體內和表面復合中心對單晶硅太陽電池電學性能的影響

周 濤，陸曉東，吳元慶，張金晶

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體內和表面復合中心對單晶硅太陽電池電學性能的影響

周 濤，陸曉東，吳元慶，張金晶

（渤海大學 新能源學院，遼寧 錦州 121000）

利用TCAD半導體器件仿真軟件詳細地分析了體內和表面復合中心對產業化P型單晶硅太陽電池電學性能的影響。重點分析了當復合中心存在于太陽電池體內和表面時，電池內量子效率、暗電流及轉換效率的變化特點。結果表明：對于單晶硅太陽電池，存在體復合中心臨界密度（≈1×1013cm–3）和表面復合中心臨界密度（≈1×1012cm–3）。當體內和表面復合中心密度分別小于其臨界密度時，復合中心對太陽電池內量子效率、暗電流、短路電流密度、開路電壓及轉換效率的影響較小。但當體內和表面復合中心密度大于其臨界密度時，隨著體內和表面復合中心密度的增大，太陽電池電學性能隨之顯著降低。

單晶硅；太陽電池；復合中心；內量子效率；暗電流；轉換效率

提高太陽電池轉換效率是長期以來人們一直努力解決的問題[1-2]。目前，市場上銷售的太陽電池大部分是單晶硅和多晶硅太陽電池，產業化P型單晶硅太陽電池的最高轉換效率已經達到20.3%[3]，為進一步提高產業化單晶硅太陽電池的轉換效率，必須對太陽電池的材料參數、結構參數及制備工藝進行精細的設計和優化。單晶硅太陽電池的光生載流子復合損耗受少子壽命的影響[4]，為實現高的光電轉換效率，通常要求原始單晶硅材料的少子壽命越高越好。

單晶硅材料理論上具有理想的周期性結構，但對于實際的單晶硅太陽電池，從硅材料提純、摻雜到電池的制備，會不可避免地在電池內部或表面引入不同類型的雜質并產生各種缺陷，這些雜質和缺陷會引起附加勢場，形成局域化電子態，使電子和空穴束縛在雜質和缺陷周圍，在帶隙內形成復合中心能級[5]。復合中心能級對于電子和空穴具有差不多大小的俘獲幾率，能夠促進非平衡載流子復合（即電子、空穴成對消失），從而降低少子壽命，影響器件的電學性能。

由于半導體器件仿真技術具有大幅縮短研究周期、顯著降低研發成本和獲得更多器件內部信息等方面的優勢，因此成為器件研發過程中不可或缺的重要技術手段[4]。在半導體器件研究領域廣泛應用的計算機輔助設計TCAD仿真軟件具有物理模型準確且針對性好、器件結構設定精細等優點，已經越來越多地應用于晶硅太陽電池工藝和器件性能的仿真研究。本文利用TCAD半導體器件仿真軟件詳細地分析了P型單晶硅體內及表面雜質復合中心密度對太陽電池電學性能（內量子效率、暗電流、轉換效率等）的影響。并給出太陽電池電學性能發生顯著降低時體復合中心和表面復合中心的臨界密度。本文仿真結果可為硅材料生長及后續電池加工提供參考。

1 單晶硅太陽電池參數及模型選擇

單晶硅太陽電池主要由背電極、鋁背表面場（P+區）、基區（P區）、發射區（N+區）、柵線電極及減反射膜組成，具體結構如圖1所示。電池具體結構參數為[3-4,6-8]：單元電池（柵電極中點到相鄰的發射區中點）尺寸為1 000 μm；電池上表面氮化硅減反射膜厚度為79 nm，中心波長（550 nm）折射率為2.05。背表面場表面濃度為8.15×1018cm–3，擴散深度為3.6 μm，背表面復合速率為1×104cm/s；P型單晶硅片厚度為170 μm，硼摻雜濃度為2×1016cm–3。P型單晶硅材料少子壽命為27 μs。太陽電池發射區表面濃度為1×1019cm–3，結深為0.3 μm。柵電極半寬度為30 μm；金屬電極-發射區接觸電阻率取為4.63×10–3Ω·cm2。外部并聯電導為0 S。電池非金屬接觸區表面復合速率與氮化硅減反射膜的鈍化效果直接相關，電池非金屬接觸區表面復合速率為1.5×103cm/s。前表面電極與硅接觸區域假設其復合速率為1×107cm/s。

圖1 單晶硅太陽電池結構

載流子復合主要包含三種復合機制：①肖克萊-里德-霍爾（SRH）復合，用SRH表示其壽命。②輻射復合，用rad表示其壽命。③俄歇復合，用auger表示其壽命。有效壽命由三種復合機制決定，它們的關系為[9]：

SRH復合壽命定義為[9]：

式中：0和0分別為平衡的電子和空穴濃度；△和△分別為非平衡的電子和空穴濃度；n和p分別為電子和空穴壽命。當忽略陷阱作用時，認為△=△，p、n、1和1分別定義為[9]：

式中：n、p分別為電子和空穴的俘獲截面；th、t、i分別為熱電子發射速率、復合中心密度和本征載流子濃度。t和i分別為復合中心能級和本征費米能級。

輻射壽命定義為[9]：

式中：是輻射復合系數。

俄歇壽命為[9]：

式中：p是俄歇復合系數。

輻射復合屬于半導體材料的本征復合。在硅中，輻射復合基本不起作用；SRH復合是通過復合中心的間接復合過程，與雜質或缺陷的數量、性質有關，通常輕摻雜半導體材料中少子壽命主要決定于SRH復合；俄歇復合與多數載流子的濃度有關，在重摻雜半導體材料中少子壽命主要決定于俄歇復合。

在仿真過程中，復合模型考慮了SRH復合模型和俄歇復合模型。遷移率模型考慮了ANALYTIC模型（Analytic Low Field Mobility Model）和FLDMOB模型（Parallel Electric Field-Dependent Mobility）。ANALYTIC模型反映遷移率與雜質濃度、溫度依賴關系，是一種低場遷移率模型。FLDMOB是對平行電場依賴的遷移率模型，實現了遷移率在低場和高場之間的平滑過渡。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應(BGN)和能帶簡并效應（FERMI）。仿真測試溫度為25℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上表面入射，光強為1 000 W/m2。

2 結果與討論

2.1 體復合中心密度對太陽電池性能的影響

圖2為仿真得到體復合中心密度對太陽電池內量子效率（IQE）的影響。在仿真過程中，假設體復合中心在P型單晶硅襯底中均勻分布，體復合中心對電子和空穴的俘獲截面均為5×10–17cm2，體復合中心距離導帶的間距為0.5 eV。體復合中心密度為變量，變化范圍為0~1×1018cm–3。由圖2可見：當體復合中心密度t≤1×1017cm–3時，隨著t的增大，300~450 nm波段范圍的太陽電池內量子效率降低幅度較小，當復合中心密度超過1×1017cm–3時，300~450 nm波段范圍的IQE顯著降低。原因為：對于波長范圍在300~450 nm的短波長入射光，其在單晶硅材料中的吸收系數較大，吸收深度較淺，主要在電池重摻雜的發射區內被吸收[10]。當t≤1×1017cm–3時，俄歇復合損耗是光生載流子復合損耗的主要因素，發射區中少子壽命主要由俄歇復合壽命決定。導致300~450 nm波段的IQE幾乎不受復合中心密度的影響。當復合中心密度超過1×1017cm–3時，發射區中SRH復合損耗不可忽略，發射區中少子壽命由SRH復合壽命和俄歇復合壽命共同決定，導致300~450 nm波段的IQE顯著降低。

圖2 體復合中心密度對太陽電池內量子效率的影響

由圖2可見：對于波長大于450 nm的波段范圍，隨著體復合中心密度的增大，IQE降低。原因為：對于波長大于450 nm的入射光主要在電池襯底中被吸收。光生載流子受到SRH復合損耗的顯著影響。體復合中心密度越大，體復合中心俘獲載流子數量越多，光生載流子有效壽命越低，電池內量子效率越低。當復合中心密度較低（＜1×1013cm–3）時，體復合中心密度的變化對電池全波段IQE的影響并不顯著，與無體復合中心理想情況（t=0 cm–3）下的IQE差別較小。同時，由表1太陽電池短路電流密度（SC）值可見：隨著體復合中心密度的增大，電池短路電流密度隨之降低。當體復合中心密度由0增大到1×1013cm–3時，電池短路電流密度僅下降0.044×10–3A/cm2。當體復合中心密度由1×1013cm–3增大到1×1014cm–3時，電池短路電流密度大幅下降，降低了0.375×10–3A/cm2。

對于太陽電池，暗電流對其電學性能的影響主要體現在開路電壓（OC）上。電池暗電流越大，開路電壓越低[12]。由SRH復合所導致的暗電流密度可表示為[11]：

式中：為電子電量；為電池厚度；為光生載流子俘獲截面。由式（9）可知，SRH復合導致的暗電流SRH與復合中心密度呈線性關系，隨著復合中心密度增大，SRH增大。

圖3為仿真得到的體復合中心密度對電池暗電流的影響。體復合中心參數的選取與仿真IQE時所選取的參數相同。由圖3可見：隨著體復合中心密度的增大，不同正向偏壓下電池的暗電流越大。當體復合中心密度較低（＜1×1013cm–3）時，由體復合中心密度的變化所引起的暗電流變化幅度較小。暗電流主要由襯底中的本征輻射復合電流決定。當體復合中心密度大于1×1013cm–3時，SRH復合電流對電池暗電流的貢獻逐漸增大。隨著體復合中心密度的增大，電池暗電流隨正向掃描電壓（0~4 V）的增大增加得越迅速。由表1電池開路電壓（OC）值可見：與短路電流密度的變化特點相同，隨著體復合中心密度的增大，電池開路電壓隨之降低。當體復合中心密度由0增大到1×1013cm–3時，電池開路電壓僅下降0.299 mV。當體復合中心密度由1×1013cm–3增大到1×1014cm–3時，電池開路電壓大幅下降，降低了2.403 mV。

圖3 體復合中心密度對太陽電池暗電流的影響

表1 體復合中心密度對太陽電池電學參數的影響

Tab.1 The influence on solar cells electrical parameters by bulk recombination center density

綜上所述，太陽電池體復合中心密度存在臨界值（≈1×1013cm–3）。當體復合中心密度小于該臨界值時，體復合中心對太陽電池電學性能的影響較小。體復合中心密度由0增大到1×1013cm–3時，電池效率僅降低0.036 6%（如表1所示）。當體復合中心密度高于臨界值時，體復合中心將嚴重制約太陽電池轉換效率的提高。因此，對于不同質量的硅太陽電池原材料（如高質量且價格昂貴的區熔單晶硅、廉價的非晶硅材料及主流的直拉單晶硅材料），其所含的復合中心密度相差較大，導致電池轉換效率有較大差別。對于低質量的單晶硅原材料應采取有效的吸雜（如磷、鋁吸雜技術、背面噴砂技術等）措施，進一步降低體復合中心密度[12]。

2.2 表面復合中心密度對太陽電池性能的影響

單晶硅表面雜質和缺陷同樣會在禁帶中形成復合中心能級，因此太陽電池少子壽命在很大程度上也受到器件表面狀態的影響。從復合機理方面考慮，表面復合屬于SRH間接復合，因此，SRH復合理論完全可以用來處理表面復合問題[6]。對于P型太陽電池單晶硅襯底，假設表面復合中心存在于表面薄層中，單位表面積的復合中心總數為st，薄層中的平均非平衡少子電子濃度為△s。表面復合可等效為靠近表面薄層區域內的體復合。則表面復合率可表示為[6]：

式中：n表示少子的表面復合速率。

圖4為仿真得到的表面復合中心密度對太陽電池內量子效率的影響。在仿真過程中，假設表面復合中心在P型單晶硅表面薄層中均勻分布，表面復合中心對電子和空穴的俘獲截面為5×10–17cm2，表面復合中心距離導帶的間距為0.5 eV。表面復合中心密度為變量，變化范圍為0~1×1016cm–3。由圖4可見：表面復合中心對太陽電池短波段內量子效率的影響尤為顯著。入射光波長越短，隨表面復合中心密度的增大，內量子效率降低越明顯。原因為：對于波長較短的入射光，其在硅材料中的吸收系數較大，吸收深度較淺，受到表面復合中心的影響越大。當表面復合中心密度在0~1×1012cm–2范圍內，隨著表面復合中心密度的增大，太陽電池內量子效率僅有小幅度下降。由表2計算得到的短路電流值可見：當表面復合中心密度由0增大到1×1012cm–3，太陽電池短路電流密度僅減小0.047 1×10–3A/cm2。當表面復合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3（一個數量級），短路電流值出現較大幅度的減小，減小值為0.285 8×10–3A/cm2。

圖4 表面復合中心密度對太陽電池內量子效率的影響

圖5為仿真得到的表面復合中心密度對太陽電池暗電流的影響。表面復合中心參數的選取與仿真IQE時所選取的參數相同。由圖3可見：隨著表面復合中心密度的增大，不同正向偏壓下電池的暗電流增大。當表面復合中心密度較低（＜1×1012cm–3）時，由表面復合中心密度的變化所引起的暗電流變化幅度較小。當表面復合中心密度大于1×1012cm–3時，隨著表面復合中心密度的增大，電池暗電流隨正向掃描電壓（0~4 V）的增大增加得越迅速。由表2電池開路電壓（OC）值可見：隨著表面復合中心密度的增大，電池開路電壓隨之降低。當體復合中心密度由0增大到1×1012cm–3時，電池開路電壓僅下降0.739 mV。當表面復合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3時，電池開路電壓下降幅度較大，減小了5.281 mV。

圖5 表面復合中心密度對太陽電池暗電流的影響

對于太陽電池，不僅存在體復合中心臨界值，而且也存在表面復合中心臨界值（≈1×1012cm–3）。當表面復合中心密度小于該臨界值時，表面復合中心對太陽電池電學性能的影響較小。當表面復合中心密度由0增大到1×1012cm–3時，電池效率僅降低0.063 2%（如表2所示）。當表面復合中心密度高于臨界值時，表面復合中心將嚴重制約太陽電池轉換效率的提高。當表面復合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3（增大一個數量級）時，電池效率降低了0.367 4%。因此，在產業化單晶硅太陽電池加工中制備表面鈍化效果優良的鈍化膜意義重大。目前，在產業化單晶硅電池加工過程中，太陽電池上表面通常采用由PECVD（等離子增強化學氣相淀積）法制備得到的氮化硅薄膜作為鈍化-減反射膜[2]。電池下表面通常采用全鋁背表面場結構或局部點接觸結構來降低下表面復合速率[13]。另外，還應在電池加工過程中特別注意清潔度，以確保不引入產生復合中心的雜質。

表2 表面復合中心密度對太陽電池電學參數的影響

Tab.2 The influence on solar cells electrical parameters by surface recombination center density

3 結論

主要研究了P型單晶硅體內和表面的復合中心對產業化太陽電池電學性能的影響，重點分析了分別存在體復合中心和表面復合中心時，太陽電池內量子效率、暗電流及轉換效率衰減的基本特點和規律。并給出太陽電池電學性能發生躍變時的復合中心臨界密度值，為單晶硅材料生長及后續太陽電池加工提供了有意義的參考信息。

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（編輯：曾革）

Influence of bulk and surface recombination center on electrical performence of mono-crystalline silicon solar cells

ZHOU Tao, LU Xiaodong, WU Yuanqing, ZHANG Jinjing

(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China)

The influences of bulk and surface recombination center on industrialized P-type mono-crystalline silicon solar cell’s electrical performance were studied in detail by using TCAD semiconductor device simulation software. The changing characteristics of the solar cell’s internal quantum efficiency, dark current and conversion efficiency were analyzed when recombination center exists in the body and the surface of solar cell. The results show that the bulk recombination center critical density is about 1×1013material and the surface recombination center critical density is about 1×1012cm–3for the mono-crystalline silicon solar cell. When the bulk and the surface recombination center density is less than the critical density respectively, recombination center has little effect on solar cell’s internal quantum efficiency, dark current, short circuit current density, open circuit voltage and conversion efficiency. But when the bulk and the surface recombination center density is greater than the critical density, with the increase of the bulk and the surface recombination center density, solar cell’s electrical performance is significantly lowered.

mono-crystalline silicon; solar cell; recombination center; internal quantum efficiency; dark current; conversion efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.014

TM 914.4

A

1001-2028（2016）11-0067-05

2016-09-09

周濤

國家自然科學基金資助項目（No. 11304020）

周濤（1983－），男，遼寧葫蘆島人，講師，碩士，主要從事晶硅太陽能電池和功率半導體器件相關技術研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com。

2016-10-28 14:14:27

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.014.html