模擬分析少子復合速率及吸收層對HIT太陽電池性能的影響

任瑞晨，張研研，2，李彩霞，史力斌，史冬梅

（1．遼寧工程技術大學礦業學院，阜新123000；2．渤海大學新能源學院，錦州121013；3．渤海大學數理學院，錦州121013）

1 引 言

隨著能源匱乏以及環境污染的日益嚴重，開發清潔、安全的可再生能源迫在眉睫．太陽能具有上述優點，已成為國際關注的熱點，而太陽電池是實現光電轉換的核心元件．目前，對太陽電池的研究主要集中在提高轉換效率和降低電池成本上．以非晶硅／單晶硅異質結為基礎的HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer）太陽電池既具有晶體硅電池高效率、高穩定性的優點，又可在低溫下制備，且有望減少對吸收層單晶硅材料的使用，因而極具發展潛力[1]．世界上此種電池轉換效率的最高紀錄是日本三洋公司保持的24．7%[2]，我國研制的此種電池的轉換效率為17．36%[3]，與世界紀錄還有一定的差距，因而模擬分析非晶硅／單晶硅異質結太陽電池的結構和機理是非常必要的．

Hirotada Inoue等討論了HIT太陽電池中基區單晶硅（即吸收層）厚度對電池效率的影響[4]，R．Stangl等分析了吸收層少子遷移率對電池性能的影響[5]．本文利用美國濱州大學研發的AMPS－1D（Analysis of Microelectronic and Photonic Structures）程序對HIT太陽電池進行模擬分析．主要對比了HIT太陽電池前接觸和背接觸少子復合速率對太陽電池性能的影響，結果發現背接觸少子復合速率的影響更為顯著，并發現吸收層厚度以及少子遷移率對電池性能的影響也要受到背接觸少子復合速率或吸收層隙間缺陷態密度的制約．

2 物理模型

圖1為要模擬的HIT太陽電池結構簡圖，太陽電池的窗口層為重摻雜的P型非晶硅，吸收層為N型單晶硅，二者之間為起界面鈍化作用的本征非晶硅薄層．電池兩端接觸層分別為TCO（透明導電氧化物薄膜）和Al（金屬鋁）．

AMPS模擬軟件其工作原理主要是在確定的邊界條件下，通過求解一維泊松方程及電子和空穴連續性方程，來獲得太陽電池的各個參數．AMPS程序主要有兩種模擬方式，這里采用態密度（DOS）模式．其中非晶硅的隙間缺陷態采用雙高斯分布，單晶硅的隙間缺陷態采用平均分布．各種材料的帶尾缺陷態為指數函數分布．具體的模擬參數如表1所示[6－9]．單晶硅和非晶硅的吸收系數主要來自參考文獻[6，8]．電池前后接觸勢壘高度分別為1．67eV和0．11eV，模擬溫度為300K，前后表面對光的反射率分別為0和0．6，模擬波段范圍為0．3－1．1μm．

圖1 HIT太陽電池結構簡圖Fig．1 The schematic diagram of structure of HIT solar cell

圖2 前后接觸少子復合速率對太陽電池光伏性能的影響Fig．2 The influence of minority carrier recombination velocity of front and back contacts on the performance of solar cell

3 前后接觸少子復合速率對HIT太陽電池光伏性能的影響

對于 HIT太陽電池，TCO／a－Si∶H（p＋）前接觸和c－Si（n）／Al背接觸的少子復合速率對太陽電池的光伏性能具有一定的影響，但二者的影響程度是不同的．圖2中模擬了背接觸少子空穴復合速率保持107cm·s－1不變，前接觸少子電子復合速率對太陽電池光伏性能的影響，以及前接觸少子電子復合速率保持107cm·s－1不變，背接觸少子空穴復合速率對太陽電池光伏性能的影響．從圖中可以看出，隨著前接觸復合速率的增大，太陽電池的短路電流只微小降低（由34．573mA·cm－2降至34．289mA·cm－2），開路電壓和填充因子沒有變化，故電池的轉換效率也只微小降低（由18．779%降至18．618%）．從圖2中可看出，與電池的前接觸相比，電池的背接觸少子復合速率對電池的光伏性能影響較大．之所以背接觸少子復合速率比前接觸少子復合速率對電池性能影響顯著，其主要原因是非晶硅發射層很薄，產生的光生少子電子較少，因而擴散到前接觸的少子較少，故前接觸少子復合速率的影響很小．然而，基區單晶硅較厚，產生的光生少子空穴較多，且內部缺陷較少，導致內部復合較少，因而能擴散到背接觸處的少子空穴相對較多，故背接觸處的少子復合速率對電池的光伏性能影響更大．從圖2中還可以看出，隨著背接觸少子復合速率的增大，開路電壓則由0．762V衰減到了0．650V，由公式（1）可知，這主要是因為復合電流增大所導致的．

公式（1）是文獻[10]中所提到的一種簡單表述，即太陽電池的開路電壓Voc等于內建電勢Vin和復合影響Rei的差值．填充因子則隨著開路電壓的降低而降低[11]，由0．85衰減到了0．836．電池的短路電流大幅度衰減（由37．975mA·cm－2衰減到了34．289mA·cm－2），這主要是由于較多空穴在背接觸處的復合導致空穴電流降低，從而引起總電流的降低，如圖3所示．圖3中對比了背接觸空穴復合速率分別為0和107cm·s－1時的電子電流、空穴電流和總電流的大小，可以看出高背接觸復合速率引起的空穴電流的衰減．綜上導致隨著背接觸空穴復合速率的增大，電池的轉換效率由24．589%降至18．618%．由此可看出，加強背接觸鈍化質量，降低HIT太陽電池背接觸少子復合速率，對提高電池的轉換效率是非常必要的．

為HIT太陽電池增加重摻雜的n型非晶硅背表面場后，如圖4所示，模擬中發現，無論背接觸空穴復合速率如何變化，電池的光伏性能不變，轉換效率都為24．589%，這與無非晶硅背場且背接觸復合速率為0時HIT電池的轉換效率相同．由此可以看出，理想的背場對少子空穴起到了很好的背反射作用，基本上沒有空穴到達背接觸處，這一點從圖3中也可判斷出，有非晶硅背場時，盡管背接觸處的復合速率很高為107cm·s－1，但此時的空穴電流與無非晶硅背場且背接觸為0時的空穴電流相等．因而增加非晶硅背場后無論背接觸的復合速率如何變化，電池的光伏性能沒有變化．可見，HIT太陽電池的非晶硅背場起到了良好的背表面鈍化作用．

表1 HIT太陽電池的模擬參數設置Table 2 The setting of parameters of HIT solar cell for the simulation

圖3 不同背接觸時的電流比較Fig．3 The comparison of currents among different back contacts

圖4 有非晶硅背場的HIT太陽電池結構簡圖Fig．4 The schematic diagram of structure of HIT solar cell with amorphous silicon BSF

4 吸收層對HIT太陽電池光伏性能的影響

4．1 吸收層厚度對HIT太陽電池光伏性能的影響

基區單晶硅作為HIT太陽電池的光吸收層，其厚度對太陽電池光伏性能具有一定的影響，而且這種影響與單晶硅的隙間缺陷態密度以及電池的背接觸少子復合速率關系密切．圖5中分別模擬對比了單晶硅的隙間缺陷態密度Nmd高低（以Nmd＝3．0×1012和1．9×1011cm－3·eV－1為例）以及背接觸少子空穴復合速率Sp高低（以Sp＝107和10cm·s－1為例）時，吸收層厚度對HIT太陽電池光伏性能的影響．

圖5 吸收層厚度對HIT太陽電池光伏性能的影響Fig．5 The effect of thickness of absorber on the performance of HIT solar cell

圖5（a）中的模擬結果表明，當背接觸復合速率較低為Sp＝10cm·s－1時，若隙間缺陷態密度Nmd不同，則吸收層厚度對太陽電池的光伏性能影響是不同的．當吸收層的隙間缺陷態密度較高為Nmd＝3．0×1012cm－3·eV－1時（以下簡稱情況A），開路電壓隨著基區厚度的增加明顯降低，由0．756V降低到0．746V．而當吸收層單晶硅的隙間缺陷態密度較低為Nmd＝1．9×1011cm－3·eV－1時（以下簡稱情況B），隨著吸收層厚度的增加，開路電壓由50μm時的0．759V增加大150μm時的0．761V，之后不再增大．以上結果是因為當背接觸復合速率較低且單晶硅隙間缺陷態密度較高時，少數載流子的復合以隙間復合為主，因而隨著單晶硅厚度的增加，隙間少數載流子復合增加，因而導致開路電壓顯著降低．而當背接觸復合速率和單晶硅隙間缺陷態密度都較低時，這里背接觸復合速率的影響稍大，因而隨著吸收層厚度的增加，使到達背接觸處的少數載流子減少，因而復合電流略微降低，開路電壓有微小增加．無論吸收層單晶硅的隙間缺陷態密度高或者低，隨著單晶硅厚度的增加，光生載流子都是增多的，因而兩種情況的短路電流都明顯增加．以上結果導致，在情況A的條件下，HIT太陽電池的轉換效率在150μm處達到峰值，之后隨著單晶硅厚度的增加，轉換效率反而降低；在情況B的條件下，電池的轉換效率將隨著單晶硅厚度的增加而增大，當然當吸收層厚度超過了其少數載流子擴散長度后，再增加單晶硅的厚度就沒有任何意義了[12]．

圖5（b）中的模擬結果表明，保持背接觸復合速率較高為Sp＝107cm·s－1時，無論隙間缺陷態的密度較高為Nmd＝3．0×1012cm－3·eV－1（情況C）或較低為Nmd＝1．9×1011cm－3·eV－1（情況D）時，HIT太陽電池的短路電流和開路電壓都隨著單晶硅厚度的增加而單調遞增，于是導致電池的轉換效率單調遞增．這主要是因為當電池的背接觸復合速率很高時，少數載流子在背接觸處的復合將比隙間復合顯著得多，因此背接觸處的復合將占主要地位，這與情況B相似．隨著單晶硅厚度的增加，能夠擴散到背接觸處的少子空穴將減少，因此占主要地位的背接觸處的復合減少，開路電壓升高．當然，單晶硅厚度增加，電池的短路電流仍然增大．故情況C和情況D電池的轉換效率都單調遞增．

以上開路電壓的變化情況與文獻[4]中的實驗結果基本符合．綜上所述當背接觸處的復合占主要地位時，即情況B、C和D，則隨著吸收層單晶硅厚度的增加，電池的轉換效率單調遞增；當單晶硅內部隙間缺陷復合占主要地位時，即情況A，則隨著吸收層單晶硅厚度的增加，電池的轉換效率并非單調變化，而是在某一厚度處達到峰值，圖4中有非晶硅背場的太陽電池可以看成是情況A的特例．因此HIT電池的吸收層單晶硅并非越厚電池的轉換效率越高，應視具體情況而定．

圖6 吸收層少子遷移率對太陽電池光伏性能的影響Fig．6 The effect of minority carrier mobility of absorption layer on the performance of solar cell

4．2 吸收層少子遷移率對HIT太陽電池光伏性能的影響

吸收層N型單晶硅的質量決定了其少數載流子遷移率的大小．在背接觸少子復合速率不同時，吸收層少子空穴遷移率對HIT太陽電池光伏性能的影響是不同的．圖6中模擬了背接觸少子復合速率較高（如Sp＝107cm·s－1且無非晶硅背場）以及較低（如Sp＝0cm·s－1，即加上非晶硅背場的理想情況）時，吸收層空穴遷移率對電池性能的影響．模擬發現，無論少子復合速率高或低時，電池的短路電流都會隨著空穴遷移率的增加而增大．這是因為根據（2）式[12]可知，空穴遷移率的增加，使空穴的擴散長度增大，因而能被pn結有效收集的空穴增加，故短路電流增大．

式中Lp、μp和τp分別表示少子空穴的擴散長度、遷移率和壽命．當Sp＝107cm·s－1時，開路電壓隨著少子遷移率的增大而明顯衰減，如圖6（a）所示．而當Sp＝0cm·s－1時，隨著少子遷移率的增大，開路電壓基本不變．這是因為少子空穴遷移率的增加，使空穴擴散長度增大，于是到達背接觸處的空穴增多，若背接觸處的復合速率高，則復合電流大，因此開路電壓明顯減小，這種現象在文獻[5]中也有提到，但若增加理想的背場，相當于背接觸復合速率接近零，則盡管到達背接觸處的空穴增多，但復合電流基本不變，故開路電壓不變．以上結果導致HIT太陽電池背接觸復合速率高時，隨著少子空穴遷移率的增大，電池的轉換效率反而降低；而當背接觸復合速率低時，隨著少子遷移率的增大，電池的轉換效率升高．

5 結 論

采用美國濱州大學研發的AMPS軟件模擬了HIT太陽電池的前后接觸少子復合速率、吸收層單晶硅的厚度以及吸收層少子遷移率對太陽電池光伏性能的影響．模擬中發現，HIT太陽電池的背接觸少子復合速率比前接觸少子復合速率對太陽電池光伏性能的影響要顯著得多，因此加強電池背接觸的鈍化效果對提高電池的轉換效率是很必要的，理想的非晶硅背場起到了很好的背接觸鈍化作用．HIT太陽電池的吸收層單晶硅厚度對太陽電池的轉換效率也有一定的影響．當電池的背接觸復合占主要地位時，單晶硅越厚則電池的轉換效率越高；而當單晶硅的隙間缺陷態復合占主要地位時，則電池的轉換效率會在某一厚度處達到峰值，之后隨著單晶硅厚度的增加電池的效率反而降低．因此，單晶硅的厚度應該根據背接觸少子復合速率以及單晶硅隙間缺陷態的具體情況而定．模擬中還發現，當背接觸少子復合速率較高時，隨著單晶硅少子遷移率的增大，電池的轉換效率反而降低；當背接觸少子復合速率較低時，隨著單晶硅少子遷移率的增大，電池的轉換效率升高．因而，提高單晶硅少子遷移率的前提是要確保電池背接觸的鈍化質量．

[1]Shi S F，Wu A M，Zhang X Y，etal．Overview of the development of HIT solar cells[J]．Materials Review，2011，25（7）：130（in Chinese）[史少飛，吳愛民，張學宇，等．HIT太陽能電池的發展概況[J]．材料導報，2011，25（7）：130]

[2]http：／／panasonic．co．jp／corp／news／official．data／data．dir／2013／02／en130212－7／en130212－7．html．

[3]Zhang Q F，Zhu M F，Liu F Z，etal．The research of high efficiency thin film silicon／crystal silicon heterojunction solar cell[J]．SolarEnergy，2006，4：40（in Chinese）[張群芳，朱美芳，劉豐珍，等．高效薄膜硅／晶體硅異質結電池的研究[J]．太陽能，2006，4：40]

[4]Hirotada I，Yasufumi T，Daisuke F，etal．Improving the conversion efficiency and decreasing the thickness of the HIT solar cell[EB／OL]．http：／／journals．cambridge．org／action／displayAbstract？fromPage＝online＆aid＝7971368，2010．

[5]Stangl R，Froitzheim A，Elstner L，etal．Amorphous／crystalline silicon heterojunction solar cells，a simulation study[J]．17th European PV Conference，2001．

[6]http：／／www．ampsmodeling．org／

[7]Zhao L，Zhou C L，Li H L．Optimizing polymorphous silicon back surface field of a－Si：H（n）／c－Si（p）heterojunction solar cells by simulation[J]．JournalofPhysics，2008，57 （5）：3212（in Chinese）[趙 雷，周春蘭，李海玲．a－Si（n）／c－Si（p）異質結太陽電池薄膜硅背場的模擬優化[J]．物理學報，2008，57（5）：3212]

[8]Como N H，Acevedo A M．Simulation of heterojunction silicon solar cells with AMPS－1D[J]．SolarEnergyMaterials＆SolarCells，2010，94（1）：62．

[9]Fei Y，Shi L B．A study on solar cell of a－Si1－xGex：H thin films[J]．JournalofAtomicandMolecularPhysics，2012，29（3）：532（in Chinese）[費英，史力斌．非晶Si1－xGex：H薄膜太陽能電池研究[J]．原子與分子物理學報，2012，29（3）：532]

[10]Dao V A，Heo J，Choi H，etal．Simulation and study of the influence of the buffer intrinsic layer，back-surface field，densities of interface defects，resistivity of p-type silicon substrate and transparent conductive oxide on heterojunction with intrinsic thin-layer （HIT）solar cell[J]．SolarEnergy，2010，84：777．

[11]Zhang Y Y，Ren R C，Shi L B．Influence of band gap and defect state of emitter layer on the performance of HIT solar cell by simulation and analysis[J]．JournalofSyntheticCrystals，2013，42（8）：1568（in Chinese）[張研研，任瑞晨，史力斌．模擬分析發射層帶隙及缺陷態對HIT太陽電池性能的影響[J]．人工晶體學報，2013，42（8）：1568]

[12]Wang J H，Li C J，Niu W C．SemiconductorDevice Physics[M]．Beijing：Science Press，1983：345（in Chinese）[王家驊，李長健，牛文成．半導體器件物理[M]．北京：科學出版社，1983：345]