子也非常低,加上TCO和摻雜a-Si∶H之間的功函數(shù)失配導(dǎo)致的載流子耗盡,為了維持高的實(shí)際的多數(shù)載流子濃度,SHJ太陽電池傾向于工作在高注入水平下,表明在SHJ太陽電池中Voc出現(xiàn)損失[10].

因此摻雜非晶硅薄膜和透明導(dǎo)電層與SHJ太陽電池的性能密切相關(guān),下面我們從SHJ太陽電池物理機(jī)制的角度對(duì)兩者展開分析.

2.1 摻雜非晶硅薄膜

SHJ太陽電池中的異質(zhì)結(jié)工程特別是受光面的異質(zhì)結(jié)工程非常關(guān)鍵,優(yōu)化(p)a-Si∶H發(fā)射極的厚度和摻雜濃度非常復(fù)雜∶1)增加(p)a-Si∶H發(fā)射極的厚度會(huì)降低Jsc[17];2)(p)a-Si∶H發(fā)射極重?fù)诫s可以引起c-Si吸收層表面的去鈍化,嚴(yán)重影響器件的Voc[18];3)硅基合金薄膜由于其非晶結(jié)構(gòu)通常摻雜效率很低[19].

(p)a-Si∶H發(fā)射極摻雜濃度對(duì)SHJ太陽電池性能有非常大的影響,這可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面∶1)(p)a-Si∶H發(fā)射極應(yīng)當(dāng)被充分摻雜,以創(chuàng)造所需內(nèi)建電勢(shì)來驅(qū)趕(p)a-Si∶H/c-Si界面的電子,增加(p)a-Si∶H/c-Si界面的電子密度會(huì)增加 (p)a-Si∶H發(fā)射極飽和電流密度,導(dǎo)致更低的Voc值[20];2)(p)a-Si∶H發(fā)射極應(yīng)當(dāng)能夠在c-Si襯底創(chuàng)造充分的能帶彎曲以讓少子隧穿過程發(fā)生,而低摻雜發(fā)射極會(huì)阻擋少子隧穿,導(dǎo)致低的填充因子(fill factor,FF)值[21?23];3)為了改善載流子的收集,經(jīng)常在發(fā)射極上沉積TCO,如果TCO的功函數(shù)(work function,WF)低于(p)a-Si∶H發(fā)射極的功函數(shù)(常用的ITO的功函數(shù)為4.7 eV[24]),會(huì)在TCO/(p)a-Si∶H界面形成肖特基勢(shì)壘[25?27].半導(dǎo)體的功函數(shù)是真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)的差值,表征了載流子從半導(dǎo)體逸出到真空所需要的能量.TCO和(p)a-Si∶H功函數(shù)失配形成的肖特基勢(shì)壘對(duì)SHJ太陽電池性能有很大的影響,這主要是因?yàn)樾ぬ鼗鶆?shì)壘與下面的(p)a-Si∶H和c-Si形成的p-n結(jié)方向相反[25?27],如圖3所示.肖特基勢(shì)壘一方面會(huì)直接影響空穴的收集和SHJ太陽電池的FF,另一方面還會(huì)導(dǎo)致TCO中的電子注入到(p)a-Si∶H發(fā)射極且與(p)a-Si∶H發(fā)射極中的空穴復(fù)合,引起(p)a-Si∶H中空穴耗盡甚至是反型[28,29].TCO/(p)a-Si∶H/(i)a-Si∶H疊層總的缺陷復(fù)合包括TCO/(p)a-Si∶H和(p)a-Si∶H/(i)a-Si∶H界面的復(fù)合和占主導(dǎo)的 (p)a-Si∶H內(nèi)的復(fù)合[30],復(fù)合的結(jié)果是在小注入范圍內(nèi)MPP內(nèi)部電壓(internal voltage)的損失,進(jìn)而導(dǎo)致FF損失[31].因此,(p)a-Si∶H發(fā)射極必須充分摻雜以在(p)a-Si∶H發(fā)射極中維持平帶條件(即阻止TCO/(p)a-Si∶H能帶彎曲的同時(shí)在(p)a-Si∶H/c-Si界面處形成能帶彎曲)[32].

有效屏蔽長(zhǎng)度(effective screening length)是屏蔽TCO/(p)a-Si∶H肖特基勢(shì)壘高度所需的特征長(zhǎng)度,給定(p)a-Si∶H發(fā)射極的有效屏蔽長(zhǎng)度界定了(p)a-Si∶H發(fā)射極厚度的下限.(p)a-Si∶H發(fā)射極的有效屏蔽長(zhǎng)度L(p)a-Si∶H可由(2)式獲得[33]∶

式中ε0是真空介電常數(shù),εr是相對(duì)介電常數(shù),k是玻爾茲曼常數(shù),T是絕對(duì)溫度,q是元電荷帶電量;Qtot,(p)a-Si∶H是平衡條件下(p)a-Si∶H發(fā)射極中總的空間電荷密度,與(p)a-Si∶H的摻雜濃度有關(guān);?WF是TCO和(p)a-Si∶H發(fā)射極之間的功函數(shù)失配.由(2)式可知功函數(shù)失配越大,(p)a-Si∶H的摻雜濃度越低,所需的有效屏蔽長(zhǎng)度越大.如果(p)a-Si∶H的厚度d大于其有效屏蔽長(zhǎng)度La-Si∶H(p),(p)a-Si∶H發(fā)射極的耗盡從而反向肖特基勢(shì)壘的負(fù)面影響僅局限于TCO/(p)a-Si∶H界面附近(p)a-Si∶H發(fā)射極部分區(qū)域. 如果(p)a-Si∶H的厚度d小于其有效屏蔽長(zhǎng)度La-Si∶H(p),即摻雜不充分和/或TCO/(p)a-Si∶H 之間功函數(shù)失配太大,(p)a-Si∶H發(fā)射極的耗盡不僅局限在TCO/(p)a-Si∶H界面附近(p)a-Si∶H發(fā)射極區(qū)域,而是整個(gè)(p)a-Si∶H都被耗盡[34],如圖4所示.有效屏蔽長(zhǎng)度影響光吸收從而影響SHJ太陽電池的Jsc,TCO/(p)a-Si∶H肖特基勢(shì)壘影響空穴輸運(yùn)從而影響SHJ太陽電池的FF,因此有效屏蔽長(zhǎng)度和TCO/(p)a-Si∶H肖特基勢(shì)壘將導(dǎo)致SHJ太陽電池Jsc和FF之間的相互妥協(xié)[17,34?36].

圖3 (網(wǎng)刊彩色)包括TCO/(p)a-Si:H形成的肖特基勢(shì)壘和(p)a-Si:H/c-Si形成的p-n結(jié)的等效電路圖Fig.3.(color online)Equivalent circuit diagram including a reverse Schottky diode forming between TCO and(p)a-Si:H and the p-n junction forming between(p)a-Si:H and c-Si.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)TCO/(p)a:Si:H界面耗盡示意圖 (a)厚的(p)a-Si:H摻雜層;(b)薄的(p)a-Si:H摻雜層Fig.4.(color online)Schematics representing the depletion occurring at TCO/(p)a:Si:H interface for(a)a thick(p)a:Si:H layer and(b)a thin(p)a:Si:H layer.

生長(zhǎng)(p)a-Si∶H摻雜層時(shí)還會(huì)對(duì)下面的(i)a-Si∶H緩沖層造成影響進(jìn)而影響(i)a-Si∶H/c-Si的界面鈍化性能[37]. 沉積摻雜a-Si∶H到(i)a-Si∶H/c-Si對(duì)鈍化的影響可以解釋為a-Si∶H層中非晶網(wǎng)絡(luò)亞穩(wěn)特性引起的缺陷平衡(即在a-Si∶H中源于Si—Si應(yīng)力鍵形成的與費(fèi)米能級(jí)EF有關(guān)的懸掛鍵缺陷).(p)a-Si∶H摻雜濃度、厚度和(i)a-Si∶H層的沉積條件等參數(shù)的變化引起a-Si∶H網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和異質(zhì)結(jié)界面處費(fèi)米能級(jí)EF的變化,而費(fèi)米能級(jí)EF的變化會(huì)引起部分能帶彎曲[38].因此(p)a-Si∶H/(i)a-Si∶H疊層薄膜的鈍化作用與異質(zhì)結(jié)界面處的費(fèi)米能級(jí)EF位置有關(guān).一方面(p)a-Si∶H摻雜濃度的變化引起費(fèi)米能級(jí)EF的移動(dòng),另一方面(i)a-Si∶H層加厚能減少c-Si的能帶彎曲,導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)EF向禁帶中央移動(dòng).因此a-Si∶H中應(yīng)力鍵密度和a-Si∶H/c-Si異質(zhì)結(jié)界面處費(fèi)米能級(jí)EF位置共同決定了a-Si∶H/c-Si界面的鈍化潛力,從而影響SHJ太陽電池的Voc.由于Si—Si應(yīng)力鍵和懸掛鍵之間的相互轉(zhuǎn)換,借助缺陷池模型(defect-pool model)[39,40]可以描述a-Si∶H烏爾巴赫能量(Si—Si應(yīng)力鍵密度)、費(fèi)米能級(jí)EF移動(dòng)和a-Si∶H體缺陷濃度之間的相互作用,a-Si∶H烏爾巴赫能量更大時(shí)代表了更大的潛在的缺陷池.

太薄的(i)a-Si∶H緩沖層不能減弱其上的(p)a-Si∶H摻雜層對(duì)c-Si表面鈍化品質(zhì)的破壞[39],因此對(duì)于SHJ太陽電池,需要在c-Si鈍化性能和(p)a-Si∶H摻雜濃度之間進(jìn)行妥協(xié),需要在摻雜時(shí)變化的Voc和FF之間進(jìn)行妥協(xié).如果改善(p)a-Si∶H摻雜層和TCO之間功函數(shù)匹配狀況,(p)a-Si∶H摻雜(費(fèi)米能級(jí)EF移動(dòng))導(dǎo)致a-Si∶H體缺陷的形成(降低Voc)和TCO/(p)a-Si∶H接觸性能的改善(FF,Voc和Jsc的改善)之間的相互妥協(xié)將變得不那么深刻[33].

2.2 透明導(dǎo)電氧化層

TCO在SHJ太陽電池中有兩個(gè)重要的任務(wù),一是有效光耦合進(jìn)入c-Si,二是往前金屬柵線傳導(dǎo)電流[41].另外它們也應(yīng)保證從SHJ太陽電池的電子和空穴收集層有效橫向提取載流子.對(duì)于這種載流子的有效橫向提取,最少需滿足兩個(gè)要求,一是TCO應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生最小的以為有效輸運(yùn)載流子所需的接觸電阻,二是TCO(和其沉積技術(shù))不應(yīng)降低其下薄膜層的鈍化性能,不對(duì)c-Si吸收層中載流子的復(fù)合產(chǎn)生影響[42].這兩個(gè)要求越得到滿足,接觸的載流子選擇性越高,更能收集一類載流子的同時(shí)驅(qū)趕另一類載流子.實(shí)際上,這兩個(gè)需求得到滿足的關(guān)鍵是TCO和非晶硅以及晶硅層之間的能帶排列[43].

TCO與(p)a-Si∶H層接觸時(shí)必須保持足夠高的電導(dǎo)率,以最小化載流子復(fù)合和傳輸損耗,使得SHJ太陽電池獲得高的FF.SHJ太陽電池對(duì)前TCO層和背TCO層的光學(xué)和電學(xué)性能要求很不相同,通常前ITO層的電阻約10?4?·cm,載流子濃度為2—3×1020cm?3,而背ITO層的電阻為10?3—10?2?·cm,載流子濃度為1—9× 1019cm?3.對(duì)于c-Si的表面鈍化,高摻雜TCO的存在對(duì)(i)a-Si∶H/(n)a-Si∶H疊層的鈍化作用沒有壞處,但對(duì) (i)a-Si∶H/(p)a-Si∶H疊層的鈍化作用卻正好相反,因此在前接觸中應(yīng)該避免高摻雜TCO與(i)a-Si∶H/(p)a-Si∶H 疊層接觸[44].

當(dāng)TCO的功函數(shù)低于(p)a-Si∶H層的功函數(shù)時(shí),兩者接觸會(huì)導(dǎo)致(p)a-Si∶H的耗盡甚至是反型.(p)a-Si∶H的摻雜濃度很低且TCO與(p)a-Si∶H功函數(shù)失配很大時(shí),不僅界面而且整個(gè)a-Si∶H層都會(huì)耗盡甚至是反型.耗盡和反型會(huì)影響載流子的提取,進(jìn)而影響太陽電池的FF.耗盡和反型還會(huì)導(dǎo)致(p)a-Si∶H/(n)c-Si結(jié)的能帶彎曲程度降低和內(nèi)建電勢(shì)下降,從而引起SHJ太陽電池接觸處載流子的選擇性降低和Voc的下降,如圖5所示,圖中箭頭表示功函數(shù)失配增加.因此降低功函數(shù)失配并且增加(p)a-Si∶H層的摻雜濃度會(huì)改善接觸性能[45].如果TCO的功函數(shù)高于(p)a-Si∶H的功函數(shù),則會(huì)引起(p)a-Si∶H中空穴的積累,空穴積累可看作是(p)a-Si∶H摻雜濃度的增加,也有利于改善TCO與(p)a-Si∶H的接觸性能[46].

圖5 (網(wǎng)刊彩色)TCO功函數(shù)對(duì)(p)a-Si:H/(i)a-Si:H端能帶排列影響的能帶示意圖[47]Fig.5.(color online)Schematic band diagram illustrating the effect of the TCO WF on the band alignment at the(p)a-Si:H/(i)a-Si:H-side[47].

3 SHJ太陽電池優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬和實(shí)踐

Bivour等[33]基于Sentaurus TCAD軟件模擬了SHJ太陽電池的性能.模擬時(shí)把n型半導(dǎo)體TCO處理為具有界面功函數(shù)(WFif)的導(dǎo)電層.(p)a-Si∶H發(fā)射極的激活能為200 meV和300 meV時(shí),對(duì)應(yīng)的功函數(shù)WF分別為5.4 eV和5.3 eV,即摻雜濃度越高,激活能越低,對(duì)應(yīng)的功函數(shù)WF越高.圖6顯示了TCO功函數(shù)WFif,(p)a-Si∶H摻雜濃度和厚度之間的相互作用及其對(duì)SHJ太陽電池性能的影響.可以看到WFif高時(shí)能獲得最優(yōu)的太陽電池結(jié)果,這可以歸結(jié)為TCO/(p)a-Si∶H界面正的功函數(shù)失配 (WFif＞ WF(p)a-Si∶H)從而在(p)a-Si∶H發(fā)射極中形成空穴積累.而如果是負(fù)的功函數(shù)失配 (WFif＜ WF(p)a-Si∶H),則形成的反向肖特基勢(shì)壘會(huì)引起(p)a-Si∶H發(fā)射極空穴耗盡,降低器件性能.從圖中還能看到(p)a-Si∶H發(fā)射極厚度更厚、摻雜濃度更高則更能忍受負(fù)的功函數(shù)失配,SHJ太陽電池的Voc和FF更大.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(p)a-Si:H不同摻雜濃度和厚度時(shí)Voc,FF,Jsc和η與WFif的關(guān)系[33]Fig.6.(color online)Voc,FF,Jscand the efficiency as a function of WFiffor different(p)a-Si:H doping and(p)a-Si:H thicknesses[33].

為了提升SHJ太陽電池的性能,可以將空穴收集層即(p)a-Si∶H發(fā)射極放置在太陽電池背部,即所謂的背發(fā)射極(rear emitter,RE)SHJ太陽電池[48].RE-SHJ太陽電池受光面TCO與(i)a-Si∶H/(n)a-Si∶H 疊層接觸,背部 (p)a-Si∶H 層厚度增加的同時(shí)不會(huì)降低光學(xué)性能,因此可以增強(qiáng)屏蔽效應(yīng).如果在SHJ太陽電池受光面采用擴(kuò)散前表面場(chǎng)(front surfacefiled,FSF),構(gòu)成以RE和FSF為特征的混合硅異質(zhì)結(jié)(hybrid SHJ)太陽電池[5,48?50],如圖7所示,則能更好地利用c-Si襯底的電導(dǎo)率,釋放了對(duì)受光面TCO層橫向電導(dǎo)率的要求,背部由于覆蓋上金屬層后可以不必要求TCO的橫向輸運(yùn)作用,因此可以采用較高電阻的TCO.混合硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在優(yōu)化(p)a-Si∶H層摻雜濃度和厚度、(p)a-Si∶H/TCO界面時(shí)因?yàn)椴挥眠^多關(guān)注非晶硅疊層的本征吸收,而將注意力集中在載流子的復(fù)合和/或載流子的輸運(yùn)上,因此可進(jìn)一步增加太陽電池設(shè)計(jì)自由度[49].

為了提升SHJ太陽電池的性能,還可以選用高功函數(shù)的MoOx,WOx和VOx等過渡族金屬元素氧化物取代(p)a-Si∶H發(fā)射極來充當(dāng)空穴收集層[26,51?55],如圖8所示,圖中空穴收集層為MoOx.過渡族金屬元素氧化物和c-Si吸收層形成的異質(zhì)結(jié)由于具有不同的功函數(shù),導(dǎo)致能帶彎曲并進(jìn)入c-Si吸收層,會(huì)在c-Si吸收層表面感應(yīng)出一個(gè)同質(zhì)結(jié),此感應(yīng)同質(zhì)結(jié)與c-Si吸收層表面p型摻雜形成的結(jié)相似.因此c-Si吸收層頂部放置金屬氧化物空穴收集層不僅可提供對(duì)于光生載流子的選擇性,還對(duì)c-Si表面有良好的鈍化效果,并且金屬氧化物空穴收集層本身也具有低復(fù)合屬性.進(jìn)一步地,采用金屬氧化物空穴收集層可以規(guī)避接觸區(qū)域高的載流子濃度帶來的重?fù)诫s效應(yīng),如俄歇復(fù)合和禁帶變窄效應(yīng).因此過渡族金屬元素氧化物形成的優(yōu)秀鈍化性能和有效載流子選擇性接觸可以改善SHJ太陽電池性能.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)混合硅異質(zhì)結(jié)太陽電池示意圖[5]Fig.7.(color online)Schematic description of hybrid SHJ solar cell[5].

為了提升SHJ太陽電池的性能,還可以選用μc-Si∶H, μc-SiOx∶H和μc-SiCx∶H等[56?61]微晶硅系列合金取代(p)a-Si∶H發(fā)射極充當(dāng)空穴收集層.微晶硅系列合金是直接帶隙半導(dǎo)體,能夠降低短波長(zhǎng)的光吸收,有利于提高太陽電池的Jsc.微晶硅系列合金摻雜效率更高、電阻率更低,有利于改善載流子的輸運(yùn)性能和接觸性能,抑制肖特基勢(shì)壘的影響,提高SHJ太陽電池的FF.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)(a)MoOx/a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖及相對(duì)應(yīng)的(b)掃描電子顯微鏡成像的偽色截面圖[51]Fig.8.(color online)(a)Schematic of the MoOx/a-Si:H/c-Siheterojunction solar cell structure with(b)false-colored cross section imaged by scanning electron microscopy[51].

4 SHJ太陽電池的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

SHJ太陽電池的研發(fā)熱潮正席卷全球,一方面采用先進(jìn)工藝追求高效率,這也能在產(chǎn)生相同電力時(shí)相對(duì)降低生產(chǎn)成本,另一方面是采用新材料和新工藝降低電池制造成本,這也能在制造過程中有機(jī)會(huì)避免使用有毒的硼等摻雜元素.n型襯底SHJ太陽電池效率超過20%的結(jié)果如表1、表2和表3所列.其中IBC(interdigitated back contact)-SHJ太陽電池即叉指背接觸SHJ太陽電池,這種電池結(jié)構(gòu)去除了受光面的金屬柵線,能最小化電池前面的光吸收且最大化光耦合進(jìn)入硅片,但需要先進(jìn)復(fù)雜的掩模工藝將電子和空穴接觸都制備在太陽電池的背面.

表1 n型襯底前結(jié)SHJ太陽電池Table 1.Front-junction SHJ solar cells results on n-type c-Si.

表2 n型襯底背結(jié)SHJ太陽電池Table 2.Back-junction SHJ solar cells results on n-type c-Si.

表3 n型襯底IBC-SHJ太陽電池Table 3.IBC-SHJ solar cells results on n-type c-Si.

隨著相關(guān)理論研究進(jìn)一步深入以及摻雜控制、異質(zhì)結(jié)界面工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝進(jìn)一步優(yōu)化,SHJ太陽電池可望實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率、更低的制造成本,在可預(yù)見的未來將占據(jù)光伏市場(chǎng)重要的市場(chǎng)份額.

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PACS∶88.40.Jj,73.40.Lq,81.15.GhDOI∶10.7498/aps.66.108801

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51361022,61574072)and the Post-Doctor Scientific Research Fund of Jiangxi Province,China(Grant No.2015KY12).

?Corresponding author.E-mail:lzhou@ncu.edu.cn

Physical mechanism and optimal design of silicon heterojunction solar cells?

Xiao You-Peng Wang Tao Wei Xiu-Qin Zhou Lang?
(Institute of Photovoltaic/Schoolof Materials Science and Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

30 December 2016;revised manuscript

19 February 2017)

Silicon heterojunction(SHJ)solar cells are crystalline silicon wafer-based photovoltaic devices fabricated with thinfilm deposition technology.The SHJ solar cells hold great potential for large-scale deployment for high conversion efficiencies with low-cost manufacturing.Recently Kaneka Corporation has fabricated an interdigitated-back-contact(IBC)SHJ solar cell with a certified 26.33%conversion efficiency in a large area(180.4 cm2),which is a world record for any 1-sun crystalline silicon wafer-based solar cell.The key feature of SHJ solar cells is the impressive highopencircuit voltages(Voc)achieved by the excellent amorphous/crystalline silicon interface passivation.Generally,in SHJ solar cells,the boron doped hydrogenated amorphous silicon[(p)a-Si∶H]serves as hole collector and the phosphorus doped hydrogenated amorphous silicon[(n)a-Si∶H]functions as electron collector.In order to improve the lateral carrier transport of these layers,transparent conductive oxides(TCOs)are usually deposited on both sides of the solar cell.Therefore the parameters such as the heterointerface passivation quality,doping concentration and thickness of the a-Si∶H doped layer,and work function of the transparent conductive oxide layer are the key factors that affect the performances of SHJ solar cells.Enormous research efforts have been devoted to studying the effects of the aforementioned influencing parameters on the photovoltaic characteristics of SHJ solar cells.Some research groups have addressed the physical mechanism behind the limitation of the solar cell efficiency.Owing to the insight into the physical mechanism some guidelines for optimally designing the high-performance solar cells in future are obtained.It seems therefore important to summarize the research efforts devoted to the physical mechanism and optimal design of SHJ solar cells.

In the present review,we mainly discuss three important issues∶1)the amorphous/crystalline silicon interface passivation;2)the Schottky barrier resulting from the work function mismatch between the(p)a-Si∶H doped layer and the transparent conductive oxide layer;3)the screening length that is required to efficiently shield the parasitic opposing band from bending originating from the work function mismatch between the(p)a-Si∶H doped layer and the transparent conductive oxide layer.The numerical simulation and optimal design of SHJ solar cells are analyzed,and three strategies that may improve the solar cell performances are presented∶1)a hybrid SHJ solar cell structure with a rear heterojunction emitter and a phosphorus-diffused homojunction front surface field;2)replacing the(p)a-Si∶H doped layer by higher doping efficiency microcrystalline silicon alloys such as μc-Si∶H, μc-SiOx∶H or μc-SiCx∶H;3)replacing the(p)a-Si∶H doped layer by higher work function transition metaloxides such as MoOx,WOxor VOx.Finally,the research progress and future development of SHJ solar cells are also described.

∶silicon heterojunction,solar cells,physical mechanism,optimal design

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51361022,61574072)和江西省博士后研究人員科研項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2015KY12)資助的課題.

?通信作者.E-mail:lzhou@ncu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society