體缺陷性質(zhì)對晶硅電池暗I-V特性的影響

陸曉東，宋 揚，王澤來，趙 洋，張金晶

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體缺陷性質(zhì)對晶硅電池暗特性的影響

陸曉東，宋 揚，王澤來，趙 洋，張金晶

（渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

采用有限差分法等方法研究了晶硅材料體內(nèi)不同類型缺陷對晶硅電池暗特性的影響。研究表明：晶硅電池暗特性的自然對數(shù)曲線可分為三個基本區(qū)域；隨受主型、施主型和復(fù)合中心型缺陷密度的增加，電池的開路電壓、短路電流、填充因子和效率等參數(shù)均發(fā)生退化；在反向偏壓下，受主型缺陷的密度增加，不會引起不同偏壓下晶硅電池暗電流的明顯變化，但施主型和復(fù)合中心型缺陷密度大于某閾值時，會引起各偏壓下晶硅電池暗電流出現(xiàn)明顯變化；在正向偏壓下，受主型缺陷可很好地保持晶硅電池暗特性曲線基本性質(zhì)，但施主型和復(fù)合中心型缺陷密度大于某閾值時，會導(dǎo)致晶硅電池暗特性曲線的性質(zhì)發(fā)生明顯變化。

晶硅電池；有限差分法；晶體缺陷；暗特性曲線；理想因子；總電流密度

無光照條件下的特性被稱作晶硅電池的暗特性。與光照條件下的特性相比，晶硅電池的暗特性缺少了光生載流子的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，所以其可反映出不同偏壓和注入水平下，晶硅電池內(nèi)影響載流子輸運過程各機制的基本性質(zhì)。正因如此，借助暗特性的測試和仿真研究提高晶硅電池效率的途徑，一直是晶硅電池領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。

與晶硅電池內(nèi)的載流子輸運過程密切相關(guān)的暗特性，受多種材料性質(zhì)的影響。研究表明[3-4]：雜質(zhì)離子、晶體缺陷、表面懸鍵等均是影響晶硅電池暗特性的關(guān)鍵因素。在仿真晶硅電池暗特性時，普遍采用雙二極管模型進行[5-6]。在這一模型中，利用兩個等效的二極管模型分別與晶硅電池內(nèi)的擴散電流和產(chǎn)生/復(fù)合電流關(guān)聯(lián)，采用經(jīng)驗公式描述影響暗電流的產(chǎn)生和復(fù)合的機制，并將這些經(jīng)驗公式引入到兩個二極管模型中，從而實現(xiàn)對影響晶硅電池暗特性各機制的研究。此外，由于雙二極管模型引用的經(jīng)驗公式多假設(shè)電池結(jié)構(gòu)參數(shù)空間均勻分布，但理論和實驗均證明：晶硅電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)一般呈空間不均勻分布狀態(tài)[7-9]，所以雙二極管模型是一種與實際電池結(jié)構(gòu)存在明顯偏離的理想模型，其計算的特性曲線與晶硅電池實測的特性曲線之間存在較大差異。

目前，基于雙二極管模型對缺陷性質(zhì)研究的重點集中在如何使計算的特性曲線接近實測特性。由于以經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)及忽略了電池結(jié)構(gòu)參數(shù)的空間分布性質(zhì)，所以其模型僅能對缺陷性質(zhì)進行簡單的研究，其結(jié)論往往為定性結(jié)論，如：晶硅片的少子壽命越高，成品電池的暗電流越小[7]；偏置電壓對暗電流的大小具有明顯影響[4]；沾污離子濃度越高，暗電流越明顯[8]等。

實際上，嚴格求解實際電池結(jié)構(gòu)的輸出參數(shù)應(yīng)通過求解半導(dǎo)體器件基本方程實現(xiàn)。目前，半導(dǎo)體器件基本方程的仿真主要用于研究光照條件下晶硅電池輸出參數(shù)的仿真方面[10-11]，對晶硅電池缺陷和暗特性的研究還很少。本文利用本組開發(fā)的求解半導(dǎo)體器件基本方程的有限差分法程序[11-12]研究體缺陷性質(zhì)對晶硅電池暗特性的影響。研究過程中考慮三種基本的體缺陷類型對暗特性的影響，即類施主型缺陷、類受主型缺陷和類復(fù)合中心型缺陷。

1 電池結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和體缺陷態(tài)模型

1.1 電池模型

圖1中給出了典型的晶硅電池二維結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)單元包括：有源層（c-Si）、雙面金字塔織構(gòu)結(jié)構(gòu)、增透膜（ARC）、鈍化層（PL）、陰極（Ag cathode）和陽極（Al anode）。在圖1中，、1、2、3分別表示織構(gòu)結(jié)構(gòu)的高度、PL層厚度、Al電極厚度和ARC厚度；、0、1分別表示周期長度、Al電極接觸孔長度和Ag電極接觸孔的長度；+2表示有源層厚度。在仿真過程中，選取晶硅電池常用的結(jié)構(gòu)參數(shù)[13-14]，即=8mm，1=100 nm，2=200 nm，3=70 nm，=184mm，=10mm，0=1mm，1=0.5mm，其中2+=200mm是晶硅電池的常用厚度。晶硅電池常采用前表面擴磷制作PN結(jié)，后表面擴硼制作背場。兩種擴散的工藝條件為[15-17]：P型晶硅片，前表面擴散時，溫度為900℃，擴散時間20 min；后表面擴散時，溫度為900℃，擴散時間5 min。

圖1 典型的晶硅電池結(jié)構(gòu)模型

1.2 工藝參數(shù)

利用Silvaco軟件的Athena模塊仿真襯底濃度為5′1016/cm3（?0.35W·cm）的P型單晶硅片，利用上述擴散條件獲得的凈雜質(zhì)濃度分布情況見圖2。計算過程中，上述擴散雜質(zhì)的分布，通過差值的方法帶入到計算程序中。

（a）沿過軸不同點，且平行于軸直線上的雜質(zhì)分布

（b）電池頂部的局部凈雜質(zhì)濃度分布的放大圖