超薄異質結太陽能電池理論模擬計算及分析

車 晉，盧海江

(1.山西農業大學信息學院，晉中 030800；2.宣城開盛新能源科技有限公司，宣城 242000)

0 引 言

在主流的PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)太陽能電池降成本空間越來越小，轉換效率越來越接近理論“天花板”的背景下，異質結太陽能電池有望成為下一代商業化光伏生產的候選技術之一。和PERC技術相比，理論上異質結電池擁有更高的轉換效率，目前最高轉換效率已經達到25.6%，疊加IBC(Interdigitated back contact)技術后可以超過26%。此外，雙面電池組件產品越來越受到主流市場的認可，異質結電池具有更好的雙面性，雙面率可以達到98%。因此異質結電池已經成為了光伏行業的新寵，各大光伏企業都在加快異質結電池的研發和產業化。目前異質結電池尚不具備成本優勢，異質結電池降低成本主要從兩方面著手：一方面，降低低溫銀漿的成本；另一方面就是降低硅材料成本，最直接的方法就是使用更薄的硅片，行業使用的都是150 μm左右的硅片，如果把硅片的厚度降低到100 μm以下，成本會大幅下降。由于異質結電池采用對稱的結構，沒有鋁背場，因此電池片不會出現翹曲現象，使用更薄的硅片，可以制造能夠彎曲的柔性組件，能夠更大程度的擴展光伏組件的應用領域。所以采用超薄硅片的異質結電池必將是未來的發展方向。三洋公司在2011年就研發了厚度只有98 μm，轉換效率達22.8%的超薄異質結電池[1]，給超薄異質結電池的可行性提供了強有力的依據。

自從異質結電池誕生以來，為了獲得低成本、高效率的異質結太陽能電池，世界各國的科學家對其做了大量的理論模擬研究工作，也取得了很大的進展，但主要是基于常規厚度硅片的異質結電池的理論模擬，探究其物理規律和提高電池轉換效率的途徑，而對于采用超薄硅片的異質結電池方面的理論模擬工作甚少，以考慮成本的角度，采用超薄硅片的異質結電池必然是未來發展的行業趨勢。因此本文采用AFORS-HET數值模擬軟件(該軟件具有更高的可靠性[2])，選用厚度為80 μm的N型硅片作為襯底，對超薄異質結電池的性能做了探究和分析，為后續超薄異質結電池的投產提供理論依據。

1 物理模型

AFORS-HET是在半導體材料態密度(DOS)模式下對器件進行直流模擬。在這種模式下，半導體的能帶電子態分為導帶、價帶擴展態，導帶、價帶帶尾定域態以及帶隙定域態。帶尾定域態主要由鍵角應變鍵引起，其態密度用指數函數描述。帶隙定域態其密度呈雙高斯分布[3]。模擬中復合模型采用帶間復合、俄歇復合和Shock-ley-Read-Hall復合，并且采用經典的玻爾茲曼統計來計算載流子的濃度。

本文模擬的超薄異質結電池結構如圖1所示，其襯底選擇為80 μm厚的N型Si襯底，假設電池的表面反射率為0.1，背面反射率為0，電池無限光和背場效應，正、背面電極均為歐姆接觸，各層的其他參數如表1所示，缺陷態的設置參考文獻[4-7]，模擬太陽光的照射條件為25 ℃，AM1.5，1 000 mW/cm2，有效波段范圍0.3～1.1 μm。

表1 太陽能電池模擬參數

2 結果與討論

2.1 窗口層厚度對電池性能的影響

圖1 超薄異質結電池的結構圖

窗口層對超薄異質結電池的性能有重要影響，圖2模擬了不同窗口層厚度條件下超薄異質結太陽能電池性能參數的變化情況，在模擬過程中只改變窗口層厚度，保持其他參數不變，且忽略界面態的影響。模擬結果表明，隨著窗口層厚度的增加，電池各項光伏參數都在減小，其中開路電壓Voc和短路電流Jsc受影響最大，這是因為與N型單晶硅(N-c-Si)襯底相比，P型納米晶硅(P-nc-Si)窗口層有更多的缺陷態，大量載流子在發射區復合，而且光生載流子在窗口層的擴散長度小，因此只有漂移電流無擴散電流，窗口層產生的光生載流子對電池的總電流幾乎沒有貢獻[8]，P-nc-Si薄膜具有較大的光學吸收系數，因此隨著窗口層厚度的增加，短路電流也會大幅下降。由理想二極管模型可知：

(1)

式中，k是指玻爾茲曼常數，t是時間，q是電荷，Jsc是太陽能電池的短路電流密度，J0是太陽能電池的反向飽和電流密度。

當短路電流Jsc下降時會導致開路電壓的下降，進而導致電池填充因子和轉換效率的下降。圖3為不同窗口層厚度內量子效率變化曲線。從圖中也可以看出，隨著窗口層厚度的增大，內量子效率在短波區(300～600 nm)明顯減弱，主要是由于窗口層的光吸收所導致，這也是短路電流減少的重要原因。因此對于超薄異質結太陽能電池，窗口層要盡量的薄，但是考慮到在實際生產過程中，如果硅基薄膜沉積太薄，薄膜的質量和均勻性都很難達到工藝要求，所以P-nc-Si的厚度要控制在5～9 nm的范圍內，電池可以取得較高的效率。

圖2 窗口層厚度對電池性能的影響

圖3 不同窗口層厚度的內量子效率

2.2 窗口層摻雜濃度對電池性能的影響

對于異質結太陽能電池，窗口層的摻雜濃度對電池性能的影響非常重要，因此模擬了窗口層在不同摻雜濃度條件下，對超薄異質結太陽能電池性能的影響，在模擬過程中僅僅改變窗口層摻雜濃度，其他參數保持不變，且忽略界面態的影響。

由圖4模擬結果表明，隨著窗口層摻雜濃度的增加，電池各項光伏參數都是先增加然后趨于恒定，因為在N-c-Si的摻雜濃度、溫度不變的情況下，窗口層摻雜濃度越高，內建電場越強，電池的開路電壓也越大[9]，填充因子FF與開路電壓Voc的關系可用經驗公式[9]表示為：

(2)

式中，k是指玻爾茲曼常數，q是電荷，T是溫度，voc是指歸一化的開路電壓。所以隨著電池開路電壓的增加，填充因子FF也在增加；另一方面，當內建電場增強時，能夠有效提高載流子的收集效率，所以電池Jsc增加。但是當摻雜濃度繼續增加時，內建電場強度、載流子收集都達到了飽和，由此各項參數都保持了不變。

圖5為不同窗口層摻雜濃度的內量子效率變化曲線。從圖中可以看出，隨著窗口層摻雜濃度的增大，內量子效率在長波長(500～1 100 nm)處增強，因為窗口層的摻雜濃度增加時，窗口層的空間電荷區幾乎不發生變化，但是N-c-Si的空間電荷區會變寬，由于長波長的光在距離硅片表面較遠處被吸收，所以當電荷區變寬時，離表面較遠的光生載流子的收集效率會大幅提高，因此電池長波處的內量子效率較大，這也是短路電流增大的重要原因。

當摻雜濃度繼續增加時，電池在短波處(300～500 nm)的內量子效率略微減少，這是因為短波長的光子主要是被P-nc-Si窗口層所吸收，在高摻雜的P-nc-Si窗口層中，不僅具有高的缺陷態密度，而且俄歇復合幾率也會增強，導致發射區的光生載流子的復合增加，因此窗口層產生的光生載流子對電池總電流沒有貢獻，從而導致在短波長的內量子效率降低。

通過對P-nc-Si窗口層摻雜濃度的模擬得出，對于超薄異質結太陽能電池，為了得到較高的電池效率，其摻雜濃度選擇7×1019～8×1019的范圍。

圖4 窗口層摻雜濃度對電池性能的影響

圖5 不同窗口層摻雜濃度的內量子效率

2.3 窗口層光學帶隙對電池性能的影響

由圖6的模擬結果得出，窗口層的摻雜濃度和厚度不變時，帶隙寬度的變化對開路電壓和電池的效率影響較大，對填充因子和短路電流有較小的影響。電池的開路電壓和效率隨著帶隙的增大而增加，因為當窗口層帶隙寬度增大時，載流子在N-c-Si和P-nc-Si之間的勢壘增加，PN結的反向飽和電流減少，則開路電壓變大，進而導致電池的轉換效率上升。圖7為窗口層不同帶隙的內量子效率圖。從圖中的模擬結果可以看出，隨著窗口層帶隙增加，短波處的內量子效率相應增加，主要是由于窗口層在短波處的吸收減少所致，這也是電池短路電流增加的原因[10-11]。當帶隙大于2 eV以后，電池的FF開始下降，這主要是兩方面原因造成的。一方面是由于P-nc-Si薄膜內部較多的缺陷態，當窗口層帶隙較低時，缺陷的影響比較小，同時帶隙的增加會彌補缺陷的影響，FF基本上保持不變，電池的轉換效率也會明顯增加，但是當帶隙增加幅度過大時，缺陷造成的影響就會急劇增加，伴隨著填充因子的下降，最終導致電池的轉換效率下降。另一方面隨著窗口層帶隙的增加，本征硅和晶體硅的能帶偏移增加，進而導致光生少數載流子的勢壘增加，阻礙少數載流子的傳輸，最終結果是電池性能整體下降。因此綜合考慮，對于高效超薄異質結太陽能電池窗口層的帶隙應該是在1.85～2.0 eV之間。

圖6 窗口層帶隙對電池性能的影響

圖7 不同帶隙窗口層的內量子效率

2.4 本征層厚度對電池性能的影響

異質結電池的轉換效率能夠取得突破，主要歸功于在最初的異質結電池結構中，插入一層很薄的本征非晶硅薄層，無論是常規的異質結電池還是超薄異質結電池，本征層薄膜的質量和性能都非常重要。本文在數值模擬過程不考慮其界面態，即不考慮本征層的鈍化功能，主要是模擬和分析了本征層的厚度和光學帶隙對超薄異質結電池性能的影響。

從圖8的模擬結果可以看出，隨著本征層厚度從1 nm增加到3 nm時，電池的填充因子FF和效率Eff相應增加，由于本征硅帶隙介于晶硅和窗口層之間，可以起到能帶的過渡作用，因此插入本征硅，可以降低少數載流子的傳輸勢壘，有利于光生載流子的收集，導致FF相應增加，進而導致電池轉換效率上升[10-11]。本征層薄膜的電阻率較高，當其厚度繼續增加時，電池的串聯電阻不斷增大，串聯電阻是FF因子的重要影響因素，所以隨著本征層厚度的增加，填充因子相應減小，進而導致電池轉換效率降低。模擬結果得出，隨著本征層厚度的增加，電池的短路電流逐漸減少，由于本征非晶硅薄膜的光學吸收系數較大，隨著厚度增加，其對短波處的光吸收也在增加，由于薄膜中的缺陷態密度較高，產生的光生載流子很快會被復合掉，則本征層吸收光產生的光生載流子對電池的總電流沒有貢獻[12-13]。圖9為不同厚度本征層的內量子效率模擬結果。從圖中可以看出，隨著本征層厚度的增加，在短波波段(300～600 nm)的量子效率較小，這也是電池短路電流降低的主要原因。所以本征層的厚度不宜太厚，考慮到其實際的鈍化性能，超薄異質結電池的本征層厚度在5～10 nm最佳。

圖8 本征層厚度對電池性能的影響

圖9 不同厚度本征層的內量子效率

2.5 本征層帶隙對電池性能的影響

由圖10可以看到本征層的光學帶隙對電池各項光伏參數影響較小，本征層帶隙從1.5 eV增加到1.8 eV時，電池轉換效率和短路電流略有增加，主要是由于本征層薄膜帶隙的增加，減少了本征層對短波長光波的吸收。其內量子效率結果(見圖11)也可以得到驗證，隨著本征層光學帶隙增加，300～600 nm波段的內量子效率也在增加。當帶隙大于1.8 eV以后，電池各項性能都在大幅的下降，這是由于隨著帶隙的繼續增加，本征硅和晶體硅的能帶偏差增加，進而導致光生載流子的勢壘增加，嚴重阻礙載流子的傳輸[11]。最終結果是電池性能整體下降。因此，對于超薄異質結太陽能電池，結合實際生產情況，其本征層的光學帶隙合理的范圍是1.6～1.8 eV之間。

圖10 本征層帶隙對電池性能的影響

圖11 不同帶隙本征層的內量子效率

3 結 論

通過AFORS-HET電池模擬軟件，分析模擬了當異質結太陽能電池的襯底厚度僅為80 μm的條件下，其窗口層、本征層的摻雜濃度、厚度、帶隙等參數對超薄異質結電池性能的影響。得出了窗口層、本征層等參數的工藝窗口范圍，為實驗和實際生產都提供了一定的理論依據。對于超薄異質結電池，薄膜的厚度在保證均勻性和鈍化性能的基礎上，可以盡量薄一些，這樣有助于提高電池的效率。而窗口層的光學帶隙須和本征層的光學帶隙相匹配，不能單調的大幅提高某一層的帶隙，否則會形成能帶帶階，降低電池的性能。