異質結太陽能電池的模擬與優化設計

何鳳琴 馬昀鋒 張敏 楊超

摘? 要：結合異質結電池的工作原理，運用AFORS-HET軟件，對n型/p型異質結太陽能電池進行模擬與優化設計，研究發射層、前本征層、襯底層的厚度以及氧化銦錫（ITO）薄膜功函數對異質結太陽能電池性能的影響。結果顯示，n型異質結太陽能電池的轉換效率略高于p型異質結太陽能電池，n型異質結太陽能電池的功函數提升會對電池的轉換效率有所幫助，而p型異質結太陽能電池的功函數恰好相反，本文給出了優化的異質結電池結構設計模型。

關鍵詞：異質結太陽能電池? 層厚? 功函數? 模擬

中圖分類號：TM914.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（c）-0062-04

Abstract： Combined with the working principle of heterojunction cells， AFORS-HET software was used to simulate and optimize the design of n / p heterojunction solar cells. The influence of the thickness of emission layer， front eigen layer， substrate layer and indium tin oxide （ITO） film work function on the performance of heterojunction solar cells was studied. The results show that the conversion efficiency of n heterojunction solar cells is slightly higher than that of p heterojunction solar cells， and the work function enhancement of n heterojunction solar cells will help the conversion efficiency of the cells， while the work function of p heterojunction solar cells is the opposite. In this paper， an optimized structural design model of heterojunction cell is presented.

Key Words： Heterojunction solar cells; Layer thickness; Work function; Simulate

太陽能電池是主流產品，傳統單晶硅太陽電池主要采用高溫擴散的工藝方式進行電池制備[1]，成本較高，并且在一定程度上能耗較高，同時，對硅片的熱損傷也較大，隨著各工藝技術的逐漸成熟近年來，隨著清潔能源的發展，傳統的硅基太陽能電池已經實現產業化。其中，單晶硅化開發，轉換效率即將達到瓶頸，不利于轉換效率的進一步提升。非晶硅薄膜電池采用低溫工藝進行制備，成本低，但存在較多缺陷，使其轉換效率降低，目前只有13%左右[2]，還有光衰問題難以從根本上解決。異質結電池結合了晶硅光伏電池和非晶硅薄膜電池兩者的優點，采用硅片做基底，采用低溫工藝進行制備，最高的電池制備工藝溫度控制在200℃左右，能耗較低，并且工藝過程簡單，僅濕法制絨、正反面本征非晶硅沉積、正反面摻雜非晶硅沉積、正反面透明導電膜沉積及金屬化工藝五步即可完成電池制備，且電池結構為雙面對稱結構可雙面封裝，在理論上可進一步提升電池效率。1992年，由sanyo公司制造異質結太陽能電池轉換效率就已經達到18.1%[3]。隨后sanyo公司不斷技術革新、改進工藝，提高電池的轉換效率至25%左右[4-5]。但該電池在制備中雖然工藝簡單，但各工藝需進行嚴格模擬計算及控制，否則電池也會存在較多缺陷，難以實現高的轉換效率。本文從異質結太陽能的物理結構出發，研究發射層、前本征層、襯底層的厚度以及氧化銦錫薄膜（ITO）功函數對電池性能的影響。

1? 物理模型

本文模擬采用的物理模型為采用厚度為100～220um的p（n）型摻雜單晶硅片作為沉底，再在硅片正反面沉積一層厚度為2～5nm的本征非晶硅作為鈍化層，接著在硅片正反面沉積一層5～10nm的摻雜型非晶硅薄層作為發射極，n型硅片正面沉積p型非晶硅薄層、背面沉積n型非晶硅薄層，p型硅片正面沉積n型非晶硅薄層、背面沉積p型非晶硅薄層，最后再在電池正反面沉積一層透明導電膜層，以收集光生效應產生的電荷，并減少光的反射后在電池表面制備銀柵線作為電極[6-7]。

異質結電池的原理[8]：太陽光照射在異質結電池表面，pn結吸收太陽光產生光生載流子，光生載流子在自建電場的作用下，電子向正極移動、空穴向負極移動，在電池正負極形成電荷積累，從而產生光生伏特效應。

模擬過程中，通過控制層厚度，優化異質結太陽能電池的轉換效率，進一步研究ITO功函數對其性能的影響[9]。模擬時忽略電池本身界面態的影響，光照設置為國際標準的1個太陽標準，即AM1.5，100mW/cm2。

2? 各膜層厚度對異質結電池性能的影響

在理論建模中，把異質結電池（無論n型異質結或p型異質結）發射極膜層厚度設置為1～10nm，前表面、后表面本征層厚度即背場膜層厚度均為5nm、襯底厚度為300um，其余參數保持不變。

2.1 摻雜非晶硅層厚度對異質結電池性能的影響

以本征層的厚度為變量，設置發射層摻雜濃度為5×1019、襯底摻雜濃度為1×1017、背場層摻雜濃度為8×1019。研究各膜層厚度對電池短路電流Isc、開路電壓Voc、轉換效率Eff等參數的影響。

無論是n型異質結太陽能電池還是p型異質結太陽能電池，均隨著發射層厚度的增加，開路電壓Voc、短路電流Jsc和轉換效率Eff均降低。這是由于摻雜非晶硅膜厚度增加時，少數載流子的復合變大，太陽能電池空間電荷區界面的電荷積累減少，因此，開路電壓Voc降低;同時，隨著膜層厚度增加，電池的串聯電阻也隨之增大，導致了短路電流Jsc降低;從而也導致了整體的轉化效率Eff降低。結合模擬結果及目前工藝條件狀況，將摻雜發射極非晶硅膜層厚度設置為4nm。

2.2 前表面本征層厚度對電池性能影響

模擬仿真建模過程中，為保持和前序模擬建模的一致性，將電池的發射層膜厚設置為4nm、背表面本征層及背場層膜厚均設置為5nm、硅基底厚度設置為300um，將電池前表面的本征非晶硅膜層厚度設置在1～10nm之間，其他參數不變。

從圖1中可以看出，對于n型異質結電池來說，隨著前表面本征非晶硅層厚度的增加，開路電壓Voc基本不變，短路電流Jsc、填充因子FF和電池的轉換效率Eff逐漸下降。這是因為對于n型的異質結電池來說，前表面存在的較大價帶帶階，使得少數載流子空穴陷阱增多，阻止了光生載流子主要空穴向電池內部的有效傳輸，同時，增厚的本征非晶硅層使得鈍化作用加強，少數載流子產生復合的效應降低，從而使得開路電壓Voc基本保持不變。但由于本征非晶硅層厚度的增加，使得電池整體的串聯電阻增加，從而導致了短路電流降低、填充因子FF降低，因此，電池的轉換效率也隨之降低。對于p型異質結電池來說，隨著電池前表面本征非晶硅膜層厚度的增加，開路電壓Voc、短路電流Jsc和轉換效率Eff均降低。這是由于在p型硅襯底中，電池前表面有較小的導帶帶階，少數載流子為電子，電子所受到的阻滯小，使得電子更易被收集，從而使得本征非晶硅厚度增加時，少數載流子的復合機率變大，從而導致了開路電壓Voc隨之降低。理論仿真模擬結果，優化設計電池結構，設定電池前表面本征非晶硅膜層厚度為4nm。

2.3 襯底厚度對異質結電池性能的影響

在該模擬仿真建模中，將兩種異質結電池的發射極膜層、前表面本征非晶硅膜層厚度均設置為4nm，背表面本征非晶硅膜層和背場非晶硅膜層厚度均設置為5nm。將電池的襯底厚度設置在50～300μm之間變化，模擬仿真n型異質結電池和p型異質結電池的性能變化。

兩種異質結電池均隨著襯底厚度減少，開路電壓Voc提高，短路電流Jsc降低。這是因為隨著硅片基底厚度的減小，自建電場的強度會增強，導致開路電壓Voc有所提升，但當硅片減薄時，光的吸收也會隨之減少，導致短路電流也降低?？傮w來說，隨著硅片厚度的增大，電池的Voc減少較多，Jsc增加的少，因此，電池整體的填充因子也是呈降低狀態。兩種類型異質結電池的轉換效率均隨著硅片厚度的增加先增加再減少，但減少的趨勢相對小一些，從模擬結果看，n型異質結電池在150μm達到最大值，為27.54%，但p型異質結電池在200μm時達到最大值，為27.47%。優化結果如表1所示。在異質結電池的制造中，n型硅襯底不存在硼氫鍵引起的光照衰減問題，具有較高的少子壽命，而且n型硅襯底在150μm時效率比200μm時p型硅襯底的效率要高，節約成本。所以無論是從電池自身的性能，還是從電池的成本來考慮，n型硅襯底更適合做異質結電池。

3? ITO功函數對異質結電池性能的影響

ITO薄膜作為異質結電池的透明導電膜層，其功函數對異質結電池的開路電壓Voc、短路電流Jsc、填充因子FF和抓換效率Eff有較大影響，所以ITO薄膜的功函數十分重要。ITO薄膜的功函數范圍在3.6～5.3eV之間，有90%以上的透光率，而且可以控制其摻雜類型，使得功函數增加到5.2～6.1eV。

通過前面的優化結果，優化的異質結結構為：發射極摻雜非晶硅膜層及前表面本征非晶硅膜層厚度為4nm，n型異質結電池硅片厚度150μm，p型異質結電池硅片厚度200μm，背表面本征非晶硅及背場摻雜非晶硅膜層為5nm，設定n型異質結電池的功函數從3.9～4.5VeV變化，p型異質結功函數5.0～5.6eV變化，其他參數不變。

從圖2中可以看到，n型異質結電池和p型異質結電池開路電壓、短路電流、填充因子均呈現相反的變化趨勢。對于p型硅片，功函數小時，透明導電膜/發射極摻雜非晶硅層界面的能帶彎曲方向與發射極摻雜非晶硅層/硅片界面的能帶彎曲方向相同，因此具有相同的內建電場方向，有利于電子的收集，從而提升了電池整體的轉換效率。但是當透明導電膜的功函數過高時，透明導電膜/發射極摻雜非晶硅層界面的能帶彎曲方向與摻雜非晶硅膜層/硅片界面的能帶彎曲方向相反，則導致內建電場方向也相反，不利于少數載流子收集。而對于n型硅片，功函數較高時，透明導電膜層/發射極摻雜非晶硅層界面/硅片各界面的電場方向相同，相同的電場方向有利于少數載流子收集，提升了電池的轉換效率;功函數較低時，則上述的界面電場方向相反，從而導致電池的轉換效率降低。從ITO功函數對異質結電池的影響來看，更適合作為n型異質結電池的窗口層。

4? 結語

（1）n（p）型異質結太陽能電池，均隨著發射層厚度的增加，Voc、Jsc和Eff均有所下降。但p型異質結由于易收集電子，使得Voc比n型異質結電池的要低。

（2）p型異質結隨前本征層厚度的增加，少子復合機率大，Voc有所下降。對于n型異質結，厚度對Voc影響不大。但n（p）型異質結電池，隨厚度增加，轉換效率均有所下降。

（3）隨襯底層厚度增加，對光的吸收更加充分，電池性能開始隨襯底厚度增加而提升。在保持摻雜濃度不變的情況下，n型在150μm時達到最優值27.54%，最終得到p型異質結電池在200μm時效率達到最優值27.47%。

（4）p型異質結電池功函數越低，ITO/a-Si：H（n）界面的能帶彎曲方向與a-Si：H（n）/c-Si（p）界面能帶彎曲方向相同，轉換效率越好。n型異質結電池，功函數越高，轉換效率越好。

參考文獻

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