a-Si:H（p）/c-Si（n）異質(zhì)結(jié)太陽電池的模擬優(yōu)化

趙曉霞，田宏波，王偉，，宗軍，，宮元波，楊文魁，宿世超

（1.國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 102209；2.國家電投集團新能源科技有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

當前，隨著全球能源危機和環(huán)境問題的加劇，全社會對可再生能源的應用日益重視[1]。作為可再生能源重要組成部分的光伏發(fā)電，只有持續(xù)降本增效，才能在能源市場上更具吸引力。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，因此，對光伏電池來說，需要在降低生產(chǎn)成本的同時不斷提高電池效率[2]。硅異質(zhì)結(jié)太陽電池是在單晶硅襯底上沉積非晶硅薄膜形成的一種高效硅基太陽電池，具有轉(zhuǎn)換效率高、開路電壓高、溫度系數(shù)低、低溫工藝制備及抗衰減等優(yōu)勢[3]，在行業(yè)內(nèi)備受關注[4]～[6]。目前，硅異質(zhì)結(jié)電池效率的世界紀錄是由日本Kaneka公司于2016年創(chuàng)造的，其研發(fā)的叉指背接觸硅異質(zhì)結(jié)電池效率達到26.63%[7]。在硅異質(zhì)結(jié)電池的研發(fā)中，由于涉及眾多的結(jié)構(gòu)變量諸如功函數(shù)、光學帶隙和非晶硅的摻雜濃度等等，從實驗上透徹地研究各參數(shù)對電池性能的影響是比較困難的，因而需要借助模擬軟件對一些基本參數(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化，了解其對電池性能的影響，從而獲得電池效率的改進方向。

本文利用AFORS-HET對a-Si:H（p）/c-Si（n）異質(zhì)結(jié)電池進行模擬優(yōu)化，分析了硅襯底電阻率、本征非晶硅薄膜厚度、發(fā)射極材料特性以及透明導電氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）薄膜功函數(shù)對電池輸出性能的影響，為后續(xù)硅異質(zhì)結(jié)電池的研發(fā)和生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 電池結(jié)構(gòu)及參數(shù)設置

本文模擬所用材料參數(shù)的初始值見表1。

表1 模擬中所用材料主要參數(shù)的初始值Table 1 Initial value key parameters for simulated structure

模擬的光照條件為AM1.5，100 mW/cm2。模擬的電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，襯底180μm的n型單晶硅，正面為金字塔絨面結(jié)構(gòu)，背面采用Ag電極，不考慮摻雜非晶硅與本征非晶硅以及本征非晶硅與晶硅襯底之間的界面態(tài)。

圖1 模擬太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of simulated solar cell

2 結(jié)果分析

2.1 晶硅襯底電阻率對電池性能的影響

硅異質(zhì)結(jié)電池所用n型單晶硅襯底的電阻率通常在0.2～7.0Ω·cm，圖2模擬了該范圍內(nèi)電阻率對電池性能參數(shù)的影響。

圖2 n型單晶硅襯底電阻率對硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響Fig.2 Influence of resistivity of n type silicon wafers on cell performance

整體上看，隨著襯底電阻率的上升，電池的開路電壓（Open Circuit Voltage，Voc）、短路電流（Short Circuit Current Density，Jsc）、填充因子（Fill Factor，F(xiàn)F）和轉(zhuǎn)換效率均呈現(xiàn)了逐漸降低的趨勢。當n型單晶硅襯底電阻率低于0.53Ω·cm時，其摻雜濃度高于1×1016cm-3，隨電阻率的提升，摻雜濃度的降低，n-c-Si與p-a-Si:H的能帶彎曲減弱，電池Voc，Jsc和FF明顯降低；當電阻率達到1.0Ω·cm并繼續(xù)提升時，Voc和Jsc基本無大變化，F(xiàn)F由于串阻的升高而持續(xù)下降。在Voc，Jsc和FF的綜合影響下，轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)出先快速而后緩慢下降的趨勢。

圖3給出了3種不同電阻率襯底情況下模擬得到的硅異質(zhì)結(jié)電池的外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）曲線?？梢钥吹?，當襯底的電阻率逐漸上升時，電池在短波段的光譜響應逐漸減弱，而長波段的光譜響應則逐漸增強。這是由于電阻率較高時，摻雜濃度較低，內(nèi)建電場強度較弱導致短波段光生載流子的收集效率較低；另一方面，電阻率較高時，載流子的擴散長度相對較大，因而長波段的光生載流子收集效率較高。

圖3 不同電阻率襯底硅異質(zhì)結(jié)電池EQE曲線Fig.3 EQE curves of HJT solar cells with different wafer resistivity

2.2 本征非晶硅薄膜厚度對電池性能的影響

本征非晶硅薄膜由于能夠有效鈍化晶硅表面的懸掛鍵，降低界面處載流子的復合，是硅異質(zhì)結(jié)電池獲得高開路電壓的重要原因之一。本文模擬了本征非晶硅薄膜厚度對電池性能的影響，為實驗上控制非晶硅薄膜的沉積從而提高硅異質(zhì)結(jié)電池性能提供一定的指導。圖4給出的是本征非晶硅薄膜厚度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能參數(shù)的影響。

圖4 本征非晶硅厚度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響Fig.4 Influence of the thickness of intrinsic a-Si:H on cell performance

隨本征非晶硅薄膜厚度的增加，開路電壓整體呈現(xiàn)上升的趨勢。這是由于當厚度較低時，對晶硅襯底表面懸掛鍵的飽和不夠充分，表面載流子的復合較嚴重，隨著厚度的增加，鈍化效果得到提升，Voc增加。在厚度進一步增加時，由于鈍化已經(jīng)較為充分，Voc僅略有提升。從短路電流來看，由于非晶硅內(nèi)部較高的缺陷態(tài)密度，其吸收短波長光子產(chǎn)生的光生載流子對電流幾乎沒有貢獻，所以隨著厚度的增加，Jsc逐漸下降。

圖5為不同厚度本征非晶硅的硅異質(zhì)結(jié)電池的EQE曲線。

圖5 不同厚度本征非晶硅的硅異質(zhì)結(jié)電池的EQE曲線Fig.5 EQE curves of HJT solar cells with different thicknesses of intrinsic a-Si:H

從圖5可知，電池短波段尤其是600 nm以下波段的光譜響應隨著本征非晶硅薄膜厚度的增加而不斷降低。填充因子方面，由于本征非晶硅的電導率非常低，薄膜厚度的增加將導致電池串聯(lián)電阻的增大，影響載流子的輸運及收集。在Voc，Jsc和FF的共同作用下，電池效率呈先上升后下降趨勢。為保證良好的鈍化性能，同時盡量降低因寄生吸收和低電導率而導致的短路電流和填充因子的降低，本征層厚度控制在5 nm附近較為合適。

2.3 發(fā)射極材料特性對電池性能的影響

p型非晶硅薄膜與n型單晶硅襯底形成p-n異質(zhì)結(jié)，利用內(nèi)建電場實現(xiàn)載流子的有效分離，是硅異質(zhì)結(jié)電池的核心組成。本文模擬了p型非晶硅薄膜厚度和摻雜濃度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響，指出高效硅異質(zhì)結(jié)電池對發(fā)射極材料特性的要求。

2.3.1 發(fā)射極厚度

圖6給出了p型非晶硅薄膜厚度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能參數(shù)的影響。

圖6 p型非晶硅薄膜厚度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響Fig.6 Influence of the thickness of p-a-Si:H film on cell performance

由圖6可知，隨p-a-Si:H薄膜厚度的增加，Voc，Jsc和轉(zhuǎn)換效率均呈現(xiàn)下降趨勢。在當前相對較高的摻雜水平下，薄膜厚度較低時，電池較高的Voc表明p-a-Si:H與n-c-Si之間較強的內(nèi)建電場可有效分離光生載流子，但較高的摻雜濃度也意味著較高的缺陷態(tài)密度和較高的光生載流子復合概率，因而當p型非晶硅薄膜厚度增加時，薄膜內(nèi)部復合中心的增加將加劇電池光生載流子的復合，導致Voc降低。p型非晶硅薄膜厚度的增加對Jsc的影響最為顯著，與本征非晶硅薄膜類似，p型非晶硅薄膜吸收短波長光子產(chǎn)生的光生載流子同樣不會對電流產(chǎn)生貢獻，因而當薄膜厚度增加時，寄生吸收增加，Jsc直線下降。

圖7為不同發(fā)射極厚度的硅異質(zhì)結(jié)電池的EQE曲線。

圖7 不同發(fā)射極厚度的硅異質(zhì)結(jié)電池的EQE曲線Fig.7 EQE curves of HJT solar cells with different thicknesses of p-a-Si:H film

由圖7可知，隨p-a-Si:H薄膜厚度的增加，電池短波段光譜響應明顯降低。FF在較大厚度范圍內(nèi)僅存在小幅波動，可能由于當前參數(shù)設置的條件下，厚度增加對串阻的影響相對其他串阻影響因素來說更加微弱，所以FF的變化非常微小。由此可見，對前發(fā)射極硅異質(zhì)結(jié)電池來說，在保證內(nèi)建電場強度的前提下，控制p型非晶硅薄膜厚度對提升電池性能非常重要。

2.3.2 發(fā)射極摻雜濃度

圖8為p型非晶硅薄膜摻雜濃度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能參數(shù)的影響。整體上看，隨摻雜濃度的升高，電池的各項性能參數(shù)都呈現(xiàn)先上升而后基本不變的趨勢。在當前的器件參數(shù)條件下，當p型非晶硅薄膜摻雜濃度低于7×1019cm-3時，電池各項性能參數(shù)都極差。當摻雜濃度達9×1019cm-3后，隨濃度的進一步增加，Voc和Jsc基本保持在較高的水平不變。

圖8 p型非晶硅薄膜摻雜濃度對硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響Fig.8 Influence of p-a-Si:H film on cell performance

圖9為不同摻雜濃度發(fā)射極的硅異質(zhì)結(jié)電池的EQE曲線。由圖可知，摻雜濃度分別為9×1019，2×1020cm-3的EQE曲線幾乎是重合的。

圖9 各摻雜濃度發(fā)射極的硅異質(zhì)結(jié)電池的EQE曲線Fig.9 EQE curves of HJT solar cells with different doping densities of p-a-Si:H

圖10是不同摻雜濃度條件下，硅異質(zhì)結(jié)電池的能帶結(jié)構(gòu)圖。

圖10 各摻雜濃度發(fā)射極硅異質(zhì)結(jié)電池能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 The band diagram of HJT solar cells with different doping densities of p-a-Si:H film

由圖10可知，低摻雜濃度情況下，能帶彎曲較弱，不利于光生載流子的有效收集，正如圖9所示長波段的光生載流子其能量不足以跨越勢壘，因而光譜響應很差；當摻雜濃度較高時，能帶彎曲更為強烈，不僅有利于p-a-Si:H對空穴的收集，也對向p-a-Si:H一側(cè)擴散的電子起到反射作用，有效降低載流子的復合幾率。如前所述，更高的摻雜濃度也意味著更高缺陷態(tài)密度的引入，因此實驗中，在保證較好內(nèi)建電場的情況下，應避免過高摻雜，控制薄膜內(nèi)缺陷密度。

2.4 TCO薄膜功函數(shù)對電池性能的影響

TCO薄膜是硅異質(zhì)結(jié)電池中載流子輸運的關鍵材料，其材料特性直接影響著電池的性能。本文模擬了前表面TCO薄膜功函數(shù)對電池性能的影響，闡明了載流子輸運對薄膜功函數(shù)的要求，為TCO薄膜的制備調(diào)控提供指導。

圖11給出了前表面TCO薄膜功函數(shù)對硅異質(zhì)結(jié)電池性能參數(shù)的影響。由圖11可以看到，當前表面TCO功函數(shù)低于5.2 eV時，隨TCO功函數(shù)的增加，電池Voc，F(xiàn)F和轉(zhuǎn)換效率均呈現(xiàn)了先較快上升而后區(qū)域平緩的趨勢；當前表面TCO功函數(shù)高于5.2 eV時，電池Voc，F(xiàn)F和轉(zhuǎn)換效率基本都維持穩(wěn)定；整個范圍內(nèi)短路電流變化的幅度則非常小。

圖11 前表面TCO薄膜功函數(shù)對硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響Fig.11 Influence of work function of TCO film on cell performance

圖12為不同TCO功函數(shù)條件下，硅異質(zhì)結(jié)電池的能帶結(jié)構(gòu)圖。

圖12 不同前表面TCO功函數(shù)的硅異質(zhì)結(jié)電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 The band diagram of HJT solar cells with different work function of TCO films

當前模擬條件下，TCO與p型非晶硅發(fā)射極之間形成平帶結(jié)構(gòu)時，TCO薄膜的功函數(shù)為5.32 eV；當TCO薄膜功函數(shù)低于5.32 eV時，p型非晶硅的能帶向下彎曲，對空穴的輸運形成阻礙，導致Voc和FF降低；反之，當TCO薄膜功函數(shù)高于5.32 eV時，有利于空穴的輸運。因此，對與p型非晶硅發(fā)射極相接觸的前表面TCO薄膜來說，理論上其功函數(shù)應盡可能地高，在本模擬中，TCO功函數(shù)應至少大于5.2 eV。

3 結(jié)論

本文通過AFORS-HET軟件模擬了TCO/a-Si:H（p）/a-Si:H（i）/c-Si（n）/a-Si:H（i）/a-Si:H（n）/Ag結(jié)構(gòu)的硅異質(zhì)結(jié)電池中硅襯底電阻率、本征非晶硅薄膜厚度、發(fā)射極材料特性以及TCO功函數(shù)對電池性能的影響。結(jié)果表明：在其它參數(shù)不變的條件下，硅襯底電阻率越低，轉(zhuǎn)換效率越高；發(fā)射極非晶硅薄膜厚度對短路電流有較大影響，發(fā)射極摻雜濃度低于7×1019cm-3時，電池各項性能參數(shù)都極差；TCO薄膜功函數(shù)應大于5.2 eV，以保證載流子的輸運收集。