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    超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池背面場(chǎng)的理論模擬優(yōu)化

    2021-05-07 17:33:04車晉
    現(xiàn)代鹽化工 2021年1期
    關(guān)鍵詞:模擬計(jì)算

    車晉

    摘 要:采用AFORS-HET軟件對(duì)超薄異質(zhì)結(jié)太陽能電池背面場(chǎng)的摻雜濃度、厚度、帶隙等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化,結(jié)合實(shí)際具體分析了每個(gè)參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)際,得出背面場(chǎng)最佳厚度是20 nm。隨著背面場(chǎng)摻雜濃度的增加,電池性能整體先提升后趨于恒定,背面場(chǎng)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(jì)算;背面場(chǎng)

    在目前光伏市場(chǎng)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(dá)到25.6%。目前,異質(zhì)結(jié)電池尚不具備成本優(yōu)勢(shì),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(huì)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(dá)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(qiáng)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(duì)超薄異質(zhì)結(jié)電池的性能進(jìn)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(dǎo)體材料態(tài)密度(Density of States,DOS)模式下對(duì)器件進(jìn)行直流模擬。在這種模式下,半導(dǎo)體的能帶電子態(tài)分為導(dǎo)帶、價(jià)帶擴(kuò)展態(tài),導(dǎo)帶、價(jià)帶帶尾定域態(tài)以及帶隙定域態(tài)。在AFORS-HET模擬中,主要對(duì)設(shè)計(jì)的電池結(jié)構(gòu)求解以下4個(gè)半導(dǎo)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?zé)o限光和背場(chǎng)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(xiàn)[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(chǎng)厚度對(duì)電池性能的影響

    背面場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)厚度的增加,電池各項(xiàng)光伏參數(shù)都保持不變,說明如果保證背面場(chǎng)薄膜的電學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定,由于背面場(chǎng)幾乎不吸收可見光,背面場(chǎng)的窗口是比較寬的,但是考慮到產(chǎn)業(yè)化實(shí)施的難度、薄膜均勻性以及薄膜的鈍化性能,背面場(chǎng)的薄膜厚度應(yīng)該設(shè)置為20 nm。

    2.2 ?背面場(chǎng)摻雜濃度對(duì)電池性能的影響

    背面場(chǎng)的摻雜濃度對(duì)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(chǎng),研究其對(duì)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(chǎng)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(xiàng)光伏參數(shù)都是先增加而后趨于恒定,這主要是因?yàn)樵贜-c-Si摻雜濃度不變、溫度不變的情況下,背場(chǎng)摻雜濃度越高,內(nèi)建電場(chǎng)越強(qiáng),對(duì)少數(shù)載流子的反射就越強(qiáng),使載流子在界面的復(fù)合電流也就越小,導(dǎo)致開路電壓越大[4],填充因子FF與VOC的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)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(dāng)內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí),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(dāng)摻雜濃度繼續(xù)增加時(shí),內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度、載流子收集都達(dá)到了飽和,因此各項(xiàng)參數(shù)保持不變。

    通過對(duì)P-nc-Si背面場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(shì),綜合理論模擬和實(shí)際生產(chǎn),背面場(chǎng)厚度的最優(yōu)值是20 nm;隨著背面場(chǎng)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(chǎng)理論上的摻雜濃度范圍控制在7E19。

    [參考文獻(xiàn)]

    [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(chǎng)的模擬優(yōu)化[J].物理學(xué)報(bào),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(xué)報(bào),2003(52):217-224.

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