N型IBC太陽能電池的工藝研究

何志偉，劉 麗

（商丘工學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河南 商丘 476000）

N型IBC太陽能電池的工藝研究

何志偉，劉 麗

（商丘工學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河南 商丘 476000）

文中主要研究的是N型IBC太陽能電池，即N型背結(jié)背接觸式電池。使用silvaco TCAD軟件對N型IBC太陽電池進行工藝仿真，然后對已完成的N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)使用silvaco TCAD軟件進行器件仿真，并對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，探究該種太陽能電池各方面的特性，最后與工藝仿真進行結(jié)合分析，對N型IBC太陽能電池的工藝研究進行總結(jié)整理，得出該太陽能電池的最佳工藝參數(shù)組合。

太陽能電池；N型晶體硅；背結(jié)背接觸；工藝；silvacoTCAD

太陽能電池實際上就是一個大面積且不加偏壓的PN結(jié)器件。該種器件通過以高效率將太陽電磁輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能長期為人類提供動力。發(fā)展至今，硅太陽能電池的應(yīng)用最為廣泛，光電轉(zhuǎn)化效率也最高[1-3]。

目前，世界上能夠量產(chǎn)且轉(zhuǎn)化效率超過20％的太陽能光伏電池只有兩種，均為N型多晶硅太陽能電池。其分別是2010年美國SunPower公司的D.D.Smith等人研制的N型IBC （Interdigitated Back Contact）單晶硅太陽能電池，這是一種背結(jié)背接觸式電池，其的轉(zhuǎn)化效率高達24.2％。此外，該種結(jié)構(gòu)也是目前世界上可實現(xiàn)量產(chǎn)且效率最高的晶體硅電池結(jié)構(gòu)之一。另一種電池就是日本Panasonic公司的HIT（Hetero-junction Intrinsic Thin-film）電池[4]。 文中所研究的N型背結(jié)背接觸式太陽能電池[5-7]也是單晶硅太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率高[8]、工藝相對簡單，可實現(xiàn)量產(chǎn)并能夠在各個行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用。

1 N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)

N型IBC太陽能電池[9]是一種以N型單晶硅作為襯底，并形成一種具有背結(jié)背接觸特點的新型結(jié)構(gòu)太陽能電池。如圖1所示，N型IBC太陽能電池襯底是均勻摻雜磷的單晶硅，在其前表面是制絨面，將其制成倒角錐體結(jié)構(gòu)以獲得更高的光吸收，減少光反射損失，N襯底前表面，離子注入形成一層n型摻雜的N+區(qū)，在N+層以上，形成一層氧化硅層以及一層用于減少反射損失的氮化硅。在襯底背表面，分別注入摻雜，一定區(qū)域注入磷，形成N++區(qū)，一定區(qū)域注入硼，形成P+（發(fā)射區(qū)），然后在襯底背表面淀積一層氧化物鈍化層，之后在兩區(qū)域分別刻蝕氧化物淀積鋁從而形成陰極和陽極，再去除其他部分多余的鋁。

圖1 IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)

2 N型IBC太陽能電池建模仿真

2.1 工藝仿真

通過使用silvacoTCAD軟件可以對N型IBC太陽能電池進行仿真建模，使用工藝仿真器ATHENA，可對N型IBC太陽能電池整個工藝流程進行仿真，從而生成最終的N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)。其大致步驟如下：定義網(wǎng)格、初始化襯底、形成N++區(qū)和P+區(qū)（發(fā)射區(qū)）、淀積鈍化層、電極形成、上下表面旋轉(zhuǎn)、形成N+區(qū)、淀積鈍化層、結(jié)構(gòu)存儲。按照已設(shè)計好的電極尺寸和摻雜濃度等相關(guān)參數(shù)，通過工藝仿真器ATHENA進行工藝仿真，實現(xiàn)N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)。

2.2 器件仿真建模

一方面可直接調(diào)用工藝仿真器ATHENA生成的N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)，另一方面也可以使用silvacoTCAD軟件中的器件仿真器ATLAS直接生成相應(yīng)結(jié)構(gòu)。在此使用silvacoTCAD軟件器件仿真器ATLAS[10]生成N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)，主要分為如下4個步驟：

1）初始化網(wǎng)格：經(jīng)劃分的網(wǎng)格如圖2所示，在y=0.03位置，網(wǎng)格密度極高，研究pn結(jié)空間電荷區(qū)及結(jié)深的參數(shù)提取精度便可達到較高的水平[11]。對于該N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)而言，其襯底單元結(jié)構(gòu)寬 1 000 μm，厚度為 150 μm。

圖2 pn結(jié)的仿真網(wǎng)格

2）定義區(qū)域和材料：在N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)中可定義以下7個區(qū)域：

區(qū)域1：N型襯底區(qū)域，材料定義為硅，厚度為150 μm；

區(qū)域2：背表面N++摻雜區(qū)域（BSF），材料硅；

區(qū)域3：背表面發(fā)射區(qū)，材料硅；

區(qū)域 4：前表面 N+層（FSF），材料硅；

區(qū)域5：背表面鈍化層，材料為氧化硅，厚度為0.94 μm；

區(qū)域6：前表面鈍化層，材料為氧化硅，厚度為1μm；

區(qū)域7：背表面外層，材料為空氣。

3）電極的定義：電極寬度為80 μm，兩電極之間間隙寬度為420 μm。

4）摻雜定義：各區(qū)域摻雜如下：

區(qū)域 1：襯底，N 型摻雜，均勻（uniform）分布，濃度1014cm-3；

區(qū)域 2：N++區(qū)，N 型摻雜，高斯（gaussian）分布，濃度 1021cm-3；

區(qū)域 3：P+區(qū)，P 型摻雜，高斯（gaussian）分布，濃度 2×1021cm-3；

區(qū)域 2：N+區(qū)，N 型摻雜，高斯（gaussian）分布，濃度1016cm-3。

此外，還需要對N型IBC太陽能電池進行材料特性設(shè)置并選擇合適的物理模型。對于N型IBC太陽能電池，主要材料分為兩種，襯底材料Si和電極金屬Al。在器件仿真器ATLAS中，針對本文所研究的N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)特點，需要選擇的模型有遷移率模型組中的濃度依賴遷移率模型（conmob）和平行電場依賴模型（fldmob）以及Shockley-Read-Hall復(fù)合模型（consrh）。器件仿真器ATLAS是基于幾個范圍內(nèi)非耦合的非線性偏微分方程，所以其在器件結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格點需要對方程采用特定的數(shù)值計算方法來仿真計算獲取器件的特性。對于N型IBC太陽能電池結(jié)構(gòu)器件，文中可采用的計算方法是newton計算方法。

2.3 器件特性

圖3是N型IBC太陽能電池的光譜響應(yīng)（基于AM1.0太陽光譜[12]），由圖可看出，電池對于波長大于0.8 μm的太陽光吸收率迅速降低。電池前表面光線照射區(qū)材料的禁帶寬度直接決定著太陽能電池的具體波長吸收限大小。

圖3 N型IBC太陽能電池光譜響應(yīng)

對于N型IBC太陽能電池特性而言，主要需要研究的有開路電壓、短路電流和IV特性曲線。通過對其進行相應(yīng)的偏置電壓設(shè)置，然后進行仿真掃描以獲取相關(guān)的特性結(jié)果。圖4為N型IBC太陽能電池的I-V特性曲線，圖5為其內(nèi)外量子效率曲線。

2.4 器件仿真結(jié)果

1）N型IBC太陽能電池襯底參數(shù)

對于硅襯底參數(shù)，其中主要的參數(shù)[13]為襯底厚度與少子壽命，還有襯底電阻率，這與襯底摻雜濃度有關(guān)，不同少子壽命的襯底材料的襯底厚度對太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的仿真結(jié)果，如圖6所示。不同少子壽命的襯底材料的N型IBC太陽能電池轉(zhuǎn)換效率曲線，如圖7所示。

圖4 N型IBC太陽能電池I-V特性曲線

圖5 內(nèi)外量子效率曲線

圖6 不同襯底厚度和少子壽命情況下的IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率

2）N型IBC太陽能電池發(fā)射區(qū)參數(shù)

在N型IBC太陽電池中[14]，發(fā)射區(qū)表面濃度及結(jié)深為兩個重要的參數(shù)[15]，其顯著影響光生載流子復(fù)合。修改發(fā)射結(jié)結(jié)深和表面濃度，其仿真結(jié)果如圖8所示。

同時，探究這兩參數(shù)對太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率Eff值的影響，并探究發(fā)射結(jié)表面濃度與結(jié)深對相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)換效率Eff值的影響，所獲取的曲線如圖9所示。

圖7 不同襯底電阻率和少子壽命情況下，IBC太陽電池轉(zhuǎn)化效率

圖8 不同發(fā)射區(qū)表面濃度和結(jié)深(d)對IBC太陽電池短路電流密度的影響

圖9 不同發(fā)射區(qū)表面濃度和結(jié)深（d）對IBC太陽電池Eff的影響

2.5 仿真結(jié)果分析

對于單晶硅襯底材料，當少子壽命為500 μs時，相應(yīng)的襯底厚度合適范圍為60～70 μm，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率可達到22.45％。當少子壽命減小時，相應(yīng)的襯底厚度的合適值減小。

對于發(fā)射區(qū)參數(shù)研究結(jié)果顯示：發(fā)射區(qū)表面濃度越大、結(jié)深越深，IBC太陽電池效率也就越高。當發(fā)射區(qū)表面濃度為5×1020cm-3，結(jié)深為1 μm時，轉(zhuǎn)換效率高達23.35％。

所以整體分析而言，兩區(qū)域參數(shù)對N型IBC太陽能電池的性能影響并不統(tǒng)一，在設(shè)計工藝過程中需要對其各自的工藝參數(shù)做出適當調(diào)整，以便使太陽能電池性能更加穩(wěn)定，更具優(yōu)勢且效率更高。具體數(shù)值需要彼此參考，以形成最佳工藝參數(shù)組合。

根據(jù)以上研究，對于N型IBC太陽能電池工藝參數(shù)進行優(yōu)化處理，發(fā)射區(qū)結(jié)深控制在1 μm，發(fā)射區(qū)表面濃度控制在5×1020cm-3，同時襯底厚度控制在60 μm，襯底硅電阻率控制2Ω.cm，其少子壽命選擇為500 μs。對優(yōu)化后的器件模型進行仿真計算，其結(jié)構(gòu)如圖10所示，其I-V特性曲線如圖11所示。不難發(fā)現(xiàn)，雖最終的轉(zhuǎn)換效率得到相應(yīng)的提高，但距離最佳狀態(tài)仍有一定的距離，所以對于整個IBC太陽能電池的優(yōu)化工藝研究仍需繼續(xù)，該電池還具有較大的提升空間[16]。

圖10 優(yōu)化后的仿真結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

N型背結(jié)背接觸式（IBC）太陽能電池是一種新型結(jié)構(gòu)的高效率太陽能電池，在現(xiàn)實社會中已能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。由于其背結(jié)背接觸式結(jié)構(gòu)，在較大程度上不受電極限制，在生產(chǎn)技術(shù)和效率提升方面均具有改進空間，所以在未來發(fā)展進程中擁有一定的潛力。本文使用silvacoTCAD軟件對其進行建模仿真，并對其具體的工藝參數(shù)進行相關(guān)方面的研究與優(yōu)化，最后對最終的結(jié)果進行總結(jié)，得出N型IBC太陽能電池最合適的工藝參數(shù)組合，并加以仿真獲取結(jié)果驗證其合理性。

圖11 I-V特性曲線

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Process study of N type IBC solar cell

HE Zhi-wei，LIU Li
（Basic Teaching Department，Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

This paper will study the IBC of N-type solar cell，which is the N-type junction back-backcontact cell research.We will use silvaco TCAD software for N-type IBC solar cell for process simulation，conducted detailed studies of their specific process steps，and then the N-type IBC solar cell structure has been completed using silvaco TCAD device simulation software to explore this solar cell the various characteristics of the final binding process simulation and analysis of the N-type technology research IBC solar cell sorting summarized，and we obtainthe optimum technical parameters.

solar cell； N-type crystal silicon； back-back-contact； processes； silvaco TCAD

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0014-05

2016-08-16稿件編號：201608121

2015年河南省教育技術(shù)裝備和實踐教育研究立項課題（GZS134）

何志偉（1983—），男，河南鹿邑人，碩士研究生，講師。研究方向：粒子物理，半導(dǎo)體物理與器件。