交叉背接觸異質結（IBC-SHJ）太陽能電池模型參數的仿真與優化

韓名君 魏雪晴

摘 要

本文對IBC-SHJ電池背面的幾何尺寸進行二維仿真和優化，得到緩沖層、發射極和背面場對J-V特性的影響，以及FF因子的變化，結論表明緩沖層獲得最佳效率的寬度值為10nm附近，發射極寬度的效率最優值約為3mm。

關鍵詞

交叉背接觸;異質結;緩沖層;發射極

中圖分類號： TM914.4;O613.72 ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 95

Abstract

In this paper， the geometric dimensions of the back of IBC-SHJ battery were simulated and optimized in two dimensions. The influence of buffer layer， emitter and back field on j-v characteristics， as well as the change of FF factor were obtained. The conclusion shows that the width value of buffer layer for optimal efficiency is around 10nm， and the optimal efficiency value of emitter width is about 3mm.

Key words

Interdigital back contact;Si Heterojunction;Buffer layer

0 前言

硅異質結構適用于低溫制備，同時具有較高的開路電壓Voc、可以實現雙面采光和全鈍化層接觸、無須光刻開孔，近年來得到迅速發展[1]。為進一步提高電池的轉化效率，近年來還提出了在異質結構的基礎上引入交叉背接觸結構，制成交叉指式背接觸異質結（IBC-SHJ）太陽能電池[2]。與普通電池相比，IBC-SHJ結構采用a-Si：H作為雙面鈍化層，從而提高了開路電壓，同時由于此種電池表面無遮擋，光學損失減少，所以短路電流更高。目前，針對該電池結構，日本的Kaneka公司已經取得了26%的轉化效率[3]。我國目前對該種電池的研究主要還停留在仿真和試制階段，我們還需要進一步研究揭示其機理、并指導我們的試制和生產。因此本文就對其關鍵的幾個工藝參數進行仿真和研究，從而對工藝進行進一步優化。

1 IBC-SHJ太陽能電池的幾何尺寸模擬與優化

IBC-SHJ太陽能電池的典型結構是以n型硅片作為襯底，主體是n-c-Si材料，厚度為Wc-Si，其正面是減反射層ARC和前表面場FSF。n-c-Si材料背面為了改善表面鈍化性能，填充了一層緩沖層i-a-Si：H材料，緩沖層之下則是摻雜非晶硅層，呈叉指型分布，其中p-a-Si：H作為發射極，n-a-Si：H作為背面場BSF，其寬度分別為Wemit和WBSF。最后，在發射極和BSF上覆蓋有金屬接觸層，發射極和背面場之間用介質層隔離[4]。

在IBC-SHJ結構中，由于發射極和背面場以及緩沖層都在背面，因而我們對其背面的幾何尺寸進行模擬和優化。采用Silvaco軟件對器件進行二維模擬。每次仿真時只改變一個參量，其余參量不變。首先對緩沖層非晶硅薄膜i-a-Si：H進行仿真和優化，其J-V特性仿真見圖1。從圖中可見，緩沖層為20nm時填充因子FF劇烈下降到36%，線段后半段呈現出S形。隨著緩沖層厚度的減小，填充因子增加，曲線軌跡越接近矩形，不再出現S形曲線。緩沖層為1nm時，其填充因子FF達到75%。但是過小的緩沖層也不利于鈍化的制備，在本文仿真的參數設置下，緩沖層厚度為10nm時FF即可達到77%。

圖2是發射極寬度Wemit對電池性能影響的仿真圖。取5種不同的發射極寬度，分別是200、400、600、800和1000μm，開路電壓Voc隨Wemit的增加而變化，但是短路電流Jsc隨Wemit的增加而變化。

圖3則表明發射極的覆蓋度先使FF增大，當Wemit達到3mm時FF達到79%，之后FF開始隨著Wemit的增加而減小。這是由于發射極覆蓋度小于一定值時，器件的熱電子輸運增加，但是如果p型發射極過大就會導致n型的背面場寬度相應的縮小，從而導致串聯電阻增加。

圖4是背面場寬度WBSF對電池性能影響的仿真圖。取5種不同的背面場寬度，分別是200、400、600、800和1000μm，開路電壓Voc基本不變，但是短路電流Jsc隨WBSF的增加而減小，這是由于載流子在做橫向擴散時，如果背面場尺寸較大，則載流子需要經過較長的距離才能獲得復合，因此才會WBSF增加而Jsc減小，說明需要WBSF越窄越好，FF則隨著WBSF的增加有所增加。

2 結論

本文中，我們用Silvaco軟件對IBC-SHJ太陽能電池進行仿真模擬，并改變了3個不同的參數來優化太陽能電池的效率。仿真實驗觀察到，固有的a- si層增加了Voc和Jsc，但同時降低了FF，形成“S”形的IV曲線。緩沖層的最佳寬度值取在10nm左右。同時n型背面場寬度增大時，Jsc減小，因此n型背面場必須選擇盡可能窄; p型發射極增加時則是Jsc增加FF減少。Jsc和FF的不同演化導致p型發射極寬度的效率最優值大約為3mm。

參考文獻

[1]陳俊帆，等.高效單晶硅太陽電池的最新進展及發展趨勢[J].材料導報，2019，33（1）：110-116.

[2]張勤杰，等.背面結構對鋁背發射極n型單晶硅太陽電池的影響研究[J].太陽能學報，201637（5）：1148-1152.

[3]北極星太陽能光伏網.PERC、IBC、SHJ、TOPCon、HBC等高效光伏電池簡史.http：//guangfu.bjx.com.cn/news/20190513/979996.shtml

[4]沈文忠，李正平.硅基異質結太陽能電池物理與器件[M].北京：科學出版社，2014.