載流子壽命對n型背結(jié)晶硅太陽能電池性能的影響

馬菁菁， 盧正正， 張 帥， 呂文輝

(湖州師范學(xué)院 理學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

0 引 言

商品化晶硅太陽能電池主要以p型晶體硅為原料，通過制絨、擴(kuò)散、刻蝕去邊、鍍氮化硅減反射膜層、印刷正銀柵線、背鋁和背銀電極等產(chǎn)線工藝獲得p型晶硅太陽電池[1-3].其中，p型晶硅太陽電池的p-n結(jié)位于電池前表面，p型基極中光生載流子可通過擴(kuò)散輸運(yùn)到電池前表面被有效分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.據(jù)國際光伏技術(shù)路線圖(ITRPV)報(bào)道，p型晶硅太陽電池的市場占有率較高[4].而傳統(tǒng)的p型晶硅太陽電池采用p型晶體硅為原料，其內(nèi)部硼氧復(fù)合體在光照下逐漸被激活，形成陷阱中心，相應(yīng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低，晶硅光伏組件的光衰減嚴(yán)重[5].

以n型晶體硅為原料制作的太陽能電池光衰減較低，能夠避免傳統(tǒng)p型晶硅太陽電池的光衰減問題.其制造流程設(shè)計(jì)需要結(jié)合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)晶硅太陽電池的產(chǎn)線工藝，以有效匹配集成到現(xiàn)有龐大的標(biāo)準(zhǔn)晶硅太陽電池生產(chǎn)線，加速其產(chǎn)業(yè)化.以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)工藝和n型晶硅為原料制備晶硅太陽能電池，其p-n結(jié)在電池的背表面形成新型的n型背結(jié)晶硅太陽能電池.由于n型背結(jié)晶硅太陽能電池的p-n結(jié)在電池的背表面，其光電轉(zhuǎn)換過程不同于傳統(tǒng)p型正結(jié)晶硅太陽能電池，光生電荷需要擴(kuò)散一段距離至其背表面分離，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.因此，n型晶體硅原料的關(guān)鍵光電參數(shù)(特別是載流子壽命)決定著新型電池的性能，需要從理論上認(rèn)識晶體硅原料的關(guān)鍵光電參數(shù)對器件性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步預(yù)期何種光電參數(shù)的n型晶體硅原料能夠制備出高效電池，從而選取適合光電參數(shù)的n型晶體硅原料，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)晶體硅太陽電池生產(chǎn)線上制備出高效率的n型背結(jié)晶硅太陽電池產(chǎn)品.

本文基于OPAL[6]和PC1D[7]仿真計(jì)算，研究n型背結(jié)晶硅太陽能電池中晶體硅原料的載流子壽命對其光電轉(zhuǎn)換性能的影響.在此基礎(chǔ)上仿真計(jì)算n型背結(jié)晶硅太陽能電池的量子效率，獲得晶體硅原料的載流子壽命對其光譜響應(yīng)的影響規(guī)律，并結(jié)合n型背結(jié)晶硅太陽能電池的仿真結(jié)果及光電轉(zhuǎn)換過程，討論晶體硅原料的載流子壽命對其性能影響規(guī)律的物理機(jī)制.

1 仿真過程與參數(shù)

采用OPAL光學(xué)軟件模擬計(jì)算氮化硅減反光薄膜加金字塔織構(gòu)的晶體硅的反射光譜.氮化硅、晶體硅的光學(xué)常數(shù)參考文獻(xiàn)[8]和[9]，通過優(yōu)化氮化硅厚度獲得優(yōu)化的減反射光譜.隨后將獲得的減反射光譜導(dǎo)入n型背結(jié)晶硅太陽能電池的PC1D仿真模型.n型背結(jié)晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

電池的前表面為氮化硅薄膜加金字塔織構(gòu)，作為減反光結(jié)構(gòu).前表面重?fù)诫s的N+-Si為前表場，用于降低光生載流子的前表面復(fù)合.中間的N-Si是晶體硅原料，作為電池的基集，用于吸收太陽光子及產(chǎn)生空穴電子對.背表面的P+-Si與中間的N-Si形成p-n結(jié)，用于分離光生載流子，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.整個(gè)n型背結(jié)晶硅太陽能電池的PC1D仿真模型參數(shù)如表1所示.其中n型晶體硅原料的載流子壽命作為仿真變量，從而仿真計(jì)算獲得n型背結(jié)晶硅太陽能電池的電流電壓(I-V)曲線和量子效率(EQE)曲線.

表1 n型背結(jié)晶硅太陽能電池的PC1D仿真參數(shù)

2 結(jié)果與討論

圖2為采用OPAL光學(xué)模擬獲得的氮化硅減反光薄膜加金字塔織構(gòu)的晶體硅的反射光譜.從圖2可以看出，在中長波450～1 100 nm范圍內(nèi)該減反光結(jié)構(gòu)具有卓越的反光性能，光反射率低于5%.其物理機(jī)制是薄膜干涉疊加金字塔多次反射降低了前表面的光反射損失.其中在570 nm波長下光反射率幾乎為零，其物理原因是氮化硅薄膜的光學(xué)干涉相消.在短波300～400 nm范圍內(nèi)光反射率較高，光反射損失嚴(yán)重,因此相應(yīng)的電池片表面為藍(lán)色.其物理原因是在這一譜段晶體硅的折射率高，空氣、氮化硅薄膜晶體硅體系的折射率梯度以及干涉相消失配大.獲得的氮化硅減反光薄膜加金字塔織構(gòu)的晶體硅的反射光譜可直接導(dǎo)入后續(xù)n型背結(jié)晶硅太陽能電池的PC1D仿真模型，用于光電轉(zhuǎn)換性能和量子效率的計(jì)算.

圖3(a)為不同基極載流子壽命的n型背結(jié)晶硅太陽能電池的I-V曲線.從圖3(a)看出,n型背結(jié)晶硅太陽能電池的短路電流和開路電壓隨著基極載流子壽命的增加而非線性地增加.載流子壽命較低時(shí)，n型背結(jié)晶硅太陽能電池的短路電流和開路電壓變化比較顯著;載流子壽命較高時(shí)，n型背結(jié)晶硅太陽能電池的短路電流和開路電壓變化比較緩慢;在載流子壽命大于200 μs后，繼續(xù)增加載流子壽命，兩者變化不太明顯.晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率PCE為：

(1)

其中：Isc為短路電流；Voc為開路電壓；FF為填充因子；S為電池的面積；Pin為入射至電池的AM1.5 G太陽光譜[10]的光功率.Pin為常數(shù)，設(shè)置為100 mW/cm2.因此，n型背結(jié)晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取決于短路電流和開路電壓.根據(jù)I-V曲線，可獲得相應(yīng)的短路電流、開路電壓及填充因子.進(jìn)一步結(jié)合公式(1)，可得到電池的光電轉(zhuǎn)換效率.圖3的(b)、(c)、(d)分別為n型背結(jié)晶硅太陽能電池的短路電流、開路電、光電轉(zhuǎn)換效率隨基極載流子壽命的變化規(guī)律曲線.

從圖3的(b)、(c)、(d)可以看出,低載流子壽命相應(yīng)電池的短路電流、開路電壓較低，導(dǎo)致最終光電轉(zhuǎn)換效率比較低.隨著基極載流子壽命的增加，相應(yīng)電池的短路電流、開路電壓逐漸增加，導(dǎo)致最終光電轉(zhuǎn)換效率逐漸增加.但各個(gè)光電參數(shù)隨基極載流子壽命增加而增加的規(guī)律是非線性的.當(dāng)基極載流子壽命增加到200 μs后，各個(gè)光電參數(shù)幾乎不發(fā)生變化，達(dá)到飽和.因此，為實(shí)現(xiàn)n型背結(jié)晶硅太陽能電池的高效率,必須嚴(yán)控n型晶體硅原料的品質(zhì)，其載流子壽命一定要高于一定值才能使電池獲得高性能.

為理解晶體硅原料的載流子壽命影響n型背結(jié)晶硅太陽能電池性能的物理機(jī)制，進(jìn)一步計(jì)算n型背結(jié)晶硅太陽能電池的量子效率，結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出，隨著晶體硅原料的載流子壽命的增加，EQE值不斷增大，隨后趨于穩(wěn)定.EQE取決于光吸收、載流子擴(kuò)散輸運(yùn)、載流子分離及載流子收集.在本研究中，n型背結(jié)晶硅太陽電池的p-n結(jié)在電池的背表面，光生載流子需要擴(kuò)散一段距離至其背表面分離，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.上述計(jì)算中，光吸收、p-n結(jié)的載流子分離及收集能力均相同.因此，載流子壽命影響n型背結(jié)晶硅太陽能電池的EQE可歸結(jié)為載流子擴(kuò)散輸運(yùn)中的復(fù)合損失不同.低載流子壽命的晶體硅原料制作的電池頂部的光生載流子擴(kuò)散長度短，在未擴(kuò)散至背表面p-n結(jié)前就大量復(fù)合損失，因此具有低的EQE.高載流子壽命的晶體硅原料制作的電池頂部的光生載流子擴(kuò)散長度長，大部分能夠擴(kuò)散至背表面p-n被分離，因此具有高的EQE.當(dāng)晶體硅原料的載流子壽命高于一定值，電池頂部的光生載流子幾乎能夠擴(kuò)散至背表面p-n被分離，因此EQE對晶體硅原料的載流子壽命不敏感.可見，晶體硅原料的載流子壽命影響n型背結(jié)晶硅太陽能電池性能的物理機(jī)制是新型結(jié)構(gòu)電池中光生載流子擴(kuò)散輸運(yùn)路徑長，載流子擴(kuò)散輸運(yùn)中的復(fù)合損失不同.

3 結(jié) 論

n型背結(jié)晶硅太陽能電池中晶體硅原料的載流子壽命影響著其光電轉(zhuǎn)換性能，隨著n型晶體硅原料的載流子壽命增加，電池的短路電流、開路電壓及光電轉(zhuǎn)換效率均逐漸增大，最終趨于飽和.其物理機(jī)制是新型結(jié)構(gòu)電池中光生載流子擴(kuò)散輸運(yùn)路徑長，載流子擴(kuò)散輸運(yùn)中的復(fù)合損失不同.因此，為實(shí)現(xiàn)n型背結(jié)晶硅太陽能電池的高效率，必須嚴(yán)控n型晶體硅原料的品質(zhì)，其載流子壽命一定要高于一定值才能使電池獲得高性能.該研究結(jié)果可為獲得高效率n型背結(jié)晶硅太陽能電池選取合適載流子壽命的n型晶體硅原料提供理論指導(dǎo).