TOPCon-n-PERT太陽電池結構關鍵參數 對其電性能影響的研究

呂 欣，王旭花，劉國能

(1.國家電力投資集團公司陜西分公司，西安 710000；2.西安理工大學，西安 710048)

0 引言

相較于當前主流的采用鈍化發射極背接觸(PERC)技術的p型太陽電池而言，采用發射極鈍化全背場擴散(PERT)、 隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)、異質結(HIT)或叉指狀背接觸(IBC)等技術的n型太陽電池提升光電轉換效率的空間更大[1]。

TOPCon技術作為前沿的太陽電池技術之一，不但能實現與HIT結構相當的表面鈍化效果，而且還可以與高溫工藝相兼容，同時也避免了電極接觸處引起的高復合問題[2]，目前針對TOPCon技術的研究主要是基于n型PERT太陽電池[3]。在不斷改進太陽電池制造工藝的過程中，模擬設計是減少產品研發成本和實驗次數的有效路徑[4]。本文利用德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer ISE)的Andreas Fell開發的Quokka3軟件，對采用TOPCon技術的n型PERT太陽電池(下文簡稱“TOPCon-n-PERT電池”)的關鍵參數進行了仿真模擬，著重研究了發射極的飽和電流密度、發射極-金屬接觸電阻率、背表面隧穿氧化層厚度及背表面飽和電流密度對電池電性能的影響，并進行了實驗論證，以期為新型產品的設計與研發提供依據。

1 發射極對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響

TOPCon-n-PERT電池屬于p+-n-n+的非對稱結構，硅片的厚度、電阻率等均是影響電池光電轉換效率的重要因素[5]。電池的有效少子壽命與發射極和背表面的飽和電流密度密切相關，而TOPCon-n-PERT電池的背表面鈍化層采用隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結構，因此其背表面的飽和電流密度較小?；谝延械幕A研究，為了進一步提升TOPCon-n-PERT電池的光電轉換效率，降低其發射極的飽和電流密度和發射極-金屬接觸電阻率是關鍵控制點，也是在電池選擇生產工藝時應重點關注的2個參數。

1.1 發射極飽和電流密度

TOPCon-n-PERT電池的隱開路電壓i-Voc可表示為：

式中：K為玻爾茲曼常數；T為太陽電池測試時的環境溫度；q為電子電荷；Δn為過剩的載流子濃度；Ndop為摻雜濃度；ni為本征載流子濃度。

TOPCon-n-PERT電池中，有效少子壽命τeff與飽和電流密度的關系可表示為：

式中：τbulk為體少子壽命；J0e為發射極的飽和電流密度；J0r為背表面的飽和電流密度；NA為受主摻雜濃度；W為電池結構的厚度。

基于上述理論及RICHTER等[6]的研究建立了TOPCon太陽電池模型，模擬計算了J0e對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響，結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著J0e值的增加，電池的光電轉換效率及開路電壓Voc值均呈逐漸下降的趨勢；當J0e＜10-14A/cm2時，其對電池的光電轉換效率及Voc值的影響相對較小；當J0e＞10-14A/cm2時，其對電池的光電轉換效率及Voc值的影響較大。背表面的復合損失會超過發射極的復合損失而成為主要復合。當J0e=10-15A/cm2時，該電池的光電轉換效率為26.25%。

圖1 J0e對TOPCon-n-PERT電池光電轉換效率及Voc的影響Fig. 1 Influence of J0e on photoelectric conversion efficiency and Voc of TOPCon-n-PERT solar cell

為研究發射極表面的鈍化特性，實驗設計了p+-n-p+的對稱電池結構，此時J0e與J0r相等，且J0e越大，電池表面的復合速率也就越大。根據TOPCon-n-PERT電池生產過程中影響其表面復合速率的因素可知，其表面因損傷等原因導致的懸掛鍵或生產過程中引入的雜質均會對其表面少子的復合具有促進作用，因此，為了降低電池表面的復合速率和J0e，需要對電池表面進行鈍化。

通過上述理論分析，認為作為鈍化減反射膜的SiNx:H膜具有優良的氫鈍化和減反射作用，但是SiNx:H膜與Si的晶格匹配性較差，導致Si/SiNx:H界面的缺陷密度較高，而Al2O3層的引入既能降低Si/SiNx:H界面的能級數目，又能提高其勢壘高度，從而減少光生載流子在界面的復合概率，這更有利于光生電流的產生，但SiO2/Si具有良好的界面性能。綜上分析可知，不同膜層結合的鈍化效果差異較大[7]。為了能夠使J0e的值最小，需進一步進行實驗論證，因此分別采用SiNx:H、SiO2/SiNx:H、Al2O3/SiNx:H及SiO2/Al2O3/SiNx:H這4種鈍化層開展p+-n-p+對稱結構太陽電池的鈍化實驗，實驗結果如圖2所示。

通過譯文，我們可以明顯看出Schlepp采用了直譯法，而翁顯良卻采用了意譯法。由于他們的體驗或是想象中的場景基本和馬致遠的相同，所以兩篇譯文基本都把意象和場景翻譯出來了，但在其反映的認知世界中我們可以看到有較大的不同。

圖2 采用不同鈍化層時J0e的情況Fig. 2 Situation of J0e when using different passivation layers

由圖2可知，采用SiO2/Al2O3/SiNx:H鈍化層時J0e值達到最小，這說明其對于p+發射極具有最佳的鈍化效果。

1.2 發射極－金屬接觸電阻率對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響

由TOPCon-n-PERT電池的結構可知，其背表面鈍化層采用隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結構，在該疊層結構中多晶硅薄膜與金屬電極直接接觸，且多晶硅薄膜的摻雜濃度較高(超過1020/cm3)，因此多晶硅薄膜與金屬電極之間的接觸電阻率較低，對電池的電性能影響較小。而為了減小發射極表面的復合速率，在制作p-n結時應盡量減小發射極表面的硼摻雜濃度，這使得發射極與金屬之間的接觸電阻率成為了限制TOPCon-n-PERT電池光電轉換效率的主要原因之一。因此，重點模擬了發射極-金屬接觸電阻率ρ對此類電池電性能的影響，結果如圖3所示。

圖3 ρ對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響Fig. 3 Influence of ρ on electrical performance of TOPCon-n-PERT solar cell

由圖3可知，隨著ρ的增加，TOPCon-n-PERT，電池的Voc及短路電流密度Jsc的值均基本不變但由于填充因子FF的值下降趨勢明顯，導致該電池光電轉換效率值的降低。在ρ由10-4Ω·cm2增至10-2Ω·cm2的過程中，該電池FF的值由原來的82.8%降至77.2%，降低了5.6%；光電轉換效率的值由原來的24.5%降至22.8%，下降了1.7%。由此可見，FF對ρ非常敏感，而FF對光電轉換效率的影響較大，因此，優化ρ是提高TOPCon-n-PERT電池光電轉換效率的重要途徑之一。

2 TOPCon結構對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響

背表面隧穿氧化層的厚度與背表面飽和電流密度是影響TOPCon結構隧穿鈍化特性的2個主要因素，下文對這2個因素對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響進行分析。

2.1 背表面隧穿氧化層厚度對電池電性能的影響

n-PERT電池結構是通過在PERT電池的背表面摻雜磷形成一層較淺的n+摻雜層，從而實現電池的背表面場鈍化作用。而TOPCon-n-PERT電池背表面鈍化層是一層極薄的隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結構，該結構不僅具有場鈍化作用，還對載流子的傳輸具有選擇透過特性，即其允許一種載流子(空穴或電子)自由通過界面，而阻礙另外一種載流子，通過拉開這2種載流子在界面的濃度差值而大幅抑制界面復合，從而降低背表面的飽和電流密度[8-9]。因而背表面隧穿氧化層的厚度對電池的電性能有非常重要的作用[10]。利用Quokka3軟件模擬計算得到不同背表面隧穿氧化層厚度d對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響，結果如圖4所示。

圖4 d對TOPCon-n-PERT電池電性能的影響Fig. 4 Influence of d on the electrical performance of TOPCon-n-PERT solar cells

由圖4可以看出，在d≤1.2 nm、1.2＜d≤2.2 nm及d＞2.2 nm這3個取值范圍內，電池的各個電性能參數的變化趨勢均不同。當背表面隧穿氧化層很薄時，載流子可以通過隧穿效應穿過SiOx層，隧穿氧化層對多數載流子的傳輸不產生阻礙。因此，在d≤1.2 nm時，電池可以獲得優異的電性能；但當d逐漸增加(1.2＜d≤2.2 nm)，多數載流子的隧穿受到阻礙，電池的電性能會逐漸下降；當d超過臨界厚度2.2 nm(d＞2.2 nm)時，多數載流子的隧穿將無法實現，光生載流子會大量在界面處發生復合，Jsc值急劇下降，導致電池的光電轉換效率值也急劇下降。

為了進一步驗證d的取值對TOPCon-n-PERT電池背表面鈍化特性的影響，本文設計了TOPCon-n-PERT電池的背表面對稱結構來進行實驗。在保證溫度、流量等參數不變的情況下，僅通過改變氧化時間來控制d值，分別得到d為0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 nm時的背表面隧穿氧化層，然后進行多晶硅薄膜的沉積與磷摻雜，研究不同d值對磷摻雜濃度分布的影響。根據測試結果，繪制了不同d值時磷摻雜濃度分布曲線和i-Voc測試結果，如圖5所示。

圖5 不同d值時的磷摻雜濃度分布及i-Voc情況Fig. 5 Phosphorus-doped concentration distribution and i-Voc situation with different d values

由圖5可知，隨著d值的增加，電池背表面的磷摻雜結深呈遞減趨勢，而i-Voc隨著d值的增加呈先增加后減小的趨勢；當d=1.2 nm時，背表面的i-Voc值達到最大，為735 mV，此時背表面的鈍化效果達到最優。此結果與根據前文中圖4得到的模擬結果一致，因此為了使電池的電性能達到最優，d的設計值取1.2 nm。

2.2 背表面飽和電流密度

基于前文分析的J0e對電池電性能參數影響的理論，同樣針對背表面飽和電流密度J0r對電池光電轉換效率及Voc的影響進行模擬計算，結果如圖6所示。

圖6 J0r對TOPCon-n-PERT電池光電轉換效率及Voc的影響Fig. 6 Influence of J0r on photoelectric conversion efficiency and Voc of TOPCon-n-PERT solar cell

由圖6可知，隨著J0r的增加，電池的光電轉換效率及Voc值均呈現逐漸下降的趨勢；當J0r由10-13A/cm2減小到10-14A/cm2時，電池的光電轉換效率及Voc值顯著增加；當J0r降至10-15A/cm2時，電池前表面的復合損失將成為主要損失，電池的光電轉換效率及Voc值受限于前表面的復合損失，增加幅度也逐漸減少，電池的光電轉換效率會穩定在24.5%，Voc可以達到698 mV。這一結果與前文所述J0e對電池光電轉換效率及Voc的影響趨勢一致。

基于上述模擬結果，采用同一批次的硅片并分成3組，將這3組硅片經雙面拋光后分別雙面制備隧穿氧化層與磷摻雜多晶硅薄膜疊層結構(即TOPCon結構)、磷摻雜多晶硅薄膜及隧穿氧化層這3種膜層，然后對這3種膜層進行i-Voc和J0r測試，測試結果如圖7所示。

圖7 不同結構太陽電池的i-Voc和J0rFig. 7 i-Voc and J0r of solar cells with different structures

由圖7可知，這3種膜層結構中TOPCon結構使J0r的值最低，為2.5 fA/cm2，這說明該結構具有較好的鈍化效果；采用隧穿氧化層時J0r的值為110 fA/cm2；而采用磷摻雜多晶硅薄膜時J0r的值可達到1020 fA/cm2，該值遠高于采用隧穿氧化層時與采用TOPCon結構時獲得的J0r值，這說明該膜層的鈍化效果最差。

依據上述研究成果，分別制備了n-PERT及TOPCon-n-PERT電池，并對這2種電池的電性能進行了測試，測試結果如圖8所示。

圖8 n-PERT電池和TOPCon-n-PERT電池的電性能對比Fig. 8 Comparison of electrical performance of n-PERT solar cells and TOPCon-n-PERT solar cells

從圖8中可以看出，從平均值的角度來看，TOPCon-n-PERT電池的Voc平均值較n-PERT電池的平均值高29.2 mV，光電轉換效率平均值較n-PERT電池的平均值高0.99%；從最高值的角度來看，TOPCon-n-PERT電池的光電轉換效率最高值比n-PERT電池的最高值高1.04%，Voc最高值比n-PERT電池的最高值高30.5 mV。綜上分析可知，采用TOPCon結構對n-PERT電池Voc的提升較為明顯，同時在降低復合速率后Jsc也有所提升；在當前工藝下，TOPCon-n-PERT電池結構可實現1%的光電轉換效率提升。

3 結論

本文通過Quokka3軟件模擬研究了TOPCon-n-PERT電池發射極的飽和電流密度J0e、發射極-金屬接觸電阻率ρ、背表面隧穿氧化層厚度d及背表面飽和電流密度J0r對電池電性能的影響，并結合具體實驗對模擬結果進行了驗證，得到以下結論：

1)J0e和J0r值的增加會使電池的光電轉換效率和Voc值逐漸減??；

2)ρ的增加會導致FF值大幅下降，當ρ由10-4Ω·cm2增至10-2Ω·cm2時，電池的光電轉換效率由原來的24.5%降至22.8%，下降了1.7%；

3)對于背表面隧穿氧化層與摻雜多晶硅薄膜的疊層結構，隨著隧穿氧化層厚度的逐漸增加，背表面的隱開路電壓i-Voc值呈現先增加后減小的趨勢，且當隧穿氧化層的厚度為1.2 nm時背表面的鈍化特性達到最優值，實驗測得的i-Voc值可達735 mV。