超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池理論模擬計算及分析

車 晉，盧海江

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，晉中 030800；2.宣城開盛新能源科技有限公司，宣城 242000)

0 引 言

在主流的PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)太陽能電池降成本空間越來越小，轉(zhuǎn)換效率越來越接近理論“天花板”的背景下，異質(zhì)結(jié)太陽能電池有望成為下一代商業(yè)化光伏生產(chǎn)的候選技術(shù)之一。和PERC技術(shù)相比，理論上異質(zhì)結(jié)電池擁有更高的轉(zhuǎn)換效率，目前最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到25.6%，疊加IBC(Interdigitated back contact)技術(shù)后可以超過26%。此外，雙面電池組件產(chǎn)品越來越受到主流市場的認可，異質(zhì)結(jié)電池具有更好的雙面性，雙面率可以達到98%。因此異質(zhì)結(jié)電池已經(jīng)成為了光伏行業(yè)的新寵，各大光伏企業(yè)都在加快異質(zhì)結(jié)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。目前異質(zhì)結(jié)電池尚不具備成本優(yōu)勢，異質(zhì)結(jié)電池降低成本主要從兩方面著手：一方面，降低低溫銀漿的成本；另一方面就是降低硅材料成本，最直接的方法就是使用更薄的硅片，行業(yè)使用的都是150 μm左右的硅片，如果把硅片的厚度降低到100 μm以下，成本會大幅下降。由于異質(zhì)結(jié)電池采用對稱的結(jié)構(gòu)，沒有鋁背場，因此電池片不會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，使用更薄的硅片，可以制造能夠彎曲的柔性組件，能夠更大程度的擴展光伏組件的應(yīng)用領(lǐng)域。所以采用超薄硅片的異質(zhì)結(jié)電池必將是未來的發(fā)展方向。三洋公司在2011年就研發(fā)了厚度只有98 μm，轉(zhuǎn)換效率達22.8%的超薄異質(zhì)結(jié)電池[1]，給超薄異質(zhì)結(jié)電池的可行性提供了強有力的依據(jù)。

自從異質(zhì)結(jié)電池誕生以來，為了獲得低成本、高效率的異質(zhì)結(jié)太陽能電池，世界各國的科學(xué)家對其做了大量的理論模擬研究工作，也取得了很大的進展，但主要是基于常規(guī)厚度硅片的異質(zhì)結(jié)電池的理論模擬，探究其物理規(guī)律和提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，而對于采用超薄硅片的異質(zhì)結(jié)電池方面的理論模擬工作甚少，以考慮成本的角度，采用超薄硅片的異質(zhì)結(jié)電池必然是未來發(fā)展的行業(yè)趨勢。因此本文采用AFORS-HET數(shù)值模擬軟件(該軟件具有更高的可靠性[2])，選用厚度為80 μm的N型硅片作為襯底，對超薄異質(zhì)結(jié)電池的性能做了探究和分析，為后續(xù)超薄異質(zhì)結(jié)電池的投產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 物理模型

AFORS-HET是在半導(dǎo)體材料態(tài)密度(DOS)模式下對器件進行直流模擬。在這種模式下，半導(dǎo)體的能帶電子態(tài)分為導(dǎo)帶、價帶擴展態(tài)，導(dǎo)帶、價帶帶尾定域態(tài)以及帶隙定域態(tài)。帶尾定域態(tài)主要由鍵角應(yīng)變鍵引起，其態(tài)密度用指數(shù)函數(shù)描述。帶隙定域態(tài)其密度呈雙高斯分布[3]。模擬中復(fù)合模型采用帶間復(fù)合、俄歇復(fù)合和Shock-ley-Read-Hall復(fù)合，并且采用經(jīng)典的玻爾茲曼統(tǒng)計來計算載流子的濃度。

本文模擬的超薄異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，其襯底選擇為80 μm厚的N型Si襯底，假設(shè)電池的表面反射率為0.1，背面反射率為0，電池?zé)o限光和背場效應(yīng)，正、背面電極均為歐姆接觸，各層的其他參數(shù)如表1所示，缺陷態(tài)的設(shè)置參考文獻[4-7]，模擬太陽光的照射條件為25 ℃，AM1.5，1 000 mW/cm2，有效波段范圍0.3～1.1 μm。

表1 太陽能電池模擬參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 窗口層厚度對電池性能的影響

圖1 超薄異質(zhì)結(jié)電池的結(jié)構(gòu)圖

窗口層對超薄異質(zhì)結(jié)電池的性能有重要影響，圖2模擬了不同窗口層厚度條件下超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能參數(shù)的變化情況，在模擬過程中只改變窗口層厚度，保持其他參數(shù)不變，且忽略界面態(tài)的影響。模擬結(jié)果表明，隨著窗口層厚度的增加，電池各項光伏參數(shù)都在減小，其中開路電壓Voc和短路電流Jsc受影響最大，這是因為與N型單晶硅(N-c-Si)襯底相比，P型納米晶硅(P-nc-Si)窗口層有更多的缺陷態(tài)，大量載流子在發(fā)射區(qū)復(fù)合，而且光生載流子在窗口層的擴散長度小，因此只有漂移電流無擴散電流，窗口層產(chǎn)生的光生載流子對電池的總電流幾乎沒有貢獻[8]，P-nc-Si薄膜具有較大的光學(xué)吸收系數(shù)，因此隨著窗口層厚度的增加，短路電流也會大幅下降。由理想二極管模型可知：

(1)

式中，k是指玻爾茲曼常數(shù)，t是時間，q是電荷，Jsc是太陽能電池的短路電流密度，J0是太陽能電池的反向飽和電流密度。

當(dāng)短路電流Jsc下降時會導(dǎo)致開路電壓的下降，進而導(dǎo)致電池填充因子和轉(zhuǎn)換效率的下降。圖3為不同窗口層厚度內(nèi)量子效率變化曲線。從圖中也可以看出，隨著窗口層厚度的增大，內(nèi)量子效率在短波區(qū)(300～600 nm)明顯減弱，主要是由于窗口層的光吸收所導(dǎo)致，這也是短路電流減少的重要原因。因此對于超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池，窗口層要盡量的薄，但是考慮到在實際生產(chǎn)過程中，如果硅基薄膜沉積太薄，薄膜的質(zhì)量和均勻性都很難達到工藝要求，所以P-nc-Si的厚度要控制在5～9 nm的范圍內(nèi)，電池可以取得較高的效率。

圖2 窗口層厚度對電池性能的影響

圖3 不同窗口層厚度的內(nèi)量子效率

2.2 窗口層摻雜濃度對電池性能的影響

對于異質(zhì)結(jié)太陽能電池，窗口層的摻雜濃度對電池性能的影響非常重要，因此模擬了窗口層在不同摻雜濃度條件下，對超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的影響，在模擬過程中僅僅改變窗口層摻雜濃度，其他參數(shù)保持不變，且忽略界面態(tài)的影響。

由圖4模擬結(jié)果表明，隨著窗口層摻雜濃度的增加，電池各項光伏參數(shù)都是先增加然后趨于恒定，因為在N-c-Si的摻雜濃度、溫度不變的情況下，窗口層摻雜濃度越高，內(nèi)建電場越強，電池的開路電壓也越大[9]，填充因子FF與開路電壓Voc的關(guān)系可用經(jīng)驗公式[9]表示為：

(2)

式中，k是指玻爾茲曼常數(shù)，q是電荷，T是溫度，voc是指歸一化的開路電壓。所以隨著電池開路電壓的增加，填充因子FF也在增加；另一方面，當(dāng)內(nèi)建電場增強時，能夠有效提高載流子的收集效率，所以電池Jsc增加。但是當(dāng)摻雜濃度繼續(xù)增加時，內(nèi)建電場強度、載流子收集都達到了飽和，由此各項參數(shù)都保持了不變。

圖5為不同窗口層摻雜濃度的內(nèi)量子效率變化曲線。從圖中可以看出，隨著窗口層摻雜濃度的增大，內(nèi)量子效率在長波長(500～1 100 nm)處增強，因為窗口層的摻雜濃度增加時，窗口層的空間電荷區(qū)幾乎不發(fā)生變化，但是N-c-Si的空間電荷區(qū)會變寬，由于長波長的光在距離硅片表面較遠處被吸收，所以當(dāng)電荷區(qū)變寬時，離表面較遠的光生載流子的收集效率會大幅提高，因此電池長波處的內(nèi)量子效率較大，這也是短路電流增大的重要原因。

當(dāng)摻雜濃度繼續(xù)增加時，電池在短波處(300～500 nm)的內(nèi)量子效率略微減少，這是因為短波長的光子主要是被P-nc-Si窗口層所吸收，在高摻雜的P-nc-Si窗口層中，不僅具有高的缺陷態(tài)密度，而且俄歇復(fù)合幾率也會增強，導(dǎo)致發(fā)射區(qū)的光生載流子的復(fù)合增加，因此窗口層產(chǎn)生的光生載流子對電池總電流沒有貢獻，從而導(dǎo)致在短波長的內(nèi)量子效率降低。

通過對P-nc-Si窗口層摻雜濃度的模擬得出，對于超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池，為了得到較高的電池效率，其摻雜濃度選擇7×1019～8×1019的范圍。

圖4 窗口層摻雜濃度對電池性能的影響

圖5 不同窗口層摻雜濃度的內(nèi)量子效率

2.3 窗口層光學(xué)帶隙對電池性能的影響

由圖6的模擬結(jié)果得出，窗口層的摻雜濃度和厚度不變時，帶隙寬度的變化對開路電壓和電池的效率影響較大，對填充因子和短路電流有較小的影響。電池的開路電壓和效率隨著帶隙的增大而增加，因為當(dāng)窗口層帶隙寬度增大時，載流子在N-c-Si和P-nc-Si之間的勢壘增加，PN結(jié)的反向飽和電流減少，則開路電壓變大，進而導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率上升。圖7為窗口層不同帶隙的內(nèi)量子效率圖。從圖中的模擬結(jié)果可以看出，隨著窗口層帶隙增加，短波處的內(nèi)量子效率相應(yīng)增加，主要是由于窗口層在短波處的吸收減少所致，這也是電池短路電流增加的原因[10-11]。當(dāng)帶隙大于2 eV以后，電池的FF開始下降，這主要是兩方面原因造成的。一方面是由于P-nc-Si薄膜內(nèi)部較多的缺陷態(tài)，當(dāng)窗口層帶隙較低時，缺陷的影響比較小，同時帶隙的增加會彌補缺陷的影響，F(xiàn)F基本上保持不變，電池的轉(zhuǎn)換效率也會明顯增加，但是當(dāng)帶隙增加幅度過大時，缺陷造成的影響就會急劇增加，伴隨著填充因子的下降，最終導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率下降。另一方面隨著窗口層帶隙的增加，本征硅和晶體硅的能帶偏移增加，進而導(dǎo)致光生少數(shù)載流子的勢壘增加，阻礙少數(shù)載流子的傳輸，最終結(jié)果是電池性能整體下降。因此綜合考慮，對于高效超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池窗口層的帶隙應(yīng)該是在1.85～2.0 eV之間。

圖6 窗口層帶隙對電池性能的影響

圖7 不同帶隙窗口層的內(nèi)量子效率

2.4 本征層厚度對電池性能的影響

異質(zhì)結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率能夠取得突破，主要歸功于在最初的異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)中，插入一層很薄的本征非晶硅薄層，無論是常規(guī)的異質(zhì)結(jié)電池還是超薄異質(zhì)結(jié)電池，本征層薄膜的質(zhì)量和性能都非常重要。本文在數(shù)值模擬過程不考慮其界面態(tài)，即不考慮本征層的鈍化功能，主要是模擬和分析了本征層的厚度和光學(xué)帶隙對超薄異質(zhì)結(jié)電池性能的影響。

從圖8的模擬結(jié)果可以看出，隨著本征層厚度從1 nm增加到3 nm時，電池的填充因子FF和效率Eff相應(yīng)增加，由于本征硅帶隙介于晶硅和窗口層之間，可以起到能帶的過渡作用，因此插入本征硅，可以降低少數(shù)載流子的傳輸勢壘，有利于光生載流子的收集，導(dǎo)致FF相應(yīng)增加，進而導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率上升[10-11]。本征層薄膜的電阻率較高，當(dāng)其厚度繼續(xù)增加時，電池的串聯(lián)電阻不斷增大，串聯(lián)電阻是FF因子的重要影響因素，所以隨著本征層厚度的增加，填充因子相應(yīng)減小，進而導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率降低。模擬結(jié)果得出，隨著本征層厚度的增加，電池的短路電流逐漸減少，由于本征非晶硅薄膜的光學(xué)吸收系數(shù)較大，隨著厚度增加，其對短波處的光吸收也在增加，由于薄膜中的缺陷態(tài)密度較高，產(chǎn)生的光生載流子很快會被復(fù)合掉，則本征層吸收光產(chǎn)生的光生載流子對電池的總電流沒有貢獻[12-13]。圖9為不同厚度本征層的內(nèi)量子效率模擬結(jié)果。從圖中可以看出，隨著本征層厚度的增加，在短波波段(300～600 nm)的量子效率較小，這也是電池短路電流降低的主要原因。所以本征層的厚度不宜太厚，考慮到其實際的鈍化性能，超薄異質(zhì)結(jié)電池的本征層厚度在5～10 nm最佳。

圖8 本征層厚度對電池性能的影響

圖9 不同厚度本征層的內(nèi)量子效率

2.5 本征層帶隙對電池性能的影響

由圖10可以看到本征層的光學(xué)帶隙對電池各項光伏參數(shù)影響較小，本征層帶隙從1.5 eV增加到1.8 eV時，電池轉(zhuǎn)換效率和短路電流略有增加，主要是由于本征層薄膜帶隙的增加，減少了本征層對短波長光波的吸收。其內(nèi)量子效率結(jié)果(見圖11)也可以得到驗證，隨著本征層光學(xué)帶隙增加，300～600 nm波段的內(nèi)量子效率也在增加。當(dāng)帶隙大于1.8 eV以后，電池各項性能都在大幅的下降，這是由于隨著帶隙的繼續(xù)增加，本征硅和晶體硅的能帶偏差增加，進而導(dǎo)致光生載流子的勢壘增加，嚴重阻礙載流子的傳輸[11]。最終結(jié)果是電池性能整體下降。因此，對于超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，其本征層的光學(xué)帶隙合理的范圍是1.6～1.8 eV之間。

圖10 本征層帶隙對電池性能的影響

圖11 不同帶隙本征層的內(nèi)量子效率

3 結(jié) 論

通過AFORS-HET電池模擬軟件，分析模擬了當(dāng)異質(zhì)結(jié)太陽能電池的襯底厚度僅為80 μm的條件下，其窗口層、本征層的摻雜濃度、厚度、帶隙等參數(shù)對超薄異質(zhì)結(jié)電池性能的影響。得出了窗口層、本征層等參數(shù)的工藝窗口范圍，為實驗和實際生產(chǎn)都提供了一定的理論依據(jù)。對于超薄異質(zhì)結(jié)電池，薄膜的厚度在保證均勻性和鈍化性能的基礎(chǔ)上，可以盡量薄一些，這樣有助于提高電池的效率。而窗口層的光學(xué)帶隙須和本征層的光學(xué)帶隙相匹配，不能單調(diào)的大幅提高某一層的帶隙，否則會形成能帶帶階，降低電池的性能。