聚光背結(jié)背接觸太陽電池襯底電阻率和光強的優(yōu)化研究

周 濤，陸曉東，吳元慶，李 媛

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聚光背結(jié)背接觸太陽電池襯底電阻率和光強的優(yōu)化研究

周 濤，陸曉東，吳元慶，李 媛

（渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對中低倍聚光光伏系統(tǒng)中應(yīng)用的N型插指背接觸(Interdigitated Back Contact，IBC)單晶硅太陽電池的電學(xué)性能進行了仿真研究，全面系統(tǒng)地分析了不同襯底電阻率和光強對電池短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。結(jié)果表明：IBC太陽電池的電學(xué)性能受到襯底電阻率和光強的顯著影響。當(dāng)光強較小（0.1 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨之降低，最優(yōu)的襯底電阻率為0.5 Ω·cm。當(dāng)光強較高（0.5~5 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨之增大，最優(yōu)的襯底電阻率為3 Ω·cm。當(dāng)光強進一步增大（10~50 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點，最優(yōu)的襯底電阻率為2 Ω·cm。

背接觸；太陽電池；光強；襯底電阻率；串聯(lián)電阻損耗；轉(zhuǎn)換效率

聚光光伏發(fā)電是利用聚光的形式使太陽電池在較高的光強條件下工作，可實現(xiàn)在使用相同太陽電池的情況下，提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，輸出更多的電能，降低光伏發(fā)電的成本，因此聚光光伏發(fā)電具有良好的應(yīng)用前景。由于在聚光光伏系統(tǒng)的總價格中，太陽電池的價格只占10%，因此選擇高效太陽電池可以大大降低光伏發(fā)電成本[1-2]。電池效率越高，發(fā)電成本降低就越明顯。不論是實驗室研制，還是產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，目前應(yīng)用于線性聚光的中低倍聚光光伏系統(tǒng)中最有效的硅單結(jié)太陽電池是插指背結(jié)背接觸（IBC）太陽電池[1-2]。IBC太陽電池的結(jié)構(gòu)特點是發(fā)射區(qū)及所有金屬電極均位于電池背表面，完全消除了柵線電極對入射光的遮蔽損耗，提高了太陽電池短路電流。由于電極接觸不在太陽電池前表面，因此不需要在前表面制備重摻雜區(qū)來降低接觸電阻。輕摻雜的前表面可降低光生載流子的表面復(fù)合速率。由于所有金屬電極都位于電池背面，因此可通過優(yōu)化電極尺寸來降低金屬電極串聯(lián)電阻，無需考慮遮蔽損耗。IBC太陽電池是目前唯一可以用于聚光的商品化的高效單晶硅太陽電池。2004年Amonix公司研制的IBC太陽電池在聚光條件下的轉(zhuǎn)換效率已高達27.6%（電池面積為1 cm2，聚光比為92（92 suns），太陽光譜為AM 1.5D，測試溫度為25 ℃），是迄今為止聚光硅電池所達到的最高效率[3]。

外部光照條件、溫度及電池結(jié)構(gòu)參數(shù)均會對應(yīng)用于聚光條件下的IBC太陽電池的電學(xué)性能產(chǎn)生影響。其中光強(in)和襯底電阻率()會影響聚光IBC電池的串聯(lián)電阻功率損耗，進而影響聚光IBC電池的轉(zhuǎn)換效率。越大，IBC電池串聯(lián)電阻越大，in一定時，IBC電池串聯(lián)電阻損耗越大。雖然降低可降低電池的串聯(lián)電阻，但會增大光生載流子的復(fù)合損耗[4]，不利于IBC電池轉(zhuǎn)換效率的提高；增大in可提高IBC電池輸出光電流，但同時會增大IBC電池的串聯(lián)電阻損耗，制約了IBC電池效率的提高。因此，為進一步改善聚光IBC太陽電池的電學(xué)性能，需要對in和進行精細的設(shè)計和優(yōu)化。目前，盡管關(guān)于IBC太陽電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及電學(xué)性能研究的文獻報道有很多，但是針對入射光光強與襯底電阻率對聚光IBC太陽電池電學(xué)性能影響的研究尚鮮見報道[5-14]。本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對中低倍聚光N型IBC單晶硅太陽電池的電學(xué)性能進行了仿真研究，全面系統(tǒng)地分析了不同襯底電阻率和入射光光強對短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉(zhuǎn)換效率的影響。并給出在一定入射光強情況下的最優(yōu)襯底電阻率。本文仿真結(jié)果可為聚光IBC太陽電池設(shè)計及制備提供有意義的參考。

1 IBC太陽電池結(jié)構(gòu)的計算模型及參數(shù)選擇

利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件建立IBC太陽電池單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。具體參數(shù)為[12-16]：N型單晶硅襯底厚度為180 μm，少子壽命為1 ms，襯底電阻率為變量，變化范圍為0.5~3 Ω·cm。電池單元寬度為1 000 μm。N型背表面場半寬度為150 μm，表面摻雜濃度為3×1019cm–3，擴散深度為1 μm，雜質(zhì)分布呈高斯分布。發(fā)射區(qū)與背表面場間隔為75 μm。P+發(fā)射區(qū)半寬度為775 μm，表面濃度為5×1019cm–3，結(jié)深為1 μm，雜質(zhì)分布呈高斯分布。陰極和陽極接觸孔半寬度均為75μm。N型前表面場表面摻雜濃度為5×1017cm–3，擴散深度為2 μm，雜質(zhì)分布呈高斯分布。電池上表面采用金字塔結(jié)構(gòu)和氮化硅單層減反射膜。金字塔高度為3 μm，側(cè)壁與與水平方向夾角為54.7°。氮化硅減反射膜厚度為79 nm，中心波長（550 nm）的折射率為2.05。電池上表面由氮化硅鈍化，表面復(fù)合速率為1.5×104cm/s 。下表面非金屬接觸區(qū)域表面復(fù)合速率為1×103cm/s ，金屬電極接觸區(qū)域硅表面復(fù)合速率為1×107cm/s。假設(shè)電池并聯(lián)電導(dǎo)為0。

載流子復(fù)合率和遷移率是影響載流子輸運的兩個重要參數(shù)，其模型選擇對仿真結(jié)果影響較大。仿真過程中，復(fù)合模型考慮了與摻雜濃度相關(guān)的單一復(fù)合中心的間接復(fù)合（SRH復(fù)合）和俄歇復(fù)合；遷移率模型考慮了與溫度、摻雜濃度、橫向及縱向電場對載流子遷移率的影響。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應(yīng)和能帶簡并效應(yīng)。模擬測試條件為：25 ℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上表面入射，光強為0.1~50 W/cm2。

圖1 聚光IBC太陽電池單元結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 短路電流密度

圖2為計算得到的不同襯底電阻率和光強對IBC太陽電池短路電流密度SC的影響。由圖2可見：當(dāng)入射光強一定時，襯底電阻率越大，IBC太陽電池短路電流密度越大；當(dāng)襯底電阻率一定時，短路電流密度基本上與入射光強呈線性關(guān)系，入射光強越大，短路電流密度越大。原因為：襯底電阻率越大，少子空穴擴散系數(shù)越大，少子擴散長度越大，光生載流子復(fù)合損耗越小，IBC太陽電池短路電流密度越大。太陽電池短路電流密度由光生載流子數(shù)量決定，而光生載流子數(shù)量正比于單位時間內(nèi)入射的能量大于禁帶寬度的光子數(shù)和入射光強。因此，短路電流密度與入射光強呈線性關(guān)系。

2.2 開路電壓

圖3為計算得到的不同襯底電阻率和光強對IBC太陽電池輸出~曲線的影響。由圖3可見：當(dāng)光強在0.1 ~1 W/cm2范圍內(nèi)變化，在一定光強的情況下，襯底電阻率越大，IBC太陽電池開路電壓OC越小。當(dāng)光強在1~50 W/cm2范圍內(nèi)變化，在一定光強的情況下，襯底電阻率對電池開路電壓的影響較小，此時具有不同襯底電阻率的IBC太陽電池的開路電壓幾乎相同。原因為：太陽電池開路電壓可表示為[17]：

(a)Pin=0.1~10 W/cm2；(b)Pin=10~50 W/cm2

式中，0為太陽電池反向飽和電流。L為太陽電池光生電流。為與發(fā)射區(qū)摻雜濃度相關(guān)的常數(shù)。由式(1)可知，太陽電池開路電壓主要由光電流與反向飽和電流的比值決定，L/0越大，太陽電池開路電壓越大。IBC太陽電池發(fā)射區(qū)少子電子飽和電流0n和襯底少子空穴飽和電流0p可表示為[17]：

式中：E為發(fā)射區(qū)摻雜濃度；B為襯底摻雜濃度。n為少子電子擴散系數(shù)；p為少子空穴擴散系數(shù)。n為襯底厚度；p為發(fā)射結(jié)結(jié)深；n為發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)在襯底一側(cè)的擴展寬度；p為發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)在發(fā)射區(qū)一側(cè)的擴展寬度；E為發(fā)射結(jié)面積；B為發(fā)射區(qū)表面非金屬接觸區(qū)域復(fù)合速率。隨著光強的增大，襯底中激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量隨之增多，太陽電池輸出光電流L亦隨之增大。當(dāng)光生載流子數(shù)量增大到一定值時，襯底電阻率將受到來自光生載流子的“電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)”的影響[18]。光強越大，襯底摻雜濃度越低，光生載流子的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)越顯著（發(fā)射區(qū)由于重摻雜，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不顯著）。由于受到光生載流子濃度的影響，襯底摻雜濃度的有效值大于原始襯底摻雜濃度B，可降低襯底中的少子空穴飽和電流。當(dāng)入射光強較?。?.1 ~1 W/cm2）時，光生載流子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)并不顯著。原始襯底摻雜濃度越低（電阻率越高），IBC太陽電池反向飽和電流越大，L0越小，IBC太陽電池的開路電壓越小。當(dāng)入射光強較大（1~50 W/cm2）時，光生載流子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)對襯底有效摻雜濃度的影響較顯著。在電導(dǎo)調(diào)制作用下，襯底的有效摻雜濃度差別較小，襯底反向飽和電流幾乎相等。因此，在一定的光強情況下，具有不同襯底電阻率的IBC太陽電池的開路電壓差別較小。

2.3 填充因子

由圖3可見：當(dāng)光強一定時，襯底電阻率越大，IBC太陽電池填充因子FF越?。划?dāng)襯底電阻率一定時，光強在0.1~0.5 W/cm2范圍內(nèi)變化時，IBC太陽電池填充因子隨光強的增大而減小。當(dāng)光強在0.5 ~1 W/cm2范圍內(nèi)變化時，IBC太陽電池填充因子隨光強的增大而增大。而當(dāng)光強在1~50 W/cm2范圍內(nèi)變化時，IBC太陽電池填充因子隨光強的增大而減小。即隨著光強的增大，IBC太陽電池填充因子呈現(xiàn)出先減小，然后增大，最后再次減小的變化特點。原因為：填充因子主要與太陽電池的串聯(lián)電阻損耗有關(guān)[1]，串聯(lián)電阻損耗越大，太陽電池填充因子越小。串聯(lián)電阻損耗主要由輸出電流與電池串聯(lián)電阻的乘積決定。當(dāng)光強一定時，太陽電池輸出電流值一定。電池襯底電阻率越大，串聯(lián)電阻越大，串聯(lián)電阻損耗越大，IBC太陽電池填充因子越低。當(dāng)襯底電阻率一定且光強在0.1~0.5 W/cm2范圍內(nèi)時，由于光強較小，襯底中激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量較少，襯底受光生載流子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的影響不明顯，襯底串聯(lián)電阻主要由原始單晶硅摻雜濃度決定。隨著光強的增大，IBC太陽電池輸出電流增大，從而導(dǎo)致IBC太陽電池串聯(lián)電阻損耗增加，電池填充因子減小。當(dāng)光強在0.5~1 W/cm2范圍內(nèi)時，襯底中激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量增多，在光生載流子的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)作用下，襯底串聯(lián)電阻值降低。隨著光強的增大，雖然電池的輸出電流隨之增大，但襯底串聯(lián)電阻值的降低對串聯(lián)電阻損耗的影響更為顯著，從而使得串聯(lián)電阻損耗隨著光強的增大而減小，IBC太陽電池填充因子隨著光強的增大而增大。當(dāng)光強在1~50 W/cm2范圍時，雖然較高的光強使得光生載流子的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)更加顯著，襯底串聯(lián)電阻值得以進一步降低。但同時較高的光強使得電池的輸出電流大幅度提高，其對IBC太陽電池串聯(lián)電阻損耗產(chǎn)生的影響更為顯著。串聯(lián)電阻損耗隨著光強的增大而增大，IBC太陽電池填充因子隨著光強的增大而減小。

2.4 轉(zhuǎn)換效率

由圖3可見：當(dāng)光強較?。?.1 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率ff降低。當(dāng)光強較大（0.5~5 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨之增大。當(dāng)光強進一步增大（10~50 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率先增大后減小。原因為：太陽電池轉(zhuǎn)換效率可表示為[1]：

式中：in為單位面積入射光光強。IBC太陽電池的短路電流密度、開路電壓和填充因子的乘積越大，電池轉(zhuǎn)換效率越高。當(dāng)光強較?。?.1 W/cm2）時，隨著襯底電阻率的增大，雖然電池短路電流密度隨之增大，但電池的串聯(lián)電阻損耗和反向飽和電流也隨著襯底電阻率的增大顯著增大，導(dǎo)致IBC太陽電池的填充因子和開路電壓顯著降低。因此，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率降低。當(dāng)光強較大（0.5~5 W/cm2）時，襯底中激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量較多，IBC太陽電池短路電流密度較大。襯底受到光生載流子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的影響較顯著，降低了襯底的串聯(lián)電阻，從而在一定程度上補償了由于輸出電流增大對IBC太陽電池串聯(lián)電阻損耗所造成的不利影響。隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池短路電流密度的提高成為影響電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素，因此，隨著襯底電阻率的增大，IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨之增大。當(dāng)光強進一步增大（10~50 W/cm2）時，光生載流子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)對襯底電阻率的影響更加顯著，使得電池開路電壓幾乎不受原始襯底電阻率的影響。隨著光強的增大，短路電流密度有較大幅度的提升，但同時將增大太陽電池的串聯(lián)電阻損耗，降低了太陽電池的填充因子，對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高產(chǎn)生不利影響。當(dāng)襯底電阻率較?。?.5~2 Ω·cm）時，短路電流密度的提高成為影響電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素，隨著襯底電阻率的增大，電池轉(zhuǎn)換效率增大。當(dāng)襯底電阻率較高（3 Ω·cm）時，填充因子的降低成為影響電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素，隨著襯底電阻率的增大，電池轉(zhuǎn)換效率降低。

(a)Pin=0.1 W/cm2；(b) Pin =0.5 W/cm2；(c) Pin =1 W/cm2；(d) Pin =5 W/cm2；(e) Pin =10 W/cm2；(f) Pin =50 W/cm2

3 結(jié)論

利用仿真技術(shù)詳細地分析了在不同光強條件下，N型單晶硅襯底電阻率對聚光電池電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明光強和襯底電阻率共同決定了電池襯底的有效電阻率，對電池光生載流子的濃度、復(fù)合損耗以及襯底串聯(lián)電阻損耗產(chǎn)生影響，進而對電池的短路電流、開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生顯著的影響。因此，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用中聚光電池的光強條件，對襯底電阻率進行精細的優(yōu)化，選擇具有合適電阻率的單晶硅片。本文仿真結(jié)果可為聚光IBC太陽電池設(shè)計及制備提供有意義的參考。

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（編輯：陳豐）

Optimization of substrate resistivity and light intensity of concentrator back junction back contact solar cell

ZHOU Tao, LU Xiaodong, WU Yuanqing, LI Yuan

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

The electrical properties of N-type interdigitated back contact mono-crystalline silicon solar cell used in medium and low CPV systems were studied by using TCAD semiconductor device simulation software. The influences of substrate resistivity and light intensity on IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency were studied comprehensively and systematically. The research shows that the IBC solar cell’s electrical properties are affected by the substrate resistivity and light intensity significantly. When the light intensity is low (0.1 W/cm2), the IBC solar cell conversion efficiency decreases with the increase of substrate resistivity,andthe optimum substrate resistivity is 0.5 Ω·cm.When the light intensity is higher (0.5~5 W/cm2), the IBC solar cell conversion efficiency increases with the increase of substrate resistivity,and the optimum substrate resistivity is 3 Ω·cm. When the light intensity increases further (10~50 W/cm2), the IBC solar cell conversion efficiency presents first increases and then decreases with the increase of resistivity substrate, and the optimum substrate resistivity is 2 Ω·cm.

back contact；solar cell；light intensity；substrate resistivity；series resistance losses；conversion efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.007

TM914.4

A

1001-2028（2016）07-0027-05

2016-04-05

周濤

國家自然科學(xué)基金資助項目（No. 11304020）

周濤（1983－），男，遼寧葫蘆島人，講師，主要從事高效晶硅太陽能電池和功率半導(dǎo)體器件相關(guān)技術(shù)方面的研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com 。

2016-07-01 10:47:55

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1047.006.html