TOPCon-n-PERT太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù) 對(duì)其電性能影響的研究

呂 欣，王旭花，劉國(guó)能

(1.國(guó)家電力投資集團(tuán)公司陜西分公司，西安 710000；2.西安理工大學(xué)，西安 710048)

0 引言

相較于當(dāng)前主流的采用鈍化發(fā)射極背接觸(PERC)技術(shù)的p型太陽(yáng)電池而言，采用發(fā)射極鈍化全背場(chǎng)擴(kuò)散(PERT)、 隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)、異質(zhì)結(jié)(HIT)或叉指狀背接觸(IBC)等技術(shù)的n型太陽(yáng)電池提升光電轉(zhuǎn)換效率的空間更大[1]。

TOPCon技術(shù)作為前沿的太陽(yáng)電池技術(shù)之一，不但能實(shí)現(xiàn)與HIT結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)谋砻驸g化效果，而且還可以與高溫工藝相兼容，同時(shí)也避免了電極接觸處引起的高復(fù)合問(wèn)題[2]，目前針對(duì)TOPCon技術(shù)的研究主要是基于n型PERT太陽(yáng)電池[3]。在不斷改進(jìn)太陽(yáng)電池制造工藝的過(guò)程中，模擬設(shè)計(jì)是減少產(chǎn)品研發(fā)成本和實(shí)驗(yàn)次數(shù)的有效路徑[4]。本文利用德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)的Andreas Fell開(kāi)發(fā)的Quokka3軟件，對(duì)采用TOPCon技術(shù)的n型PERT太陽(yáng)電池(下文簡(jiǎn)稱“TOPCon-n-PERT電池”)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真模擬，著重研究了發(fā)射極的飽和電流密度、發(fā)射極-金屬接觸電阻率、背表面隧穿氧化層厚度及背表面飽和電流密度對(duì)電池電性能的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，以期為新型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供依據(jù)。

1 發(fā)射極對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響

TOPCon-n-PERT電池屬于p+-n-n+的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，硅片的厚度、電阻率等均是影響電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素[5]。電池的有效少子壽命與發(fā)射極和背表面的飽和電流密度密切相關(guān)，而TOPCon-n-PERT電池的背表面鈍化層采用隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結(jié)構(gòu)，因此其背表面的飽和電流密度較小?；谝延械幕A(chǔ)研究，為了進(jìn)一步提升TOPCon-n-PERT電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低其發(fā)射極的飽和電流密度和發(fā)射極-金屬接觸電阻率是關(guān)鍵控制點(diǎn)，也是在電池選擇生產(chǎn)工藝時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的2個(gè)參數(shù)。

1.1 發(fā)射極飽和電流密度

TOPCon-n-PERT電池的隱開(kāi)路電壓i-Voc可表示為：

式中：K為玻爾茲曼常數(shù)；T為太陽(yáng)電池測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度；q為電子電荷；Δn為過(guò)剩的載流子濃度；Ndop為摻雜濃度；ni為本征載流子濃度。

TOPCon-n-PERT電池中，有效少子壽命τeff與飽和電流密度的關(guān)系可表示為：

式中：τbulk為體少子壽命；J0e為發(fā)射極的飽和電流密度；J0r為背表面的飽和電流密度；NA為受主摻雜濃度；W為電池結(jié)構(gòu)的厚度。

基于上述理論及RICHTER等[6]的研究建立了TOPCon太陽(yáng)電池模型，模擬計(jì)算了J0e對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著J0e值的增加，電池的光電轉(zhuǎn)換效率及開(kāi)路電壓Voc值均呈逐漸下降的趨勢(shì)；當(dāng)J0e＜10-14A/cm2時(shí)，其對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換效率及Voc值的影響相對(duì)較?。划?dāng)J0e＞10-14A/cm2時(shí)，其對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換效率及Voc值的影響較大。背表面的復(fù)合損失會(huì)超過(guò)發(fā)射極的復(fù)合損失而成為主要復(fù)合。當(dāng)J0e=10-15A/cm2時(shí)，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率為26.25%。

圖1 J0e對(duì)TOPCon-n-PERT電池光電轉(zhuǎn)換效率及Voc的影響Fig. 1 Influence of J0e on photoelectric conversion efficiency and Voc of TOPCon-n-PERT solar cell

為研究發(fā)射極表面的鈍化特性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了p+-n-p+的對(duì)稱電池結(jié)構(gòu)，此時(shí)J0e與J0r相等，且J0e越大，電池表面的復(fù)合速率也就越大。根據(jù)TOPCon-n-PERT電池生產(chǎn)過(guò)程中影響其表面復(fù)合速率的因素可知，其表面因損傷等原因?qū)е碌膽覓戽I或生產(chǎn)過(guò)程中引入的雜質(zhì)均會(huì)對(duì)其表面少子的復(fù)合具有促進(jìn)作用，因此，為了降低電池表面的復(fù)合速率和J0e，需要對(duì)電池表面進(jìn)行鈍化。

通過(guò)上述理論分析，認(rèn)為作為鈍化減反射膜的SiNx:H膜具有優(yōu)良的氫鈍化和減反射作用，但是SiNx:H膜與Si的晶格匹配性較差，導(dǎo)致Si/SiNx:H界面的缺陷密度較高，而Al2O3層的引入既能降低Si/SiNx:H界面的能級(jí)數(shù)目，又能提高其勢(shì)壘高度，從而減少光生載流子在界面的復(fù)合概率，這更有利于光生電流的產(chǎn)生，但SiO2/Si具有良好的界面性能。綜上分析可知，不同膜層結(jié)合的鈍化效果差異較大[7]。為了能夠使J0e的值最小，需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，因此分別采用SiNx:H、SiO2/SiNx:H、Al2O3/SiNx:H及SiO2/Al2O3/SiNx:H這4種鈍化層開(kāi)展p+-n-p+對(duì)稱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的鈍化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)譯文，我們可以明顯看出Schlepp采用了直譯法，而翁顯良卻采用了意譯法。由于他們的體驗(yàn)或是想象中的場(chǎng)景基本和馬致遠(yuǎn)的相同，所以兩篇譯文基本都把意象和場(chǎng)景翻譯出來(lái)了，但在其反映的認(rèn)知世界中我們可以看到有較大的不同。

圖2 采用不同鈍化層時(shí)J0e的情況Fig. 2 Situation of J0e when using different passivation layers

由圖2可知，采用SiO2/Al2O3/SiNx:H鈍化層時(shí)J0e值達(dá)到最小，這說(shuō)明其對(duì)于p+發(fā)射極具有最佳的鈍化效果。

1.2 發(fā)射極－金屬接觸電阻率對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響

由TOPCon-n-PERT電池的結(jié)構(gòu)可知，其背表面鈍化層采用隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結(jié)構(gòu)，在該疊層結(jié)構(gòu)中多晶硅薄膜與金屬電極直接接觸，且多晶硅薄膜的摻雜濃度較高(超過(guò)1020/cm3)，因此多晶硅薄膜與金屬電極之間的接觸電阻率較低，對(duì)電池的電性能影響較小。而為了減小發(fā)射極表面的復(fù)合速率，在制作p-n結(jié)時(shí)應(yīng)盡量減小發(fā)射極表面的硼摻雜濃度，這使得發(fā)射極與金屬之間的接觸電阻率成為了限制TOPCon-n-PERT電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要原因之一。因此，重點(diǎn)模擬了發(fā)射極-金屬接觸電阻率ρ對(duì)此類電池電性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 ρ對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響Fig. 3 Influence of ρ on electrical performance of TOPCon-n-PERT solar cell

由圖3可知，隨著ρ的增加，TOPCon-n-PERT，電池的Voc及短路電流密度Jsc的值均基本不變但由于填充因子FF的值下降趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致該電池光電轉(zhuǎn)換效率值的降低。在ρ由10-4Ω·cm2增至10-2Ω·cm2的過(guò)程中，該電池FF的值由原來(lái)的82.8%降至77.2%，降低了5.6%；光電轉(zhuǎn)換效率的值由原來(lái)的24.5%降至22.8%，下降了1.7%。由此可見(jiàn)，F(xiàn)F對(duì)ρ非常敏感，而FF對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響較大，因此，優(yōu)化ρ是提高TOPCon-n-PERT電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑之一。

2 TOPCon結(jié)構(gòu)對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響

背表面隧穿氧化層的厚度與背表面飽和電流密度是影響TOPCon結(jié)構(gòu)隧穿鈍化特性的2個(gè)主要因素，下文對(duì)這2個(gè)因素對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響進(jìn)行分析。

2.1 背表面隧穿氧化層厚度對(duì)電池電性能的影響

n-PERT電池結(jié)構(gòu)是通過(guò)在PERT電池的背表面摻雜磷形成一層較淺的n+摻雜層，從而實(shí)現(xiàn)電池的背表面場(chǎng)鈍化作用。而TOPCon-n-PERT電池背表面鈍化層是一層極薄的隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅具有場(chǎng)鈍化作用，還對(duì)載流子的傳輸具有選擇透過(guò)特性，即其允許一種載流子(空穴或電子)自由通過(guò)界面，而阻礙另外一種載流子，通過(guò)拉開(kāi)這2種載流子在界面的濃度差值而大幅抑制界面復(fù)合，從而降低背表面的飽和電流密度[8-9]。因而背表面隧穿氧化層的厚度對(duì)電池的電性能有非常重要的作用[10]。利用Quokka3軟件模擬計(jì)算得到不同背表面隧穿氧化層厚度d對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 d對(duì)TOPCon-n-PERT電池電性能的影響Fig. 4 Influence of d on the electrical performance of TOPCon-n-PERT solar cells

由圖4可以看出，在d≤1.2 nm、1.2＜d≤2.2 nm及d＞2.2 nm這3個(gè)取值范圍內(nèi)，電池的各個(gè)電性能參數(shù)的變化趨勢(shì)均不同。當(dāng)背表面隧穿氧化層很薄時(shí)，載流子可以通過(guò)隧穿效應(yīng)穿過(guò)SiOx層，隧穿氧化層對(duì)多數(shù)載流子的傳輸不產(chǎn)生阻礙。因此，在d≤1.2 nm時(shí)，電池可以獲得優(yōu)異的電性能；但當(dāng)d逐漸增加(1.2＜d≤2.2 nm)，多數(shù)載流子的隧穿受到阻礙，電池的電性能會(huì)逐漸下降；當(dāng)d超過(guò)臨界厚度2.2 nm(d＞2.2 nm)時(shí)，多數(shù)載流子的隧穿將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，光生載流子會(huì)大量在界面處發(fā)生復(fù)合，Jsc值急劇下降，導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率值也急劇下降。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證d的取值對(duì)TOPCon-n-PERT電池背表面鈍化特性的影響，本文設(shè)計(jì)了TOPCon-n-PERT電池的背表面對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在保證溫度、流量等參數(shù)不變的情況下，僅通過(guò)改變氧化時(shí)間來(lái)控制d值，分別得到d為0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 nm時(shí)的背表面隧穿氧化層，然后進(jìn)行多晶硅薄膜的沉積與磷摻雜，研究不同d值對(duì)磷摻雜濃度分布的影響。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制了不同d值時(shí)磷摻雜濃度分布曲線和i-Voc測(cè)試結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同d值時(shí)的磷摻雜濃度分布及i-Voc情況Fig. 5 Phosphorus-doped concentration distribution and i-Voc situation with different d values

由圖5可知，隨著d值的增加，電池背表面的磷摻雜結(jié)深呈遞減趨勢(shì)，而i-Voc隨著d值的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)d=1.2 nm時(shí)，背表面的i-Voc值達(dá)到最大，為735 mV，此時(shí)背表面的鈍化效果達(dá)到最優(yōu)。此結(jié)果與根據(jù)前文中圖4得到的模擬結(jié)果一致，因此為了使電池的電性能達(dá)到最優(yōu)，d的設(shè)計(jì)值取1.2 nm。

2.2 背表面飽和電流密度

基于前文分析的J0e對(duì)電池電性能參數(shù)影響的理論，同樣針對(duì)背表面飽和電流密度J0r對(duì)電池光電轉(zhuǎn)換效率及Voc的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 J0r對(duì)TOPCon-n-PERT電池光電轉(zhuǎn)換效率及Voc的影響Fig. 6 Influence of J0r on photoelectric conversion efficiency and Voc of TOPCon-n-PERT solar cell

由圖6可知，隨著J0r的增加，電池的光電轉(zhuǎn)換效率及Voc值均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；當(dāng)J0r由10-13A/cm2減小到10-14A/cm2時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率及Voc值顯著增加；當(dāng)J0r降至10-15A/cm2時(shí)，電池前表面的復(fù)合損失將成為主要損失，電池的光電轉(zhuǎn)換效率及Voc值受限于前表面的復(fù)合損失，增加幅度也逐漸減少，電池的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)穩(wěn)定在24.5%，Voc可以達(dá)到698 mV。這一結(jié)果與前文所述J0e對(duì)電池光電轉(zhuǎn)換效率及Voc的影響趨勢(shì)一致。

基于上述模擬結(jié)果，采用同一批次的硅片并分成3組，將這3組硅片經(jīng)雙面拋光后分別雙面制備隧穿氧化層與磷摻雜多晶硅薄膜疊層結(jié)構(gòu)(即TOPCon結(jié)構(gòu))、磷摻雜多晶硅薄膜及隧穿氧化層這3種膜層，然后對(duì)這3種膜層進(jìn)行i-Voc和J0r測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的i-Voc和J0rFig. 7 i-Voc and J0r of solar cells with different structures

由圖7可知，這3種膜層結(jié)構(gòu)中TOPCon結(jié)構(gòu)使J0r的值最低，為2.5 fA/cm2，這說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有較好的鈍化效果；采用隧穿氧化層時(shí)J0r的值為110 fA/cm2；而采用磷摻雜多晶硅薄膜時(shí)J0r的值可達(dá)到1020 fA/cm2，該值遠(yuǎn)高于采用隧穿氧化層時(shí)與采用TOPCon結(jié)構(gòu)時(shí)獲得的J0r值，這說(shuō)明該膜層的鈍化效果最差。

依據(jù)上述研究成果，分別制備了n-PERT及TOPCon-n-PERT電池，并對(duì)這2種電池的電性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 n-PERT電池和TOPCon-n-PERT電池的電性能對(duì)比Fig. 8 Comparison of electrical performance of n-PERT solar cells and TOPCon-n-PERT solar cells

從圖8中可以看出，從平均值的角度來(lái)看，TOPCon-n-PERT電池的Voc平均值較n-PERT電池的平均值高29.2 mV，光電轉(zhuǎn)換效率平均值較n-PERT電池的平均值高0.99%；從最高值的角度來(lái)看，TOPCon-n-PERT電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高值比n-PERT電池的最高值高1.04%，Voc最高值比n-PERT電池的最高值高30.5 mV。綜上分析可知，采用TOPCon結(jié)構(gòu)對(duì)n-PERT電池Voc的提升較為明顯，同時(shí)在降低復(fù)合速率后Jsc也有所提升；在當(dāng)前工藝下，TOPCon-n-PERT電池結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)1%的光電轉(zhuǎn)換效率提升。

3 結(jié)論

本文通過(guò)Quokka3軟件模擬研究了TOPCon-n-PERT電池發(fā)射極的飽和電流密度J0e、發(fā)射極-金屬接觸電阻率ρ、背表面隧穿氧化層厚度d及背表面飽和電流密度J0r對(duì)電池電性能的影響，并結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)J0e和J0r值的增加會(huì)使電池的光電轉(zhuǎn)換效率和Voc值逐漸減??；

2)ρ的增加會(huì)導(dǎo)致FF值大幅下降，當(dāng)ρ由10-4Ω·cm2增至10-2Ω·cm2時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率由原來(lái)的24.5%降至22.8%，下降了1.7%；

3)對(duì)于背表面隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結(jié)構(gòu)，隨著隧穿氧化層厚度的逐漸增加，背表面的隱開(kāi)路電壓i-Voc值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)隧穿氧化層的厚度為1.2 nm時(shí)背表面的鈍化特性達(dá)到最優(yōu)值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的i-Voc值可達(dá)735 mV。