交叉背接觸異質(zhì)結(jié)（IBC-SHJ）太陽能電池模型參數(shù)的仿真與優(yōu)化

韓名君 魏雪晴

摘 要

本文對IBC-SHJ電池背面的幾何尺寸進(jìn)行二維仿真和優(yōu)化，得到緩沖層、發(fā)射極和背面場對J-V特性的影響，以及FF因子的變化，結(jié)論表明緩沖層獲得最佳效率的寬度值為10nm附近，發(fā)射極寬度的效率最優(yōu)值約為3mm。

關(guān)鍵詞

交叉背接觸;異質(zhì)結(jié);緩沖層;發(fā)射極

中圖分類號： TM914.4;O613.72 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 95

Abstract

In this paper， the geometric dimensions of the back of IBC-SHJ battery were simulated and optimized in two dimensions. The influence of buffer layer， emitter and back field on j-v characteristics， as well as the change of FF factor were obtained. The conclusion shows that the width value of buffer layer for optimal efficiency is around 10nm， and the optimal efficiency value of emitter width is about 3mm.

Key words

Interdigital back contact;Si Heterojunction;Buffer layer

0 前言

硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)適用于低溫制備，同時具有較高的開路電壓Voc、可以實現(xiàn)雙面采光和全鈍化層接觸、無須光刻開孔，近年來得到迅速發(fā)展[1]。為進(jìn)一步提高電池的轉(zhuǎn)化效率，近年來還提出了在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入交叉背接觸結(jié)構(gòu)，制成交叉指式背接觸異質(zhì)結(jié)（IBC-SHJ）太陽能電池[2]。與普通電池相比，IBC-SHJ結(jié)構(gòu)采用a-Si：H作為雙面鈍化層，從而提高了開路電壓，同時由于此種電池表面無遮擋，光學(xué)損失減少，所以短路電流更高。目前，針對該電池結(jié)構(gòu)，日本的Kaneka公司已經(jīng)取得了26%的轉(zhuǎn)化效率[3]。我國目前對該種電池的研究主要還停留在仿真和試制階段，我們還需要進(jìn)一步研究揭示其機(jī)理、并指導(dǎo)我們的試制和生產(chǎn)。因此本文就對其關(guān)鍵的幾個工藝參數(shù)進(jìn)行仿真和研究，從而對工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

1 IBC-SHJ太陽能電池的幾何尺寸模擬與優(yōu)化

IBC-SHJ太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)是以n型硅片作為襯底，主體是n-c-Si材料，厚度為Wc-Si，其正面是減反射層ARC和前表面場FSF。n-c-Si材料背面為了改善表面鈍化性能，填充了一層緩沖層i-a-Si：H材料，緩沖層之下則是摻雜非晶硅層，呈叉指型分布，其中p-a-Si：H作為發(fā)射極，n-a-Si：H作為背面場BSF，其寬度分別為Wemit和WBSF。最后，在發(fā)射極和BSF上覆蓋有金屬接觸層，發(fā)射極和背面場之間用介質(zhì)層隔離[4]。

在IBC-SHJ結(jié)構(gòu)中，由于發(fā)射極和背面場以及緩沖層都在背面，因而我們對其背面的幾何尺寸進(jìn)行模擬和優(yōu)化。采用Silvaco軟件對器件進(jìn)行二維模擬。每次仿真時只改變一個參量，其余參量不變。首先對緩沖層非晶硅薄膜i-a-Si：H進(jìn)行仿真和優(yōu)化，其J-V特性仿真見圖1。從圖中可見，緩沖層為20nm時填充因子FF劇烈下降到36%，線段后半段呈現(xiàn)出S形。隨著緩沖層厚度的減小，填充因子增加，曲線軌跡越接近矩形，不再出現(xiàn)S形曲線。緩沖層為1nm時，其填充因子FF達(dá)到75%。但是過小的緩沖層也不利于鈍化的制備，在本文仿真的參數(shù)設(shè)置下，緩沖層厚度為10nm時FF即可達(dá)到77%。

圖2是發(fā)射極寬度Wemit對電池性能影響的仿真圖。取5種不同的發(fā)射極寬度，分別是200、400、600、800和1000μm，開路電壓Voc隨Wemit的增加而變化，但是短路電流Jsc隨Wemit的增加而變化。

圖3則表明發(fā)射極的覆蓋度先使FF增大，當(dāng)Wemit達(dá)到3mm時FF達(dá)到79%，之后FF開始隨著Wemit的增加而減小。這是由于發(fā)射極覆蓋度小于一定值時，器件的熱電子輸運(yùn)增加，但是如果p型發(fā)射極過大就會導(dǎo)致n型的背面場寬度相應(yīng)的縮小，從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加。

圖4是背面場寬度WBSF對電池性能影響的仿真圖。取5種不同的背面場寬度，分別是200、400、600、800和1000μm，開路電壓Voc基本不變，但是短路電流Jsc隨WBSF的增加而減小，這是由于載流子在做橫向擴(kuò)散時，如果背面場尺寸較大，則載流子需要經(jīng)過較長的距離才能獲得復(fù)合，因此才會WBSF增加而Jsc減小，說明需要WBSF越窄越好，F(xiàn)F則隨著WBSF的增加有所增加。

2 結(jié)論

本文中，我們用Silvaco軟件對IBC-SHJ太陽能電池進(jìn)行仿真模擬，并改變了3個不同的參數(shù)來優(yōu)化太陽能電池的效率。仿真實驗觀察到，固有的a- si層增加了Voc和Jsc，但同時降低了FF，形成“S”形的IV曲線。緩沖層的最佳寬度值取在10nm左右。同時n型背面場寬度增大時，Jsc減小，因此n型背面場必須選擇盡可能窄; p型發(fā)射極增加時則是Jsc增加FF減少。Jsc和FF的不同演化導(dǎo)致p型發(fā)射極寬度的效率最優(yōu)值大約為3mm。

參考文獻(xiàn)

[1]陳俊帆，等.高效單晶硅太陽電池的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].材料導(dǎo)報，2019，33（1）：110-116.

[2]張勤杰，等.背面結(jié)構(gòu)對鋁背發(fā)射極n型單晶硅太陽電池的影響研究[J].太陽能學(xué)報，201637（5）：1148-1152.

[3]北極星太陽能光伏網(wǎng).PERC、IBC、SHJ、TOPCon、HBC等高效光伏電池簡史.http：//guangfu.bjx.com.cn/news/20190513/979996.shtml

[4]沈文忠，李正平.硅基異質(zhì)結(jié)太陽能電池物理與器件[M].北京：科學(xué)出版社，2014.