不同表面復(fù)合速率情況下IBC太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)半寬度研究

周　濤,陸曉東,吳元慶,李　媛

(渤海大學(xué)新能源學(xué)院，錦州　121000)

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不同表面復(fù)合速率情況下IBC太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)半寬度研究

周濤,陸曉東,吳元慶,李媛

(渤海大學(xué)新能源學(xué)院，錦州121000)

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對(duì)N型插指背接觸(Interdigitated Back Contact，IBC)單晶硅太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)半寬度進(jìn)行研究，全面系統(tǒng)地分析了在不同背表面復(fù)合速率的情況下，發(fā)射區(qū)半寬度對(duì)IBC太陽(yáng)電池短路電流密度(JSC)、開(kāi)路電壓(VOC)、填充因子(FF)及轉(zhuǎn)換效率(Eff)的影響。結(jié)果表明：隨著背表面復(fù)合速率的增大，對(duì)于不同發(fā)射區(qū)半寬度的情況，IBC太陽(yáng)電池JSC、VOC、FF及Eff均顯著降低。當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度越大，JSC、VOC越高，而FF越低。隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，IBC太陽(yáng)電池Eff呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)。當(dāng)背表面復(fù)合速率較小(50～500 cm/s)時(shí)，最優(yōu)的發(fā)射區(qū)半寬度為800 μm。當(dāng)背表面復(fù)合速率較高(≥5000 cm/s)時(shí)，最優(yōu)的發(fā)射區(qū)半寬度為1200 μm。

背接觸； 太陽(yáng)電池； 發(fā)射區(qū)； 半寬度； 表面復(fù)合速度

1　引　言

N型插指背結(jié)背接觸(Interdigitated Back Contact，IBC)太陽(yáng)電池是轉(zhuǎn)換效率最高的電池結(jié)構(gòu)之一。由于IBC單晶硅太陽(yáng)電池在光吸收、電極收集效率及電極接觸特性方面的性能均優(yōu)于傳統(tǒng)P型單晶硅太陽(yáng)電池，其已成為單晶硅電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1,2]。美國(guó)sunpower公司可進(jìn)行IBC太陽(yáng)電池的大規(guī)模生產(chǎn)，目前產(chǎn)業(yè)化IBC電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到22%[3]。2014年，sun power公司宣布在實(shí)驗(yàn)室研制的大面積(125×125 mm2)IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%，這是目前已報(bào)道效率最高的N型單結(jié)大面積單晶硅太陽(yáng)電池[4]。

為進(jìn)一步提高IBC太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，需要對(duì)IBC太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。由于發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)IBC太陽(yáng)電池的光生載流子復(fù)合損耗及串聯(lián)電阻損耗產(chǎn)生影響，因此從理論上深入研究發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)IBC太陽(yáng)電池輸出特性的影響，對(duì)提高IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。目前，盡管關(guān)于N型IBC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)報(bào)道有很多，但是針對(duì)IBC太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究與優(yōu)化的文獻(xiàn)尚報(bào)道較少[5-8]。

由于IBC太陽(yáng)電池內(nèi)部光生載流子的輸運(yùn)屬于二維運(yùn)動(dòng)，因此PC1D、AMPS-1D等一維太陽(yáng)電池仿真軟件不適用于IBC太陽(yáng)電池的仿真研究。而在半導(dǎo)體器件研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件具有物理模型準(zhǔn)確且針對(duì)性好、器件結(jié)構(gòu)設(shè)定精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)[7-10]，已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于太陽(yáng)電池工藝和器件性能的仿真研究。本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對(duì)N型IBC太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真研究。全面系統(tǒng)地分析了發(fā)射區(qū)半寬度對(duì)IBC太陽(yáng)電池短路電流密度、開(kāi)路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。由于發(fā)射區(qū)、背表面場(chǎng)及電極均位于IBC太陽(yáng)電池的背表面，背表面速率會(huì)對(duì)光生載流子的輸運(yùn)及收集效率產(chǎn)生影響。因此，在對(duì)具有不同發(fā)射區(qū)半寬度的IBC太陽(yáng)電池進(jìn)行輸出特性仿真時(shí)，考慮了電池背表面復(fù)合速率的影響。本文仿真結(jié)果可為IBC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有意義的參考信息。

2　IBC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型及參數(shù)選擇

圖1　IBC太陽(yáng)電池單元結(jié)構(gòu)Fig.1　IBC solar cell unit structure

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件建立IBC太陽(yáng)電池單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。具體參數(shù)為[11-14]：N型單晶硅襯底厚度為180 μm，少子壽命為1 ms，襯底電阻率為2 Ω·cm。電池單元寬度為1000 μm。N型背表面場(chǎng)半寬度為150 μm，表面濃度為3×1019cm-3，擴(kuò)散深度為1 μm，雜質(zhì)分布呈高斯分布。發(fā)射區(qū)與背表面場(chǎng)間隔為75 μm。P+發(fā)射區(qū)半寬度為變量，變化范圍為400～1600 μm，表面濃度5×1019cm-3，結(jié)深為1 μm，雜質(zhì)分布呈高斯分布。陰極和陽(yáng)極接觸孔半寬度均為75 μm。N型前表面場(chǎng)表面摻雜濃度為5×1017cm-3，擴(kuò)散深度為2 μm，雜質(zhì)分布呈高斯分布[12]。電池上表面采用金字塔結(jié)構(gòu)和Si3N4增透膜。金字塔高度為3 μm，側(cè)壁與與水平方向夾角為54.7°。Si3N4厚度為79 nm。電池上表面由Si3N4鈍化，表面復(fù)合速率為1.5×104cm/s[11,15]。下表面非金屬接觸區(qū)域表面復(fù)合速率為變量，變化范圍為50～5×106cm/s ，金屬電極接觸區(qū)域硅表面復(fù)合速率為1×107cm/s 。假設(shè)電池并聯(lián)電導(dǎo)為0。在器件仿真過(guò)程中，選用以下模型：與摻雜濃度相關(guān)的俄歇復(fù)合模型和Shockley-Read-Hall復(fù)合模型；與摻雜濃度相關(guān)的遷移率模型，重?fù)诫s導(dǎo)致的帶隙變窄模型。模擬測(cè)試條件為: 25 ℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上表面入射，光強(qiáng)為1 000 W/m2。

3　發(fā)射區(qū)半寬度和背表面復(fù)合速率對(duì)IBC太陽(yáng)電池性能的影響

3.1IBC太陽(yáng)電池短路電流

圖2(a)為計(jì)算得到的在不同的發(fā)射區(qū)半寬度(WE)和背表面復(fù)合速率(SB)的情況下，IBC太陽(yáng)電池短路電流密度曲線。由圖2(a)可見(jiàn)：當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度越大，IBC太陽(yáng)電池短路電流密度越大。隨著背表面復(fù)合速率的增大，太陽(yáng)電池短路電流密度均降低。發(fā)射區(qū)半寬度越小，電池短路電流密度降低的幅度越大。原因?yàn)椋禾?yáng)電池一維短路電流ISC可表示為[16]：

ISC=ISCn+ISCp

(1)

(2)

(3)

式中，ISCn表示發(fā)射區(qū)中的少子電子短路電流，ISCp表示N區(qū)中少子空穴短路電流。AE表示發(fā)射結(jié)面積。SB表示背表面復(fù)合速率。LP為基區(qū)少子空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度，Ln為發(fā)射區(qū)少子電子擴(kuò)散長(zhǎng)度。xn表示發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)在基區(qū)一側(cè)的展寬，xp表示發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)在發(fā)射區(qū)一側(cè)的展寬。Wn為N型基區(qū)的厚度，Wp為發(fā)射結(jié)結(jié)深。其余參數(shù)與太陽(yáng)電池的少子壽命、各區(qū)摻雜濃度及縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，在分析過(guò)程中可認(rèn)為常量。由式(2)、(3)可見(jiàn)，在一維情況下電池的光生電流和內(nèi)部的總短路電流與發(fā)射結(jié)的面積成正比，即發(fā)射結(jié)面積越大，電池的總短路電流就越大。短路電流密度JSC用短路電流與太陽(yáng)電池面積的比值表示。如果IBC太陽(yáng)電池背表面其它區(qū)域(背表面場(chǎng)、背表面場(chǎng)與發(fā)射區(qū)間隔)的面積與發(fā)射區(qū)面積呈線性增大，則太陽(yáng)電池短路電流密度將保持不變。而在本文中，隨著IBC太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)半寬度的增大，令其它區(qū)域橫向尺寸保持不變。因此，當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，IBC太陽(yáng)電池短路電流密度增大。由式(2)、(3)可知，少子空穴短路電流和少子電子短路電流均隨著背表面復(fù)合速率與少子濃度乘積的增大而減小。當(dāng)發(fā)射區(qū)半寬度一定時(shí)，電池內(nèi)部少子空穴濃度和少子電子濃度保持不變。因此，隨著背表面復(fù)合速率的增大，背表面復(fù)合速率與少子濃度的乘積增大，IBC電池短路電流密度降低。IBC電池發(fā)射區(qū)半寬度越大，發(fā)射區(qū)中積累的光生多子空穴越多，相應(yīng)的少子電子濃度越低，背表面復(fù)合速率與少子濃度的乘積越小。因此，當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度越大，IBC太陽(yáng)電池短路電流密度降低的幅度越小。

圖2　不同發(fā)射區(qū)半寬度和背表面復(fù)合速率情況下的IBC太陽(yáng)電池輸出特性(a)短路電流密度；(b)開(kāi)路電壓；(c)填充因子；(d)轉(zhuǎn)換效率Fig.2　Output characteristic of IBC solar cell under different emitter half width and back surface recombination velocity(a)the short-circuit current density；(b)the open-circuit voltage；(c)the filling factor；(d)the conversion efficiency

3.2IBC太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓

圖2(b)為計(jì)算得到的在不同的發(fā)射區(qū)半寬度和背表面復(fù)合速率的情況下，IBC太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓曲線。由2(b)可見(jiàn)：當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度越大，IBC太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓越高。當(dāng)發(fā)射區(qū)半寬度一定時(shí)，隨著背表面復(fù)合速率的增大，開(kāi)路電壓隨之降低。原因?yàn)椋禾?yáng)電池開(kāi)路電壓VOC可表示為[16]：

(4)

其中，I0為太陽(yáng)電池反向飽和電流。IL為太陽(yáng)電池光生電流。n為與發(fā)射區(qū)摻雜濃度相關(guān)的常數(shù)。由式(4)可知，當(dāng)發(fā)射區(qū)表面濃度及結(jié)深一定時(shí)，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓主要由光電流與反向飽和電流的比值決定，IL/I0越大，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓越大。IBC太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)少子電子飽和電流I0n和基區(qū)少子空穴飽和電流I0p可表示為[16]：

(5)

(6)

其中，NE為發(fā)射區(qū)摻雜濃度，NB為基區(qū)摻雜濃度。Dn為少子電子擴(kuò)散系數(shù)，Dp為少子空穴擴(kuò)散系數(shù)。由式(5)和式(6)可知，發(fā)射區(qū)半寬度越大，發(fā)射結(jié)面積AE越大，IBC太陽(yáng)電池反向飽和電流越大。隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，IBC太陽(yáng)電池光生電流IL同時(shí)也隨之增大。且相比于反向飽和電流，發(fā)射區(qū)半寬度的增大對(duì)光生電流的影響更加顯著。從而當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，光生電流與反向飽和電流的比值增大，IBC太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓增大。由式5可見(jiàn)，發(fā)射區(qū)中的少子電子飽和電流和基區(qū)中的少子空穴電流均受到IBC太陽(yáng)電池背表面復(fù)合速度SB的影響(陰極、陽(yáng)極均在電池背表面)。背表面復(fù)合速率越大，少子電子飽和電流和少子空穴飽和電流越大，IBC太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓越低。

3.3IBC太陽(yáng)電池填充因子

圖2(c)為計(jì)算得到的在不同的發(fā)射區(qū)半寬度和背表面復(fù)合速率的情況下，IBC太陽(yáng)電池填充因子曲線。由圖2(c)可見(jiàn)：當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度越大，IBC太陽(yáng)電池的填充因子越低。當(dāng)發(fā)射區(qū)半寬度一定時(shí)，隨著電池背表面復(fù)合速率的增大，IBC太陽(yáng)電池填充因子隨之降低。原因?yàn)椋禾畛湟蜃覨F主要與太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻損耗和光生載流子復(fù)合損耗有關(guān)[17]，串聯(lián)電阻損耗和光生載流子復(fù)合損耗越大，太陽(yáng)電池輸出功率越小，填充因子越小。當(dāng)發(fā)射區(qū)表面濃度及結(jié)深一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度對(duì)IBC太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻損耗產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)發(fā)射區(qū)半寬度較大時(shí)，積累于發(fā)射區(qū)中的光生空穴，需要輸運(yùn)較長(zhǎng)的距離才能到達(dá)陽(yáng)極接觸處。因此，發(fā)射區(qū)半寬度越大，光生空穴傳輸路徑越長(zhǎng)，電池串聯(lián)電阻損耗越大。當(dāng)發(fā)射區(qū)半寬度一定時(shí)，背表面復(fù)合速率越大，光生電子和光生空穴在輸運(yùn)過(guò)程中的復(fù)合損耗越大，導(dǎo)致IBC太陽(yáng)電池的輸出功率降低，填充因子減小。

3.4 IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率

由于太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率Eff可表示為[17]：

(7)

其中：Pin為單位面積入射光的功率。因此，IBC太陽(yáng)電池的短路電流密度、開(kāi)路電壓和填充因子的乘積越大，電池轉(zhuǎn)換效率越高。由上述IBC電池短路電流密度、開(kāi)路電壓和填充因子的計(jì)算結(jié)果可直接計(jì)算得到電池的轉(zhuǎn)換效率曲線，如圖2(d)所示。由圖2(d)可見(jiàn)：隨著背面復(fù)合速率的增大，對(duì)于不同發(fā)射區(qū)半寬度的情況，IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率顯著降低。當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)，即對(duì)于不同發(fā)射區(qū)半寬度的情況，轉(zhuǎn)換效率均存在最大值。對(duì)于本文所討論的四種不同的發(fā)射區(qū)半寬度，當(dāng)背表面復(fù)合速率較小(50～500 cm/s)時(shí)，IBC太陽(yáng)電池最大轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度為800 μm。當(dāng)背表面復(fù)合速率較高(≥5 000 cm/s)時(shí)，IBC太陽(yáng)電池最大轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度為1200 μm。原因?yàn)椋寒?dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，在發(fā)射區(qū)半寬度較小(小于最大轉(zhuǎn)換效率對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度)的情況下，電池串聯(lián)電阻損耗和光生載流子復(fù)合損耗較小。隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，電池填充因子降低的幅度較小。而相比于填充因子的降低，短路電流密度和開(kāi)路電壓的增大對(duì)IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響更為顯著，因此隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，IBC電池效率首先呈現(xiàn)出增大的變化特點(diǎn)。當(dāng)發(fā)射區(qū)半寬度較大(大于最大轉(zhuǎn)換效率對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度)時(shí)，太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻損耗和光生載流子復(fù)合損耗對(duì)電池效率的影響顯著。隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，電池填充因子降低較迅速。因此隨著發(fā)射區(qū)半寬度的進(jìn)一步增大，IBC電池效率呈現(xiàn)降低的變化特點(diǎn)。隨著背表面復(fù)合速率的增大，IBC太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻損耗和光生載流子的復(fù)合損耗隨之增大，電池填充因子降低。為補(bǔ)償填充因子的降低對(duì)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的不利影響，此時(shí)需要增大發(fā)射區(qū)半寬度來(lái)提高IBC太陽(yáng)電池的短路電流密度和開(kāi)路電壓值。因此，IBC太陽(yáng)電池最大轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度增大。

4　結(jié)　論

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件全面系統(tǒng)地分析了在不同背表面復(fù)合速率的情況下，發(fā)射區(qū)半寬度對(duì)IBC太陽(yáng)電池短路電流密度、開(kāi)路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。仿真結(jié)果表明：隨著背表面復(fù)合速率的增大，IBC太陽(yáng)電池短路電流密度、開(kāi)路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率均顯著降低。當(dāng)背表面復(fù)合速率一定時(shí)，發(fā)射區(qū)半寬度越大，短路電流密度、開(kāi)路電壓越高，而填充因子越低。隨著發(fā)射區(qū)半寬度的增大，IBC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)，即對(duì)于所討論的四種不同發(fā)射區(qū)半寬度，轉(zhuǎn)換效率均存在最大值。當(dāng)背表面復(fù)合速率較小(50～500 cm/s)時(shí)，IBC太陽(yáng)電池最大轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度為800 μm。當(dāng)背表面復(fù)合速率較高(≥5000 cm/s)時(shí)，IBC太陽(yáng)電池最大轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的發(fā)射區(qū)半寬度為1200 μm。

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Emitter Half Width of IBC Solar Cell under Different Surface Recombination Velocity

ZHOUTao,LUXiao-dong,WUYuan-qing,LIYuan

(School of New Energy,Bohai University,Jinzhou 121000,China)

The emitter half width of n-Type Interdigitated Back Contact monO-crystalline silicon solar cell are studied by using TCAD semiconductor device simulation software. The influences of emitter half width on IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency under different back surface recombination velocity are studied comprehensively and systematically. The research shows that the IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency were significantly reduced with the increasing of the back surface recombination velocity.Along, in the case of different emitter half width. When the back surface recombination velocity is constant, the longer the emitter half width, the greater theshort-circuit current density, the higher the open-circuit voltage, the lower the filling factor. The IBC solar cell Eff first increases then decreases with the increasing of the emitter half width. When the back surface recombination velocity is smaller(50-500 cm/s), the optimal emitter half width is 800 μm. When the back surface recombination velocity is greater(≥5000 cm/s), the optimal emitter half width is 1200 μm.

back contact；solar cell；emitter；half width；surface recombination velocity

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11304020)

周濤(1983-)，男，碩士，講師.主要從事晶硅太陽(yáng)能電池和功率半導(dǎo)體器件相關(guān)技術(shù)方面的研究.

TM914.4

A

1001-1625(2016)06-1688-05