晶硅襯底參數(shù)對(duì)太陽電池輸出特性的影響

李幼真，陳勇民

(中南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙 410083)

晶硅襯底參數(shù)對(duì)太陽電池輸出特性的影響

李幼真，陳勇民

(中南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙 410083)

利用晶硅電池模擬軟件PC1D研究晶硅襯底的厚度、少子壽命及摻雜濃度對(duì)電池輸出特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：晶硅襯底的厚度對(duì)電池輸出特性的影響與其少子的擴(kuò)散長度有關(guān)，襯底厚度的減小有利于其開路電壓的提高，存在一最佳厚度值使其轉(zhuǎn)換效率、短路電流及填充因子最高；當(dāng)少子的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于襯底厚度時(shí)，電池的輸出特性幾乎與襯底厚度無關(guān)；當(dāng)襯底少子擴(kuò)散長度與襯底厚度的比值為2.5～3.0時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率最高；晶硅襯底的摻雜濃度在5×1015～1×1017cm?3之間，即電阻率在0.2～3.0 ?·cm范圍內(nèi)時(shí)，晶硅電池能獲得良好的輸出特性。

晶硅電池；襯底參數(shù)；轉(zhuǎn)換效率；輸出特性

Abstract:The effects of crystalline silicon substrate properties as thickness, minority carrier lifetime and doping density on the solar cell output properties were simulated by PC1D. The results show that the influence of substrate thickness on the output properties is related with the minority carrier diffusion length, the reduce of the thickness can increase the open circuit voltage, there exists a good thickness value that can get better conversion efficiency, short circuit current density and fill factor; when the minority carrier diffusion length is far larger than the substrate thickness, the properties of solar cell almost have no business with the substrate thickness; when the ratio of substrate minority carrier diffusion length to the thickness is 2.5?3.0, the solar cell has the highest conversion efficiency; when the doping density is between 5×1015?1×1017cm?3, that is the resistivity is varied between 0.2?3.0 ?·cm, the solar cell can get better output properties.

Key words:crystalline silicon solar cell; substrate parameters; conversion efficiency; output properties

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)的能源緊張狀況不斷加劇。光伏電池清潔、無污染、取之不竭，近年來得到飛速發(fā)展[1]。由于晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高，技術(shù)成熟，目前仍然是市場(chǎng)主體，對(duì)晶硅材料的需求不斷增長。對(duì)晶硅電池來說，硅材料的厚度、摻雜情況等參數(shù)對(duì)其輸出特性有很大影響，而在光伏電池生產(chǎn)過程中，為了降低成本，提高光伏轉(zhuǎn)換效率，需要逐步降低晶硅材料的厚度，同時(shí)提升優(yōu)化晶硅材料的特征參量[2?3]；另一方面，晶硅材料的質(zhì)量隨著供應(yīng)商和供應(yīng)批次的不同而有較大差異，這會(huì)對(duì)電池生產(chǎn)質(zhì)量的控制帶來麻煩。目前，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用流片的方法來針對(duì)不同質(zhì)量的晶硅襯底修正其生產(chǎn)工藝參數(shù)，這樣既浪費(fèi)硅材料又降低生產(chǎn)效率，采用軟件來探索晶硅襯底的特征參量與晶硅電池輸出特性間的內(nèi)在聯(lián)系，以此為基礎(chǔ)來優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，并最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)的自動(dòng)化調(diào)整有重要的意義。國外學(xué)者對(duì)襯底質(zhì)量對(duì)電池電學(xué)輸出特性的影響進(jìn)行了較多的研究，ROSTRON[4]得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好的電池短路電流與少子擴(kuò)散長度的關(guān)系表達(dá)式；LOFERSKI[5]根據(jù) PN結(jié)理論模擬后認(rèn)為禁帶寬度為1.2～1.6 eV的半導(dǎo)體材料最有利于提高電池光電轉(zhuǎn)換效率。發(fā)達(dá)國家正逐步將晶硅電池生產(chǎn)轉(zhuǎn)移至發(fā)展中國家，加強(qiáng)這方面的研究既是迫切需要，又具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本文作者采用PC1D軟件模擬了晶硅襯底基本參數(shù)對(duì)電池輸出特性的影響，為實(shí)際生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)[6]。

1 模型及軟件

研究采用工業(yè)生產(chǎn)中常見的n+pp+電池結(jié)構(gòu)，如圖1所示。模擬太陽光(AM1.5G) 從電池右側(cè)射入，依次經(jīng)過n+層、p層和p+層，其中n+層和p+層外側(cè)分別為電池的正電極和背電極。PC1D軟件是研究晶硅電池物理特性的重要軟件，但國內(nèi)對(duì)其研究和應(yīng)用不多，其仿真模型是在穩(wěn)態(tài)條件下結(jié)合電池的邊界條件，以求解泊松方程、電流密度方程和連續(xù)性方程為基礎(chǔ)得到的，同時(shí)考慮光吸收系數(shù)，載流子輸運(yùn)特性等因素，通過求解由3個(gè)完全耦合的非線性基本方程組成的方程組，得到少數(shù)載流子在一維空間中的輸運(yùn)過程，進(jìn)而得到太陽電池的輸出特性，PCID軟件介紹及其物理模型可參閱文獻(xiàn)[6?7]。

模擬時(shí)設(shè)定光源能量密度為0.1 W/cm2，工作溫度為27 ℃，電池面積為10 cm2，其表面的織構(gòu)高度為0.2 μm，前表面反射為10%，電池內(nèi)部背表面的反射為朗伯散射，各層材料的其他仿真參數(shù)見表 1，其余參數(shù)均采用軟件中的默認(rèn)值。本文作者主要模擬了晶硅襯底的性質(zhì)如厚度、少子壽命及摻雜濃度對(duì)電池輸出特性的影響。

圖1 晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of crystalline silicon solar cell structure

n+pp+結(jié)構(gòu)為重?fù)诫s電池，重?fù)诫s會(huì)使半導(dǎo)體材料的禁帶變窄，從而影響器件性能，但其影響的本質(zhì)原因還不清楚，對(duì)其影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)也不統(tǒng)一，本文作者采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紤]了重?fù)诫s對(duì)材料的本征載流子濃度、價(jià)帶和導(dǎo)帶寬度的影響，其影響關(guān)系參見相關(guān)文獻(xiàn)[8?9]，進(jìn)而考慮了重?fù)诫s對(duì)器件性能的影響。

表1 晶硅電池輸出特性基本仿真參數(shù)Table 1 Some parameters values and models adopted in simulations

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 晶硅厚度對(duì)其輸出性能的影響

晶硅襯底厚度的減小將降低光生載流子的數(shù)目，從而降低轉(zhuǎn)換效率；而同時(shí)光生載流子在被PN結(jié)收集前的輸運(yùn)距離變短[10?11]，這將有利于光生載流子的收集，使轉(zhuǎn)換效率提高。因此，在研究晶硅襯底厚度對(duì)電池輸出特性影響時(shí)，還要同時(shí)考慮光生載流子的擴(kuò)散長度對(duì)其性能的影響。在此，考慮了如下兩種情況：1) 少子擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于晶硅襯底厚度；2) 少子擴(kuò)散長度與晶硅襯底厚度相當(dāng)。圖2所示為p型硅襯底厚度在10～400 μm之間變化時(shí)電池輸出特性的變化曲線，p型硅襯底的摻雜濃度NB為9.14×1015cm?3，電阻率約為1.6 ?·cm，其中少子擴(kuò)散長度Lbase分別設(shè)為5 mm和210 μm。

由圖2(a)可知，少子擴(kuò)散長度為5 mm時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率隨襯底厚度增大而緩慢提高，擴(kuò)散長度為 210 μm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率則隨之緩慢降低；圖2(b)表明，當(dāng)少子的擴(kuò)散長度較大時(shí)，電池的開路電壓幾乎與電池襯底厚度無關(guān)，擴(kuò)散長度較小時(shí)，則由于隨著襯底厚度的增加，相當(dāng)于少子壽命降低，從而引起反向飽和電流的增大，導(dǎo)致電池的開路電壓降低；由圖2(c)可知，當(dāng)少子擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于襯底厚度時(shí)，由于長波被吸收而產(chǎn)生的光生載流子也被PN結(jié)收集，所以表現(xiàn)為電池的短路電流隨襯底厚度的增加而呈上升趨勢(shì)，少子擴(kuò)散長度較小時(shí)則呈下降趨勢(shì)；研究證明，串、并聯(lián)電阻和日照強(qiáng)度對(duì)填充因子的影響很大[12]，模擬時(shí)的日照強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，因此不用考慮其影響，串聯(lián)電阻越小，并聯(lián)電阻越大，填充因子就越大，而圖2(d)中填充因子總體上是呈下降趨勢(shì)，這與電池的體電阻增大有關(guān)，當(dāng)襯底厚度小于一定值后，由于不能有效地吸收入射光，導(dǎo)致填充因子急劇下降。

2.2 少子壽命對(duì)輸出特性的影響

少子壽命與光生載流子的復(fù)合率直接相關(guān)。圖 3所示為p型晶硅襯底厚度分別為20、200和400 μm時(shí)少子壽命對(duì)晶硅電池輸出特性的影響規(guī)律，仿真時(shí)襯底的摻雜濃度設(shè)為9.14×1015cm?3。從圖3可知，襯底厚度為20 μm的晶硅電池的輸出特性最穩(wěn)定。這是由于此時(shí)的少子擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于襯底厚度，此時(shí)少子短路電流僅跟電池的厚度相關(guān)。電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨少子壽命的變化從根本上取決于電池的短路電流和反向飽和電流隨少子壽命的變化，當(dāng)少子的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于襯底厚度時(shí)，電池的轉(zhuǎn)化效率隨少子壽命的變化很小，而當(dāng)襯底厚度較大時(shí)，輸出特性隨少子壽命的增大開始時(shí)快速增大，而后緩慢增加，因此在襯底厚度一定時(shí)，提高少子壽命可提高電池的輸出性能。

圖2 不同擴(kuò)散長度時(shí)襯底厚度對(duì)晶硅電池輸出特性的影響Fig.2 Effects of various substrate thickness on solar cell properties with different diffusion lengths: (a) Conversion efficiency; (b)Open circuit voltage; (c) Short circuit current; (d) Fill factor

圖3 不同襯底厚度時(shí)襯底的少子壽命對(duì)電池輸出特性的影響Fig.3 Influence of substrate minority carrier lifetime on solar cell’s properties with different substrate thicknesses: (a) Conversion efficiency; (b) Open circuit voltage; (c) Short circuit current; (d) Fill factor

為進(jìn)一步研究襯底中少子壽命與襯底厚度對(duì)電池性能的綜合影響，進(jìn)一步研究了襯底少子擴(kuò)散長度與襯底厚度的比值對(duì)晶硅電池輸出特性的影響規(guī)律(見圖4)。

由圖4(a)可知，當(dāng)少子擴(kuò)散長度在120～380 μm范圍內(nèi)變化，襯底的少子擴(kuò)散長度與其厚度的比值為 3左右時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率最高；圖4(b)表明電池的開路電壓隨電池厚度減少而升高；從圖 4(c)可知，當(dāng)襯底的少子擴(kuò)散長度與其厚度的比值為2左右時(shí)，電池的短路電流最大；而圖4(d)顯示電池的填充因子總體上隨電池的厚度呈下降趨勢(shì)。

2.3 摻雜濃度對(duì)晶硅電池輸出特性的影響

圖5所示為當(dāng)晶硅襯底的厚度為180 μm、少子體壽命分別為20和50 μs時(shí)，襯底摻雜濃度對(duì)電池輸出特性的影響規(guī)律，仿真過程中始終保持發(fā)射結(jié)的結(jié)深不變，以便比較襯底摻雜濃度對(duì)電池輸出特性的影響。

由圖5(a)和(b)可見，電池的轉(zhuǎn)換效率和開路電壓均隨摻雜濃度的增加而升高，在摻雜濃度達(dá)到1017cm?3左右時(shí)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到峰值，繼續(xù)提高摻雜濃度，轉(zhuǎn)換效率開始降低，開路電壓也趨于穩(wěn)定。

由圖 5(c)可知，電池的短路電流隨摻雜濃度的增大而減小，這一方面是由于摻雜濃度的提高將使少子壽命和電阻率降低，另一方面又使耗盡區(qū)變窄，這都將導(dǎo)致電池的反向飽和電流增大[11]，從而使短路電流降低；而圖5(d)則表明電池的填充因子則總體上隨著摻雜濃度的提高呈上升趨勢(shì)，這是由于摻雜濃度的提高降低了電池的串聯(lián)電阻。綜合來看，襯底的摻雜濃度在 5×1015～1×1017cm?3之間時(shí)，亦即在電阻率為0.2～3.0 ?·cm之間的晶硅襯底上制備的電池具有較好的輸出性能。

圖4 襯底少子擴(kuò)散長度與襯底厚度的比值對(duì)電池輸出特性的影響Fig.4 Effect of ratio of minority carrier diffusion length to substrate thickness on solar cell’s properties: (a) Conversion efficiency;(b) Open circuit voltage; (c) Short circuit current; (d) Fill factor

圖5 不同少子壽命時(shí)襯底摻雜濃度對(duì)單晶硅太陽能電池輸出特性的影響Fig.5 Effect of substrate doping density on solar cell’s properties with different minority carrier lifetimes: (a) Conversion efficiency; (b) Open circuit voltage; (c) Short circuit current; (d) Fill factor

3 結(jié)論

1) 晶硅襯底的厚度對(duì)電池輸出特性的影響與其少子的擴(kuò)散長度有關(guān)。減小襯底厚度可提高其開路電壓，而對(duì)于轉(zhuǎn)換效率、短路電流和填充因子來說，則均有一最佳的襯底厚度值使之達(dá)到最高；當(dāng)少子的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于襯底厚度時(shí)，電池的輸出特性與襯底厚度幾乎無關(guān)。

2) 電池的輸出性能隨襯底少子壽命的提高而相應(yīng)提高。當(dāng)少子壽命增大到其擴(kuò)散長度與襯底厚度相當(dāng)時(shí)，最佳的襯底厚度由少子壽命決定；當(dāng)少子擴(kuò)散長度與襯底厚度的比值為 2.5～3.0時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率最高；當(dāng)比值為2.0～2.5時(shí)，電池的短路電流最高。

3) 當(dāng)晶硅襯底摻雜濃度小于1×1017cm?3時(shí)，電池的短路電流隨摻雜濃度的提高而下降，而其他輸出特性均隨摻雜濃度的增大而提高，當(dāng)摻雜濃度在5×1015～1017cm?3之間，即電阻率在0.2～3.0 ?·cm范圍內(nèi)變化時(shí)，晶硅電池可獲得良好的輸出特性。

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(編輯 龍懷中)

Influence of crystalline silicon substrate parameters on solar cell output properties

LI You-zhen, CHEN Yong-min
(School of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha 410083, China)

TM 914.4

A

1004-0609(2012)08-2401-06

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010JT4038)

2011-07-26；

2012-02-26

李幼真，講師，博士；電話：0731-88836313；E-mail: liyouzhen@csu.edu.cn