超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池背面場的理論模擬優(yōu)化

車晉

摘 要：采用AFORS-HET軟件對超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池背面場的摻雜濃度、厚度、帶隙等參數(shù)進行數(shù)值模擬和優(yōu)化，結(jié)合實際具體分析了每個參數(shù)對超薄異質(zhì)結(jié)電池性能的影響規(guī)律，得出了最佳的優(yōu)化參數(shù)。模擬結(jié)果表明：對于襯底厚度僅為80 μm的超薄異質(zhì)結(jié)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(guān)鍵詞：納米晶硅;超薄異質(zhì)結(jié)電池;模擬計算;背面場

在目前光伏市場中主流的鈍化發(fā)射極和背面電池（Passivated Emitter and Rear Cell，PERC）降本空間越來越小、轉(zhuǎn)換效率越來越接近理論“天花板”的背景下，異質(zhì)結(jié)有望成為下一代商業(yè)化光伏生產(chǎn)的候選技術(shù)之一。和技術(shù)相比，理論上異質(zhì)結(jié)擁有更高的轉(zhuǎn)換效率，最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到25.6%。目前，異質(zhì)結(jié)電池尚不具備成本優(yōu)勢，可降低的成本主要是低溫銀漿和硅片的成本，而行業(yè)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(zhì)結(jié)電池必將是發(fā)展方向。三洋在2011年就研發(fā)了厚度只有98 μm、效率達到22.8%的超薄異質(zhì)結(jié)電池[1]，給超薄異質(zhì)結(jié)電池的可行性提供了強有力的依據(jù)。因此，本研究采用AFORS-HET數(shù)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(zhì)結(jié)電池的性能進行探究和分析，為后續(xù)超薄異質(zhì)結(jié)電池的投產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 ? ?物理模型

AFORS-HET是在半導體材料態(tài)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(tài)分為導帶、價帶擴展態(tài)，導帶、價帶帶尾定域態(tài)以及帶隙定域態(tài)。在AFORS-HET模擬中，主要對設(shè)計的電池結(jié)構(gòu)求解以下4個半導體穩(wěn)態(tài)方程[3-4]。

本研究模擬的超薄異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，襯底選擇80 μm厚的N型Si襯底。假設(shè)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(yīng)，正、背面電極均為歐姆接觸，各層的其他參數(shù)如表1所示，缺陷態(tài)的設(shè)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(jié)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)太陽能電池性能參數(shù)的變化情況，在模擬過程中只改變背面場厚度，其他參數(shù)保持不變，且忽略界面態(tài)的影響。

模擬結(jié)果表明，隨著背面場厚度的增加，電池各項光伏參數(shù)都保持不變，說明如果保證背面場薄膜的電學性能和結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)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(chǎn)業(yè)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(yīng)該設(shè)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(shù)保持不變，且忽略界面態(tài)的影響。模擬結(jié)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(shù)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(nèi)建電場越強，對少數(shù)載流子的反射就越強，使載流子在界面的復(fù)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(guān)系可用經(jīng)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(nèi)建電場增強時，能夠有效提高多數(shù)載流子的搜集效率，所以電池JSC增加。但是當摻雜濃度繼續(xù)增加時，內(nèi)建電場強度、載流子收集都達到了飽和，因此各項參數(shù)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(zhì)結(jié)太陽能電池背面場的摻雜濃度選擇7E19。

3 ? ?結(jié)語

通過AFORS-HET電池模擬軟件，分析模擬了在異質(zhì)結(jié)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(shù)對超薄異質(zhì)結(jié)電池性能的影響。結(jié)果表明：隨著窗口層厚度的增加，電池性能都呈現(xiàn)下降的趨勢，綜合理論模擬和實際生產(chǎn)，背面場厚度的最優(yōu)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，F(xiàn)ROITZHEIM 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(zhì)結(jié)電池薄膜硅背場的模擬優(yōu)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(zhì)結(jié)太陽能電池的數(shù)值模擬分析[J].物理學報，2003（52）：217-224.