TOPCon太陽電池電子選擇性接觸研究

收稿日期：2022-11-04

基金項目：國家自然科學基金（61904154）；四川省重點研發(fā)計劃（2022YFG0229）；成都市技術創(chuàng)新研發(fā)項目（2022-YF05-00384-SN）

通信作者：俞 ?。?986—），男，博士、副研究員，主要從事光伏新能源及交叉學科方面的研究。jianyu@swpu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1689 文章編號：0254-0096（2024）02-0475-05

摘 要：通過Afors-Het軟件模擬建立TOPCon太陽電池模型，系統(tǒng)分析隧穿氧化SiO2層厚度、n+ poly-Si層摻雜濃度、背金屬電極功函數(shù)以及SiO2/n+ poly-Si側的能帶偏移量對TOPCon太陽電池性能的影響。結果表明：SiO2/n+ poly-Si疊層鈍化結構能實現(xiàn)較好的電子選擇性傳輸性能，當SiO2層厚度為1.1 nm、n+ poly-Si層摻雜濃度為1×1020 cm-3時，是最佳工藝窗口，且顯示出改善電子選擇性傳輸層對于TOPCon太陽電池效率提升的巨大潛力。

關鍵詞：太陽電池；鈍化；電子特性；模擬平臺；TOPCon

中圖分類號：TK513"""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標志碼：A

0 引 言

2013年，隧穿氧化層鈍化接觸（tunnel oxide passivated contact，TOPCon）太陽電池在光伏領域興起［1-3］，其主要特點是采用SiO2/n+ poly-Si鈍化結構，進而鈍化硅表面，可極大地提升效率。TOPCon太陽電池是一種使用超薄隧穿氧化層和摻雜多晶硅層作為鈍化層結構的太陽電池，具有良好的接觸性能。2017年，4 cm2的TOPCon電池實驗室轉換效率達到25.7%［4］。TOPCon電池結構，由于其重摻雜的多晶硅（poly-Si）層與n型Si之間費米能級有差異，引起界面處的能帶彎曲，使電子隧穿后有足夠的能級可占據(jù)，更易隧穿；而空穴占據(jù)的價帶邊緣處于poly-Si的禁帶，不易隧穿從而起到電子選擇性通過的作用，抑制載流子復合，增加背表面的鈍化效果［5-7］。

TOPCon太陽電池通過n型poly-Si的場效應鈍化，改善背接觸問題，顯著降低表面的少子復合速率，而背表面的摻雜濃度分布對其鈍化特性起到關鍵作用。2021年，研究人員發(fā)現(xiàn)poly-Si層厚度為100 nm，摻雜濃度為（2～3）×1020 cm-3，且具有中等的“穿透擴散”剖面時，TOPCon電池背表面具有優(yōu)異的鈍化水平［8］，其原因是重摻雜的poly-Si表面排斥少數(shù)載流子，提供較好的場效應鈍化效果。目前，n型TOPCon電池的背面采用超薄氧化層和重摻雜poly-Si的復合結構來改善界面特性，形成良好的鈍化接觸，提升電池性能［9-10］，但鈍化效果、界面接觸特性仍未達到最佳，距離實現(xiàn)理論最高效率還有差距。

基于此，本文著重研究隧穿氧化SiO2層厚度、n+ poly-Si層摻雜濃度、背金屬電極功函數(shù)以及SiO2/n+ poly-Si側的能帶偏移量對TOPCon電池性能的影響，以期為實現(xiàn)理論最高效率提供參考。

1 模型構建及模擬參數(shù)設置

本文采用Afors-Het軟件對TOPCon太陽電池進行模擬計算，首先建立太陽電池結構模型，得到太陽電池的能帶圖，然后進行太陽電池的性能表征模擬，如電流-電壓（I-V）曲線、量子效率（quantum efficiency，QE）等。通過Afors-Het建立一維太陽電池模型，模擬的TOPCon太陽電池結構如圖1所示。

TOPCon太陽電池中n型硅襯底、擴散層以及n型poly-Si層通過半導體模型建立，SiOx層則通過界面模型建立。電池邊界模型為金半接觸；金屬功函數(shù)設定為平帶模型；金屬功函數(shù)數(shù)值在研究金屬功函數(shù)影響時被設定。電池模型建立的主要相關變量如表1所示，其中介電常數(shù)、電子親和勢、禁帶寬度、光學帶隙、電子熱速率、空穴熱速率等按Si的性質(zhì)設定，不作為變量。Afors-Het中設置自變量為SiO2層厚度、poly-Si層摻雜濃度、背面電極功函數(shù)、電子選擇性傳輸層的價帶偏移量，每次模擬只改變一個自變量［11-12］。

2 模擬結果與分析

2.1 SiO2層厚度對電池性能影響

在TOPCon太陽電池中，SiO2層具有較寬的帶隙，電子以遂穿方式通過SiO2層，且阻礙空穴傳輸［13-14］。此外，通過物理和化學的方法制備SiO2鈍化層，降低硅片表面載流子復合速率，提高電池開路電壓。目前SiO2最佳厚度范圍是1～2 nm。研究模擬了SiO2厚度變化時的J-V性能，結果如圖2所示。SiO2層厚度從0.6 nm增加到1.4 nm，開路電壓提升30 mV，這表明SiO2層越厚鈍化效果越好，但當SiO2厚度達到1.4 nm時，短路電流密度降低近70%，填充因子降低60%，這是因為SiO2層本身導電性較差，且電子已無法以隧穿的方式通過較厚的SiO2層，進而導致串聯(lián)電阻增加，當串聯(lián)電阻過大時也會使短路電流密度降低，J-V曲線變?yōu)橹本€。當SiO2層厚度增加到1.4 nm時，電池的短路電流密度急劇降至13 mA/cm2。

2.2 poly-Si層摻雜濃度對電池性能影響

TOPCon太陽電池采用n型poly-Si作為背接觸材料，理論上重摻雜的n型半導體與n型Si接觸，其費米能級也更接近導帶底，甚至進入導帶，使硅襯底表面能帶向下彎曲，形成背表面場及背面場效應鈍化［15］。poly-Si層的場效應鈍化效果主要受摻雜濃度的影響。有效控制內(nèi)部缺陷密度是改善電池復合速率的重要途徑［16］。如圖3所示，當poly-Si層的摻雜濃度為1×1016 cm-3時，開路電壓僅為640 mV，無法實現(xiàn)良好的鈍化作用。摻雜濃度增加，能帶彎曲程度增大。當摻雜濃度增加到1×1020 cm-3時，poly-Si層鈍化效果得到改善，理論開路電壓提升120 mV，填充因子達到86%，短路電流密度提升1 mA/cm2，轉換效率從18.0%提升至26.5%。這是因為poly-Si層摻雜濃度增加，硅基底表面能帶越往下彎曲，形成對空穴的較高勢壘，阻礙空穴傳輸，有利于電子傳輸，電子和空穴的復合速率降低，因此提升了場效應鈍化效果。

2.3 背面電極功函數(shù)對電池性能影響

模擬n型poly-Si摻雜濃度對太陽電池性能的影響時采用平帶模型，即電極功函數(shù)隨poly-Si層費米能級一同變化。但實際上金屬電極的功函數(shù)應是固定的，且金屬電極的不同功函數(shù)對器件性能影響較大［17-18］，因此模擬金屬電極功函數(shù)對電池的性能影響。如圖4所示，當電極功函數(shù)從4.6 eV降到4.4 eV時，開路電壓提升70 mV。其原因是電極具有高功函數(shù)時，硅基底表面能帶向上彎曲，在一定程度上屏蔽了poly-Si層的場效應鈍化效果。電極功函數(shù)降低到4.4 eV以下，對能帶彎曲已無影響，因此開路電壓不再增加。同時，短路電流密度幾乎不受電極功函數(shù)影響。綜上，電極功函數(shù)過高，會降低poly-Si層的鈍化效果［19-20］。當背面電極功函數(shù)超過4.4 eV后，電池性能急劇下降，這是由于電極的高功函數(shù)造成硅基底表面能帶向上彎曲，能帶彎曲越大，載流子越難傳輸，導致接觸特性變差，進而填充因子下降。

2.4 電子選擇性傳輸層的價帶偏移量對電池性能影響

當n型Si和電子選擇性傳輸層之間無界面鈍化層時，電子選擇性傳輸層不同價帶偏移量（[ΔEV]）對太陽電池性能影響不同。模擬過程中通過改變帶隙，相當于改變價帶的位置，帶隙從1.12 eV增加到1.69 eV，相當于價帶的位置從5.07 eV增加到5.65 eV，電子選擇性傳輸層與n型硅襯底產(chǎn)生價帶偏移量會影響空穴在界面處的復合。價帶偏移量對電池的電性能影響如圖5所示，[ΔEV]增加可提高電池的開路電壓和短路電流密度。當[ΔEV]從0.00 eV增加到0.56 eV，開路電壓從625 mV增加到732 mV，這是由于[ΔEV]增加使得空穴在界面處傳輸更困難，起到阻止空穴傳輸而有利于電子通過的作用，在界面處載流子復合減弱，提高了開路電壓。由量子效率測試可知，增加[ΔEV]提高了長波段光譜響應，因此電池的電流密度得到提升，這是因為電子傳輸層鈍化效果提升，載流子復合降低，長波段光被有效吸收。

期望電子選擇性傳輸層的效果應有利于電子提取和阻礙空穴通過，這不僅和[ΔEV]有關，還和電子傳輸層的功函數(shù)有關。較低的功函數(shù)使得硅表面能帶向下彎曲，有利于電子傳輸，加上較大的[ΔEV]阻礙空穴通過，降低了表面復合，提高開路電壓（[Voc]）和短路電流密度（[Jsc]）。圖6模擬了[ΔEV]和功函數(shù)共同對[Voc]和[Jsc]的影響。從模擬結果可知，當電子傳輸層的功函數(shù)高于4.4 eV，此時硅表面能帶已向上彎曲，電子傳輸勢壘增加，電子積累導致載流子表面復合加劇。但電子傳輸層具有較大的[ΔEV]，這意味著在表面的空穴濃度非常低，因此這種具有較高功函數(shù)和較大[ΔEV]的電子傳輸層也能起到電子選擇性傳輸作用。

在TOPCon太陽電池背面采用重摻雜poly-Si和SiO2起到了很好的鈍化效果，模擬結果表明，在無SiO2鈍化層下，增加電子選擇性傳輸層的價帶偏移量可有效提高開路電壓，但在實際中不易改變poly-Si層帶隙，因此提出雙電子選擇性傳輸層概念，即在電池模型中的poly-Si層之后增加一層電子選擇性層（如圖7所示）。模擬結果表明，這同樣能提高開路電壓，且在有鈍化層的前提下，增加一層寬帶隙層，開路電壓有2.4 mV的提升，進一步降低了載流子復合，增強了鈍化效果。

3 結 論

本文通過Afors-Het軟件建立TOPCon太陽電池模型，模擬分析了氧化硅層厚度、電子傳輸層摻雜濃度、背電極功函數(shù)和電子傳輸層帶隙等對TOPCon太陽電池的性能影響，為其性能提升策略提供了合理參考。結果表明：

1）在TOPCon太陽電池中，SiO2/n+ poly-Si疊層鈍化結構起到電子選擇性傳輸層作用，降低界面載流子復合速率，從而提高了開路電壓。

2）在不考慮其他參數(shù)的情況下，隨著SiO2厚度的增加，TOPCon電池的效率先增大后減小，當氧化層厚度為1.1 nm時，電池性能最佳。

3）當poly-Si層為重摻雜時，即摻雜濃度為1×1020 cm-3時，poly-Si層鈍化效果得到明顯改善。當背面電極功函數(shù)超過4.4 eV后，電池性能急劇下降。

4）當采用單層電子選擇性傳輸層而無鈍化層時，電子選擇性傳輸層的功函數(shù)或帶隙在一定范圍內(nèi)電池的開路電壓可達到732 mV，這說明單層電子選擇性傳輸層有良好的電子選擇性傳輸作用。

5）SiO2/n+ poly-Si疊層鈍化結構已具有很好的電子選擇性傳輸性能，在n-poly-Si層與電極之間增加低功函數(shù)和寬帶隙的電子選擇性傳輸層，可進一步提高開路電壓，表明改善電子選擇性傳輸層對于TOPCon太陽電池效率的提升有巨大潛力。

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RESEARCH ON ELECTRON SELECTIVE CONTACT OF

TOPCon SOLAR CELLS

Ye Haoran1，He Jialong1，Chen Yang1，Su Rong2，Chen Tao1，Yu Jian1

（1. School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；

2. Tongwei Solar （Chengdu） Co.， Ltd.， Chengdu 610200， China）

Abstract：Through Afors-Het simulation software， the TOPCon solar cell model is established and the effects of tunneling through the oxide SiO2 layer thickness， n+ poly-Si layer doping concentration， back-metal electrode work function and energy band offset of the SiO2/n+ poly-Si side on the performance of TOPCon solar cells are systematically analyzed. The simulation results show that the SiO2/n+ poly-Si stacked passivation structure can achieve better electron selective transport performance. It is the best process window when the thickness of the SiO2 layer is 1.1 nm and the doping concentration of the n+ poly-Si layer is 1×1020 cm-3. It also shows the great potential of improving the electron selective transport layer for the efficiency improvement of TOPCon solar cells.

Keywords：solar cells； passivation； electronic properties； simulation platform； TOPCon