超薄異質結太陽能電池背面場的理論模擬優化

車晉

摘 要：采用AFORS-HET軟件對超薄異質結太陽能電池背面場的摻雜濃度、厚度、帶隙等參數進行數值模擬和優化，結合實際具體分析了每個參數對超薄異質結電池性能的影響規律，得出了最佳的優化參數。模擬結果表明：對于襯底厚度僅為80 μm的超薄異質結電池，綜合考慮理論和實際，得出背面場最佳厚度是20 nm。隨著背面場摻雜濃度的增加，電池性能整體先提升后趨于恒定，背面場理論的最佳摻雜濃度范圍為7E19。

關鍵詞：納米晶硅;超薄異質結電池;模擬計算;背面場

在目前光伏市場中主流的鈍化發射極和背面電池（Passivated Emitter and Rear Cell，PERC）降本空間越來越小、轉換效率越來越接近理論“天花板”的背景下，異質結有望成為下一代商業化光伏生產的候選技術之一。和技術相比，理論上異質結擁有更高的轉換效率，最高轉換效率已經達到25.6%。目前，異質結電池尚不具備成本優勢，可降低的成本主要是低溫銀漿和硅片的成本，而行業使用的都是150 μm左右的硅片，如果把硅片的厚度降到100 μm以下，成本會大幅度下降。所以，采用超薄硅片的異質結電池必將是發展方向。三洋在2011年就研發了厚度只有98 μm、效率達到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。因此，本研究采用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進行探究和分析，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（Density of States，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。在AFORS-HET模擬中，主要對設計的電池結構求解以下4個半導體穩態方程[3-4]。

本研究模擬的超薄異質結電池結構如圖1所示，襯底選擇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[3]，模擬太陽光的照射條件為25 ℃ AM1.5，1 000 mW/cm2，有效波段范圍為0.3～1.1 μm。

2 ? ?結果分析與討論

2.1 ?背面場厚度對電池性能的影響

背面場對超薄異質結電池的性能有重要影響，圖2模擬了不同背面場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背面場厚度，其他參數保持不變，且忽略界面態的影響。

模擬結果表明，隨著背面場厚度的增加，電池各項光伏參數都保持不變，說明如果保證背面場薄膜的電學性能和結構性能穩定，由于背面場幾乎不吸收可見光，背面場的窗口是比較寬的，但是考慮到產業化實施的難度、薄膜均勻性以及薄膜的鈍化性能，背面場的薄膜厚度應該設置為20 nm。

2.2 ?背面場摻雜濃度對電池性能的影響

背面場的摻雜濃度對異質結太陽能電池性能的影響非常重要，因此模擬了不同摻雜濃度的背面場，研究其對超薄異質結太陽能電池性能的影響。在模擬過程中僅改變背場的摻雜濃度，其他參數保持不變，且忽略界面態的影響。模擬結果如圖3所示。

由圖3可見，隨著摻雜濃度的增加，電池各項光伏參數都是先增加而后趨于恒定，這主要是因為在N-c-Si摻雜濃度不變、溫度不變的情況下，背場摻雜濃度越高，內建電場越強，對少數載流子的反射就越強，使載流子在界面的復合電流也就越小，導致開路電壓越大[4]，填充因子FF與VOC的關系可用經驗公式表示為：

所以，隨著電池開路電壓的增加，填充因子FF也在增加;此外，當內建電場增強時，能夠有效提高多數載流子的搜集效率，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，因此各項參數保持不變。

通過對P-nc-Si背面場摻雜濃度的模擬得出，為了得到較高的電池效率，超薄異質結太陽能電池背面場的摻雜濃度選擇7E19。

3 ? ?結語

通過AFORS-HET電池模擬軟件，分析模擬了在異質結太陽能電池的襯底厚度僅為80 μm的條件下，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。結果表明：隨著窗口層厚度的增加，電池性能都呈現下降的趨勢，綜合理論模擬和實際生產，背面場厚度的最優值是20 nm;隨著背面場摻雜濃度的增加，電池的整體性能先提升后趨于恒定，背面場理論上的摻雜濃度范圍控制在7E19。

[參考文獻]

[1]SAWADA T，TERADA N，TSUGE S，et al.High efficiency a-Si：H/c-Si hererojunction solar cell[C].Hawaii：Prcoeeding of the First WCPE Conference，1994.

[2]STANGL R，FROITZHEIM A，SCHMIDT M，et al.Photovoltaic energy conversion[C].Osaka：Proceeding of the 3th Word Conference，2003.

[3]趙雷，周春蘭，李海玲，等.a-Si（n）/c-Si（p）異質結電池薄膜硅背場的模擬優化[J].物理學報，2008，57（5）：3212-3218.

[4]胡志華.納米硅（N-c-Si：H）/晶體硅（c-Si）異質結太陽能電池的數值模擬分析[J].物理學報，2003（52）：217-224.