不同表面復合速率情況下IBC太陽電池發射區半寬度研究

周　濤,陸曉東,吳元慶,李　媛

(渤海大學新能源學院，錦州　121000)

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不同表面復合速率情況下IBC太陽電池發射區半寬度研究

周濤,陸曉東,吳元慶,李媛

(渤海大學新能源學院，錦州121000)

利用TCAD半導體器件仿真軟件對N型插指背接觸(Interdigitated Back Contact，IBC)單晶硅太陽電池發射區半寬度進行研究，全面系統地分析了在不同背表面復合速率的情況下，發射區半寬度對IBC太陽電池短路電流密度(JSC)、開路電壓(VOC)、填充因子(FF)及轉換效率(Eff)的影響。結果表明：隨著背表面復合速率的增大，對于不同發射區半寬度的情況，IBC太陽電池JSC、VOC、FF及Eff均顯著降低。當背表面復合速率一定時，發射區半寬度越大，JSC、VOC越高，而FF越低。隨著發射區半寬度的增大，IBC太陽電池Eff呈現先增大后減小的變化特點。當背表面復合速率較小(50～500 cm/s)時，最優的發射區半寬度為800 μm。當背表面復合速率較高(≥5000 cm/s)時，最優的發射區半寬度為1200 μm。

背接觸； 太陽電池； 發射區； 半寬度； 表面復合速度

1　引　言

N型插指背結背接觸(Interdigitated Back Contact，IBC)太陽電池是轉換效率最高的電池結構之一。由于IBC單晶硅太陽電池在光吸收、電極收集效率及電極接觸特性方面的性能均優于傳統P型單晶硅太陽電池，其已成為單晶硅電池領域的研究熱點[1,2]。美國sunpower公司可進行IBC太陽電池的大規模生產，目前產業化IBC電池的轉換效率可達到22%[3]。2014年，sun power公司宣布在實驗室研制的大面積(125×125 mm2)IBC太陽電池轉換效率達到25%，這是目前已報道效率最高的N型單結大面積單晶硅太陽電池[4]。

為進一步提高IBC太陽電池的轉換效率，需要對IBC太陽電池的結構參數和工藝條件進行精細的設計和優化。由于發射區結構參數對IBC太陽電池的光生載流子復合損耗及串聯電阻損耗產生影響，因此從理論上深入研究發射區結構參數對IBC太陽電池輸出特性的影響，對提高IBC太陽電池轉換效率具有重要意義。目前，盡管關于N型IBC太陽電池結構優化設計的文獻報道有很多，但是針對IBC太陽電池發射區結構參數研究與優化的文獻尚報道較少[5-8]。

由于IBC太陽電池內部光生載流子的輸運屬于二維運動，因此PC1D、AMPS-1D等一維太陽電池仿真軟件不適用于IBC太陽電池的仿真研究。而在半導體器件研究領域廣泛應用的TCAD半導體器件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[7-10]，已經越來越多的應用于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對N型IBC太陽電池發射區橫向結構參數進行了仿真研究。全面系統地分析了發射區半寬度對IBC太陽電池短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉換效率的影響。由于發射區、背表面場及電極均位于IBC太陽電池的背表面，背表面速率會對光生載流子的輸運及收集效率產生影響。因此，在對具有不同發射區半寬度的IBC太陽電池進行輸出特性仿真時，考慮了電池背表面復合速率的影響。本文仿真結果可為IBC太陽電池結構設計提供有意義的參考信息。

2　IBC太陽電池結構的計算模型及參數選擇

圖1　IBC太陽電池單元結構Fig.1　IBC solar cell unit structure

利用TCAD半導體器件仿真軟件建立IBC太陽電池單元結構，如圖1所示。具體參數為[11-14]：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2 Ω·cm。電池單元寬度為1000 μm。N型背表面場半寬度為150 μm，表面濃度為3×1019cm-3，擴散深度為1 μm，雜質分布呈高斯分布。發射區與背表面場間隔為75 μm。P+發射區半寬度為變量，變化范圍為400～1600 μm，表面濃度5×1019cm-3，結深為1 μm，雜質分布呈高斯分布。陰極和陽極接觸孔半寬度均為75 μm。N型前表面場表面摻雜濃度為5×1017cm-3，擴散深度為2 μm，雜質分布呈高斯分布[12]。電池上表面采用金字塔結構和Si3N4增透膜。金字塔高度為3 μm，側壁與與水平方向夾角為54.7°。Si3N4厚度為79 nm。電池上表面由Si3N4鈍化，表面復合速率為1.5×104cm/s[11,15]。下表面非金屬接觸區域表面復合速率為變量，變化范圍為50～5×106cm/s ，金屬電極接觸區域硅表面復合速率為1×107cm/s 。假設電池并聯電導為0。在器件仿真過程中，選用以下模型：與摻雜濃度相關的俄歇復合模型和Shockley-Read-Hall復合模型；與摻雜濃度相關的遷移率模型，重摻雜導致的帶隙變窄模型。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1 000 W/m2。

3　發射區半寬度和背表面復合速率對IBC太陽電池性能的影響

3.1IBC太陽電池短路電流

圖2(a)為計算得到的在不同的發射區半寬度(WE)和背表面復合速率(SB)的情況下，IBC太陽電池短路電流密度曲線。由圖2(a)可見：當背表面復合速率一定時，發射區半寬度越大，IBC太陽電池短路電流密度越大。隨著背表面復合速率的增大，太陽電池短路電流密度均降低。發射區半寬度越小，電池短路電流密度降低的幅度越大。原因為：太陽電池一維短路電流ISC可表示為[16]：

ISC=ISCn+ISCp

(1)

(2)

(3)

式中，ISCn表示發射區中的少子電子短路電流，ISCp表示N區中少子空穴短路電流。AE表示發射結面積。SB表示背表面復合速率。LP為基區少子空穴擴散長度，Ln為發射區少子電子擴散長度。xn表示發射結空間電荷區在基區一側的展寬，xp表示發射結空間電荷區在發射區一側的展寬。Wn為N型基區的厚度，Wp為發射結結深。其余參數與太陽電池的少子壽命、各區摻雜濃度及縱向結構參數相關，在分析過程中可認為常量。由式(2)、(3)可見，在一維情況下電池的光生電流和內部的總短路電流與發射結的面積成正比，即發射結面積越大，電池的總短路電流就越大。短路電流密度JSC用短路電流與太陽電池面積的比值表示。如果IBC太陽電池背表面其它區域(背表面場、背表面場與發射區間隔)的面積與發射區面積呈線性增大，則太陽電池短路電流密度將保持不變。而在本文中，隨著IBC太陽電池發射區半寬度的增大，令其它區域橫向尺寸保持不變。因此，當背表面復合速率一定時，隨著發射區半寬度的增大，IBC太陽電池短路電流密度增大。由式(2)、(3)可知，少子空穴短路電流和少子電子短路電流均隨著背表面復合速率與少子濃度乘積的增大而減小。當發射區半寬度一定時，電池內部少子空穴濃度和少子電子濃度保持不變。因此，隨著背表面復合速率的增大，背表面復合速率與少子濃度的乘積增大，IBC電池短路電流密度降低。IBC電池發射區半寬度越大，發射區中積累的光生多子空穴越多，相應的少子電子濃度越低，背表面復合速率與少子濃度的乘積越小。因此，當背表面復合速率一定時，發射區半寬度越大，IBC太陽電池短路電流密度降低的幅度越小。

圖2　不同發射區半寬度和背表面復合速率情況下的IBC太陽電池輸出特性(a)短路電流密度；(b)開路電壓；(c)填充因子；(d)轉換效率Fig.2　Output characteristic of IBC solar cell under different emitter half width and back surface recombination velocity(a)the short-circuit current density；(b)the open-circuit voltage；(c)the filling factor；(d)the conversion efficiency

3.2IBC太陽電池開路電壓

圖2(b)為計算得到的在不同的發射區半寬度和背表面復合速率的情況下，IBC太陽電池開路電壓曲線。由2(b)可見：當背表面復合速率一定時，發射區半寬度越大，IBC太陽電池開路電壓越高。當發射區半寬度一定時，隨著背表面復合速率的增大，開路電壓隨之降低。原因為：太陽電池開路電壓VOC可表示為[16]：

(4)

其中，I0為太陽電池反向飽和電流。IL為太陽電池光生電流。n為與發射區摻雜濃度相關的常數。由式(4)可知，當發射區表面濃度及結深一定時，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，IL/I0越大，太陽電池開路電壓越大。IBC太陽電池發射區少子電子飽和電流I0n和基區少子空穴飽和電流I0p可表示為[16]：

(5)

(6)

其中，NE為發射區摻雜濃度，NB為基區摻雜濃度。Dn為少子電子擴散系數，Dp為少子空穴擴散系數。由式(5)和式(6)可知，發射區半寬度越大，發射結面積AE越大，IBC太陽電池反向飽和電流越大。隨著發射區半寬度的增大，IBC太陽電池光生電流IL同時也隨之增大。且相比于反向飽和電流，發射區半寬度的增大對光生電流的影響更加顯著。從而當背表面復合速率一定時，隨著發射區半寬度的增大，光生電流與反向飽和電流的比值增大，IBC太陽電池開路電壓增大。由式5可見，發射區中的少子電子飽和電流和基區中的少子空穴電流均受到IBC太陽電池背表面復合速度SB的影響(陰極、陽極均在電池背表面)。背表面復合速率越大，少子電子飽和電流和少子空穴飽和電流越大，IBC太陽電池開路電壓越低。

3.3IBC太陽電池填充因子

圖2(c)為計算得到的在不同的發射區半寬度和背表面復合速率的情況下，IBC太陽電池填充因子曲線。由圖2(c)可見：當背表面復合速率一定時，發射區半寬度越大，IBC太陽電池的填充因子越低。當發射區半寬度一定時，隨著電池背表面復合速率的增大，IBC太陽電池填充因子隨之降低。原因為：填充因子FF主要與太陽電池的串聯電阻損耗和光生載流子復合損耗有關[17]，串聯電阻損耗和光生載流子復合損耗越大，太陽電池輸出功率越小，填充因子越小。當發射區表面濃度及結深一定時，發射區半寬度對IBC太陽電池串聯電阻損耗產生顯著的影響。當發射區半寬度較大時，積累于發射區中的光生空穴，需要輸運較長的距離才能到達陽極接觸處。因此，發射區半寬度越大，光生空穴傳輸路徑越長，電池串聯電阻損耗越大。當發射區半寬度一定時，背表面復合速率越大，光生電子和光生空穴在輸運過程中的復合損耗越大，導致IBC太陽電池的輸出功率降低，填充因子減小。

3.4 IBC太陽電池轉換效率

由于太陽電池轉換效率Eff可表示為[17]：

(7)

其中：Pin為單位面積入射光的功率。因此，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，電池轉換效率越高。由上述IBC電池短路電流密度、開路電壓和填充因子的計算結果可直接計算得到電池的轉換效率曲線，如圖2(d)所示。由圖2(d)可見：隨著背面復合速率的增大，對于不同發射區半寬度的情況，IBC太陽電池轉換效率顯著降低。當背表面復合速率一定時，隨著發射區半寬度的增大，IBC太陽電池轉換效率呈現先增大后減小的變化特點，即對于不同發射區半寬度的情況，轉換效率均存在最大值。對于本文所討論的四種不同的發射區半寬度，當背表面復合速率較小(50～500 cm/s)時，IBC太陽電池最大轉換效率所對應的發射區半寬度為800 μm。當背表面復合速率較高(≥5 000 cm/s)時，IBC太陽電池最大轉換效率所對應的發射區半寬度為1200 μm。原因為：當背表面復合速率一定時，在發射區半寬度較小(小于最大轉換效率對應的發射區半寬度)的情況下，電池串聯電阻損耗和光生載流子復合損耗較小。隨著發射區半寬度的增大，電池填充因子降低的幅度較小。而相比于填充因子的降低，短路電流密度和開路電壓的增大對IBC太陽電池轉換效率的影響更為顯著，因此隨著發射區半寬度的增大，IBC電池效率首先呈現出增大的變化特點。當發射區半寬度較大(大于最大轉換效率對應的發射區半寬度)時，太陽電池串聯電阻損耗和光生載流子復合損耗對電池效率的影響顯著。隨著發射區半寬度的增大，電池填充因子降低較迅速。因此隨著發射區半寬度的進一步增大，IBC電池效率呈現降低的變化特點。隨著背表面復合速率的增大，IBC太陽電池串聯電阻損耗和光生載流子的復合損耗隨之增大，電池填充因子降低。為補償填充因子的降低對太陽電池轉換效率的不利影響，此時需要增大發射區半寬度來提高IBC太陽電池的短路電流密度和開路電壓值。因此，IBC太陽電池最大轉換效率所對應的發射區半寬度增大。

4　結　論

利用TCAD半導體器件仿真軟件全面系統地分析了在不同背表面復合速率的情況下，發射區半寬度對IBC太陽電池短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉換效率的影響。仿真結果表明：隨著背表面復合速率的增大，IBC太陽電池短路電流密度、開路電壓、填充因子及轉換效率均顯著降低。當背表面復合速率一定時，發射區半寬度越大，短路電流密度、開路電壓越高，而填充因子越低。隨著發射區半寬度的增大，IBC太陽電池轉換效率呈現先增大后減小的變化特點，即對于所討論的四種不同發射區半寬度，轉換效率均存在最大值。當背表面復合速率較小(50～500 cm/s)時，IBC太陽電池最大轉換效率所對應的發射區半寬度為800 μm。當背表面復合速率較高(≥5000 cm/s)時，IBC太陽電池最大轉換效率所對應的發射區半寬度為1200 μm。

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Emitter Half Width of IBC Solar Cell under Different Surface Recombination Velocity

ZHOUTao,LUXiao-dong,WUYuan-qing,LIYuan

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

The emitter half width of n-Type Interdigitated Back Contact monO-crystalline silicon solar cell are studied by using TCAD semiconductor device simulation software. The influences of emitter half width on IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency under different back surface recombination velocity are studied comprehensively and systematically. The research shows that the IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency were significantly reduced with the increasing of the back surface recombination velocity.Along, in the case of different emitter half width. When the back surface recombination velocity is constant, the longer the emitter half width, the greater theshort-circuit current density, the higher the open-circuit voltage, the lower the filling factor. The IBC solar cell Eff first increases then decreases with the increasing of the emitter half width. When the back surface recombination velocity is smaller(50-500 cm/s), the optimal emitter half width is 800 μm. When the back surface recombination velocity is greater(≥5000 cm/s), the optimal emitter half width is 1200 μm.

back contact；solar cell；emitter；half width；surface recombination velocity

國家自然科學基金項目(11304020)

周濤(1983-)，男，碩士，講師.主要從事晶硅太陽能電池和功率半導體器件相關技術方面的研究.

TM914.4

A

1001-1625(2016)06-1688-05