異質(zhì)結(jié)太陽能電池的模擬與優(yōu)化設(shè)計

何鳳琴 馬昀鋒 張敏 楊超

摘? 要：結(jié)合異質(zhì)結(jié)電池的工作原理，運(yùn)用AFORS-HET軟件，對n型/p型異質(zhì)結(jié)太陽能電池進(jìn)行模擬與優(yōu)化設(shè)計，研究發(fā)射層、前本征層、襯底層的厚度以及氧化銦錫（ITO）薄膜功函數(shù)對異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的影響。結(jié)果顯示，n型異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略高于p型異質(zhì)結(jié)太陽能電池，n型異質(zhì)結(jié)太陽能電池的功函數(shù)提升會對電池的轉(zhuǎn)換效率有所幫助，而p型異質(zhì)結(jié)太陽能電池的功函數(shù)恰好相反，本文給出了優(yōu)化的異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計模型。

關(guān)鍵詞：異質(zhì)結(jié)太陽能電池? 層厚? 功函數(shù)? 模擬

中圖分類號：TM914.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（c）-0062-04

Abstract： Combined with the working principle of heterojunction cells， AFORS-HET software was used to simulate and optimize the design of n / p heterojunction solar cells. The influence of the thickness of emission layer， front eigen layer， substrate layer and indium tin oxide （ITO） film work function on the performance of heterojunction solar cells was studied. The results show that the conversion efficiency of n heterojunction solar cells is slightly higher than that of p heterojunction solar cells， and the work function enhancement of n heterojunction solar cells will help the conversion efficiency of the cells， while the work function of p heterojunction solar cells is the opposite. In this paper， an optimized structural design model of heterojunction cell is presented.

Key Words： Heterojunction solar cells; Layer thickness; Work function; Simulate

太陽能電池是主流產(chǎn)品，傳統(tǒng)單晶硅太陽電池主要采用高溫擴(kuò)散的工藝方式進(jìn)行電池制備[1]，成本較高，并且在一定程度上能耗較高，同時，對硅片的熱損傷也較大，隨著各工藝技術(shù)的逐漸成熟近年來，隨著清潔能源的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，單晶硅化開發(fā)，轉(zhuǎn)換效率即將達(dá)到瓶頸，不利于轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。非晶硅薄膜電池采用低溫工藝進(jìn)行制備，成本低，但存在較多缺陷，使其轉(zhuǎn)換效率降低，目前只有13%左右[2]，還有光衰問題難以從根本上解決。異質(zhì)結(jié)電池結(jié)合了晶硅光伏電池和非晶硅薄膜電池兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用硅片做基底，采用低溫工藝進(jìn)行制備，最高的電池制備工藝溫度控制在200℃左右，能耗較低，并且工藝過程簡單，僅濕法制絨、正反面本征非晶硅沉積、正反面摻雜非晶硅沉積、正反面透明導(dǎo)電膜沉積及金屬化工藝五步即可完成電池制備，且電池結(jié)構(gòu)為雙面對稱結(jié)構(gòu)可雙面封裝，在理論上可進(jìn)一步提升電池效率。1992年，由sanyo公司制造異質(zhì)結(jié)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率就已經(jīng)達(dá)到18.1%[3]。隨后sanyo公司不斷技術(shù)革新、改進(jìn)工藝，提高電池的轉(zhuǎn)換效率至25%左右[4-5]。但該電池在制備中雖然工藝簡單，但各工藝需進(jìn)行嚴(yán)格模擬計算及控制，否則電池也會存在較多缺陷，難以實現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換效率。本文從異質(zhì)結(jié)太陽能的物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究發(fā)射層、前本征層、襯底層的厚度以及氧化銦錫薄膜（ITO）功函數(shù)對電池性能的影響。

1? 物理模型

本文模擬采用的物理模型為采用厚度為100～220um的p（n）型摻雜單晶硅片作為沉底，再在硅片正反面沉積一層厚度為2～5nm的本征非晶硅作為鈍化層，接著在硅片正反面沉積一層5～10nm的摻雜型非晶硅薄層作為發(fā)射極，n型硅片正面沉積p型非晶硅薄層、背面沉積n型非晶硅薄層，p型硅片正面沉積n型非晶硅薄層、背面沉積p型非晶硅薄層，最后再在電池正反面沉積一層透明導(dǎo)電膜層，以收集光生效應(yīng)產(chǎn)生的電荷，并減少光的反射后在電池表面制備銀柵線作為電極[6-7]。

異質(zhì)結(jié)電池的原理[8]：太陽光照射在異質(zhì)結(jié)電池表面，pn結(jié)吸收太陽光產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在自建電場的作用下，電子向正極移動、空穴向負(fù)極移動，在電池正負(fù)極形成電荷積累，從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。

模擬過程中，通過控制層厚度，優(yōu)化異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步研究ITO功函數(shù)對其性能的影響[9]。模擬時忽略電池本身界面態(tài)的影響，光照設(shè)置為國際標(biāo)準(zhǔn)的1個太陽標(biāo)準(zhǔn)，即AM1.5，100mW/cm2。

2? 各膜層厚度對異質(zhì)結(jié)電池性能的影響

在理論建模中，把異質(zhì)結(jié)電池（無論n型異質(zhì)結(jié)或p型異質(zhì)結(jié)）發(fā)射極膜層厚度設(shè)置為1～10nm，前表面、后表面本征層厚度即背場膜層厚度均為5nm、襯底厚度為300um，其余參數(shù)保持不變。

2.1 摻雜非晶硅層厚度對異質(zhì)結(jié)電池性能的影響

以本征層的厚度為變量，設(shè)置發(fā)射層摻雜濃度為5×1019、襯底摻雜濃度為1×1017、背場層摻雜濃度為8×1019。研究各膜層厚度對電池短路電流Isc、開路電壓Voc、轉(zhuǎn)換效率Eff等參數(shù)的影響。

無論是n型異質(zhì)結(jié)太陽能電池還是p型異質(zhì)結(jié)太陽能電池，均隨著發(fā)射層厚度的增加，開路電壓Voc、短路電流Jsc和轉(zhuǎn)換效率Eff均降低。這是由于摻雜非晶硅膜厚度增加時，少數(shù)載流子的復(fù)合變大，太陽能電池空間電荷區(qū)界面的電荷積累減少，因此，開路電壓Voc降低;同時，隨著膜層厚度增加，電池的串聯(lián)電阻也隨之增大，導(dǎo)致了短路電流Jsc降低;從而也導(dǎo)致了整體的轉(zhuǎn)化效率Eff降低。結(jié)合模擬結(jié)果及目前工藝條件狀況，將摻雜發(fā)射極非晶硅膜層厚度設(shè)置為4nm。

2.2 前表面本征層厚度對電池性能影響

模擬仿真建模過程中，為保持和前序模擬建模的一致性，將電池的發(fā)射層膜厚設(shè)置為4nm、背表面本征層及背場層膜厚均設(shè)置為5nm、硅基底厚度設(shè)置為300um，將電池前表面的本征非晶硅膜層厚度設(shè)置在1～10nm之間，其他參數(shù)不變。

從圖1中可以看出，對于n型異質(zhì)結(jié)電池來說，隨著前表面本征非晶硅層厚度的增加，開路電壓Voc基本不變，短路電流Jsc、填充因子FF和電池的轉(zhuǎn)換效率Eff逐漸下降。這是因為對于n型的異質(zhì)結(jié)電池來說，前表面存在的較大價帶帶階，使得少數(shù)載流子空穴陷阱增多，阻止了光生載流子主要空穴向電池內(nèi)部的有效傳輸，同時，增厚的本征非晶硅層使得鈍化作用加強(qiáng)，少數(shù)載流子產(chǎn)生復(fù)合的效應(yīng)降低，從而使得開路電壓Voc基本保持不變。但由于本征非晶硅層厚度的增加，使得電池整體的串聯(lián)電阻增加，從而導(dǎo)致了短路電流降低、填充因子FF降低，因此，電池的轉(zhuǎn)換效率也隨之降低。對于p型異質(zhì)結(jié)電池來說，隨著電池前表面本征非晶硅膜層厚度的增加，開路電壓Voc、短路電流Jsc和轉(zhuǎn)換效率Eff均降低。這是由于在p型硅襯底中，電池前表面有較小的導(dǎo)帶帶階，少數(shù)載流子為電子，電子所受到的阻滯小，使得電子更易被收集，從而使得本征非晶硅厚度增加時，少數(shù)載流子的復(fù)合機(jī)率變大，從而導(dǎo)致了開路電壓Voc隨之降低。理論仿真模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計電池結(jié)構(gòu)，設(shè)定電池前表面本征非晶硅膜層厚度為4nm。

2.3 襯底厚度對異質(zhì)結(jié)電池性能的影響

在該模擬仿真建模中，將兩種異質(zhì)結(jié)電池的發(fā)射極膜層、前表面本征非晶硅膜層厚度均設(shè)置為4nm，背表面本征非晶硅膜層和背場非晶硅膜層厚度均設(shè)置為5nm。將電池的襯底厚度設(shè)置在50～300μm之間變化，模擬仿真n型異質(zhì)結(jié)電池和p型異質(zhì)結(jié)電池的性能變化。

兩種異質(zhì)結(jié)電池均隨著襯底厚度減少，開路電壓Voc提高，短路電流Jsc降低。這是因為隨著硅片基底厚度的減小，自建電場的強(qiáng)度會增強(qiáng)，導(dǎo)致開路電壓Voc有所提升，但當(dāng)硅片減薄時，光的吸收也會隨之減少，導(dǎo)致短路電流也降低?？傮w來說，隨著硅片厚度的增大，電池的Voc減少較多，Jsc增加的少，因此，電池整體的填充因子也是呈降低狀態(tài)。兩種類型異質(zhì)結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率均隨著硅片厚度的增加先增加再減少，但減少的趨勢相對小一些，從模擬結(jié)果看，n型異質(zhì)結(jié)電池在150μm達(dá)到最大值，為27.54%，但p型異質(zhì)結(jié)電池在200μm時達(dá)到最大值，為27.47%。優(yōu)化結(jié)果如表1所示。在異質(zhì)結(jié)電池的制造中，n型硅襯底不存在硼氫鍵引起的光照衰減問題，具有較高的少子壽命，而且n型硅襯底在150μm時效率比200μm時p型硅襯底的效率要高，節(jié)約成本。所以無論是從電池自身的性能，還是從電池的成本來考慮，n型硅襯底更適合做異質(zhì)結(jié)電池。

3? ITO功函數(shù)對異質(zhì)結(jié)電池性能的影響

ITO薄膜作為異質(zhì)結(jié)電池的透明導(dǎo)電膜層，其功函數(shù)對異質(zhì)結(jié)電池的開路電壓Voc、短路電流Jsc、填充因子FF和抓換效率Eff有較大影響，所以ITO薄膜的功函數(shù)十分重要。ITO薄膜的功函數(shù)范圍在3.6～5.3eV之間，有90%以上的透光率，而且可以控制其摻雜類型，使得功函數(shù)增加到5.2～6.1eV。

通過前面的優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為：發(fā)射極摻雜非晶硅膜層及前表面本征非晶硅膜層厚度為4nm，n型異質(zhì)結(jié)電池硅片厚度150μm，p型異質(zhì)結(jié)電池硅片厚度200μm，背表面本征非晶硅及背場摻雜非晶硅膜層為5nm，設(shè)定n型異質(zhì)結(jié)電池的功函數(shù)從3.9～4.5VeV變化，p型異質(zhì)結(jié)功函數(shù)5.0～5.6eV變化，其他參數(shù)不變。

從圖2中可以看到，n型異質(zhì)結(jié)電池和p型異質(zhì)結(jié)電池開路電壓、短路電流、填充因子均呈現(xiàn)相反的變化趨勢。對于p型硅片，功函數(shù)小時，透明導(dǎo)電膜/發(fā)射極摻雜非晶硅層界面的能帶彎曲方向與發(fā)射極摻雜非晶硅層/硅片界面的能帶彎曲方向相同，因此具有相同的內(nèi)建電場方向，有利于電子的收集，從而提升了電池整體的轉(zhuǎn)換效率。但是當(dāng)透明導(dǎo)電膜的功函數(shù)過高時，透明導(dǎo)電膜/發(fā)射極摻雜非晶硅層界面的能帶彎曲方向與摻雜非晶硅膜層/硅片界面的能帶彎曲方向相反，則導(dǎo)致內(nèi)建電場方向也相反，不利于少數(shù)載流子收集。而對于n型硅片，功函數(shù)較高時，透明導(dǎo)電膜層/發(fā)射極摻雜非晶硅層界面/硅片各界面的電場方向相同，相同的電場方向有利于少數(shù)載流子收集，提升了電池的轉(zhuǎn)換效率;功函數(shù)較低時，則上述的界面電場方向相反，從而導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率降低。從ITO功函數(shù)對異質(zhì)結(jié)電池的影響來看，更適合作為n型異質(zhì)結(jié)電池的窗口層。

4? 結(jié)語

（1）n（p）型異質(zhì)結(jié)太陽能電池，均隨著發(fā)射層厚度的增加，Voc、Jsc和Eff均有所下降。但p型異質(zhì)結(jié)由于易收集電子，使得Voc比n型異質(zhì)結(jié)電池的要低。

（2）p型異質(zhì)結(jié)隨前本征層厚度的增加，少子復(fù)合機(jī)率大，Voc有所下降。對于n型異質(zhì)結(jié)，厚度對Voc影響不大。但n（p）型異質(zhì)結(jié)電池，隨厚度增加，轉(zhuǎn)換效率均有所下降。

（3）隨襯底層厚度增加，對光的吸收更加充分，電池性能開始隨襯底厚度增加而提升。在保持摻雜濃度不變的情況下，n型在150μm時達(dá)到最優(yōu)值27.54%，最終得到p型異質(zhì)結(jié)電池在200μm時效率達(dá)到最優(yōu)值27.47%。

（4）p型異質(zhì)結(jié)電池功函數(shù)越低，ITO/a-Si：H（n）界面的能帶彎曲方向與a-Si：H（n）/c-Si（p）界面能帶彎曲方向相同，轉(zhuǎn)換效率越好。n型異質(zhì)結(jié)電池，功函數(shù)越高，轉(zhuǎn)換效率越好。

參考文獻(xiàn)

[1] Green M A，Keith E，Hishikawa Y，et al. Solar cell efficiency tables [J].Progress in Photovoltaics： Research and Applications，2013，21（5）：827-837.

[2] 謝猛，楊德仁，余學(xué)功.PERC型晶硅太陽電池的光致衰減及其鈍化技術(shù)研究[D]杭州：浙江大學(xué)，2018.

[3] AFORS-HET SIMULATION STUDY OF HIT SOLAR CELLS： SIGNIFICANCE OF INVERSION LAYER，Lifei Yang， Fengqin He，Semiconductor Technology International Conference - 2016.

[4] Guilin Lu，Jianqiang Wang，et al.Development of back-junction back-contact silicon solar cells based on industrial processes.[J]Prog. Photovolt： Res. Appl. （2017）.

[5] Taguchi M，Yano A，Tohoda S，et al.24. 7% record efficiency 異質(zhì)結(jié) solar cell on thin silicon wafer [J].IEEE Journal of Photovoltaics， 2014，4（1）：96-99.

[6] 馬斌，馮曉東. 異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的模擬計算[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014（4）：45-49.

[7] Rui JIA. Inuence of using amorphous silicon stack as front heterojunction structure on performance of interdigitated back contact-heterojunction solar cell （IBC-HJ）[J].Front. Energy，2017， 11（1）： 96–104.

[8] 盧剛，楊振英，何鳳琴，等.N型背接觸異質(zhì)結(jié)太陽電池背面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].材料導(dǎo)報，2019，33（S1）：45-49.

[9] 姚堯，肖少慶，劉晶晶，等.利用AFORS-HET對P型異質(zhì)結(jié)太陽電池的模擬優(yōu)化[J].人工晶體學(xué)報，2016.

[10] 何永才，董剛強(qiáng)，張小燕，等.高效硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的ITO薄膜研究[J].太陽能學(xué)報，2020 ，41（4）：1-6.