N型IBC太阳能电池的工艺研究-何志伟-商丘工学院.pdf

电 子设计工程 Eleｃtrｏniｃ Design Engineering 第 ２5 卷 Vｏl．２5 第 １5 期 Ｎｏ．１5 ２０１7 年 8月 Ａug． ２０１7 收稿日期 ２０１６－０8－１６ 稿件编号 ２０１６０8１２１ 基金项目 ２０１5 年河南省教育技术装备和实践教育研究立项课题 （ GZS１3４ ） 作者简介 何志伟 （ １９83 ）， 男 ， 河南鹿邑人 ， 硕士研究生 ， 讲师 。 研究方向 粒子物理 ， 半导体物理与器件 。 太阳能电池实际上就是一个大面积且不加偏压 的 ＰＮ 结器件 。 该种器件通过以高效率将太阳电磁 辐射的能量转化为电能长期为人类提供动力 。 发展 至今 ，硅太阳能电池的应用最为广泛 ， 光电转化效率 也最高 [１－3] 。 目前 ， 世界上能够量产且转化效率超过 ２０ 的 太阳能光伏电池只有两种 ， 均为 Ｎ 型多晶硅太阳能 电池 。 其分别是 ２０１０ 年美国 SunＰｏwer 公司的 D．D． Sｍitｈ 等人研制的 Ｎ 型 IBＣ （ Interdigitated Baｃk Ｃｏntaｃt ） 单晶硅太阳能电池 ， 这是一种背结背接触式 电池 ， 其的转化效率高达 ２４．２ 。 此外 ， 该种结构也 是目前世界上可实现量产且效率最高的晶体硅电池 结构之一 。 另一种电池就是日本 Ｐanasｏniｃ 公司的 HIＴ （ Heterｏ－junｃtiｏn Intrinsiｃ Ｔｈin－filｍ ） 电池 [４] 。 文中 所研究的 Ｎ 型背结背接触式太阳能电池 [5－7] 也是单 晶硅太阳能电池 ， 其转换效率高 [8] 、 工艺相对简单 ， 可 实现量产并能够在各个行业均得到广泛应用 。 1 N 型 IBC 太阳能电池结构 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池 [９] 是一种以 Ｎ 型单晶硅作 为衬底 ， 并形成一种具有背结背接触特点的新型结 构太阳能电池 。 如图 １ 所示 ， Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池衬 底是均匀掺杂磷的单晶硅 ， 在其前表面是制绒面 ， 将 其制成倒角锥体结构以获得更高的光吸收 ， 减少光 反射损失 ， Ｎ 衬底前表面 ， 离子注入形成一层 n 型掺 杂的 Ｎ 区 ， 在 Ｎ 层以上 ， 形成一层氧化硅层以及一 层用于减少反射损失的氮化硅 。 在衬底背表面 ， 分别 注入掺杂 ， 一定区域注入磷 ， 形成 Ｎ 区 ， 一定区域 注入硼 ， 形成 Ｐ （ 发射区 ）， 然后在衬底背表面淀积 N 型IBC 太阳能电池的工艺 研究 何志伟 ， 刘丽 （ 商丘工学院基础教学部 ， 河南商丘 ４7６０００ ） 摘要 文中主要研究的是 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池 ， 即 Ｎ 型背结背接触式电池 。 使用 silvaｃｏ ＴＣＡD 软件 对 Ｎ 型 IBＣ 太阳电池进行工艺仿真 ， 然后对已完成的 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构使用 silvaｃｏ ＴＣＡD 软件进行器件仿真 ， 并对相关参数进行优化 ， 探究该种太阳能电池各方面的特性 ， 最后与工艺仿真进 行结合分析 ， 对 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池的工艺研究进行总结整理 ， 得出该太阳能电池的最佳工艺参数 组合 。 关键词 太阳能电池 ； Ｎ 型晶体硅 ； 背结背接触 ； 工艺 ； silvaｃｏＴＣＡD 中图分类号 ＴＮ９９ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６7４ － ６２3６ （ ２０１7 ） １5－００１４－０5 Process study of N type IBC solar cell HE Zｈi - wei ， LIU Li （ Basic Teaching Department ， Shangqiu Institute of Technology ， Shangqiu ４7６０００ ， China ） Abstract Ｔｈis paper will study tｈe IBＣ ｏf Ｎ - type sｏlar ｃell ， wｈiｃｈ is tｈe Ｎ - type junｃtiｏn baｃk - baｃk－ ｃｏntaｃt ｃell researｃｈ．We will use silvaｃｏ ＴＣＡD sｏftware fｏr Ｎ - type IBＣ sｏlar ｃell fｏr prｏｃess siｍulatiｏn ， ｃｏnduｃted detailed studies ｏf tｈeir speｃifiｃ prｏｃess steps ， and tｈen tｈe Ｎ - type IBＣ sｏlar ｃell struｃture ｈas been ｃｏｍpleted using silvaｃｏ ＴＣＡD deviｃe siｍulatiｏn sｏftware tｏ explｏre tｈis sｏlar ｃell tｈe variｏus ｃｈaraｃteristiｃs ｏf tｈe final binding prｏｃess siｍulatiｏn and analysis ｏf tｈe Ｎ - type teｃｈnｏlｏgy researｃｈ IBＣ sｏlar ｃell sｏrting suｍｍariｚed ， and we ｏbtaintｈe ｏptiｍuｍ teｃｈniｃal paraｍeters． Key words sｏlar ｃell ； Ｎ - type ｃrystal siliｃｏn ； baｃk - baｃk - ｃｏntaｃt ； prｏｃesses ； silvaｃｏ ＴＣＡD －１４－ 一 层氧化物钝化层 ， 之后在两区域分别刻蚀氧化物 淀积铝从而形成阴极和阳极 ， 再去除其他部分多余 的铝 。 2 N 型 IBC 太阳能电池建模仿真 2.1 工艺仿真 通过使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件可以对 Ｎ 型 IBＣ 太 阳能电池进行仿真建模 ， 使用工艺仿真器 ＡＴHEＮＡ ， 可对 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池整个工艺流程进行仿真 ， 从而生成最终的 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构 。 其大致 步骤如下 定义网格 、 初始化衬底 、 形成 Ｎ区和 Ｐ区 （发射区 ）、 淀积钝化层 、电极形成 、上下表面旋转 、 形成 Ｎ 区 、淀积钝化层 、结构存储 。 按照已设计好的电极尺 寸和掺杂浓度等相关参数 ，通过工艺仿真器 ＡＴHEＮＡ 进行工艺仿真 ， 实现 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构 。 2.2 器件仿真建模 一方面可直接调用工艺仿真器 ＡＴHEＮＡ 生成 的 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构 ， 另一方面也可以使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件中的器件仿真器 ＡＴLＡS 直接生成 相应结构 。 在此使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件器件仿真器 ＡＴLＡS [１０] 生成 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构 ， 主要分为 如下 ４ 个步骤 １ ） 初始化网格 经划分的网格如图 ２ 所示 ， 在 y ０．０3 位置 ， 网格密度极高 ， 研究 pn 结空间电荷区 及结深的参数提取精度便可达到较高的水平 [１１] 。 对 于该 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构而言 ， 其衬底单元结 构宽 １ ０００ μ ｍ ， 厚度为 １5０ μ ｍ 。 图 １ IBＣ 太阳能电池结构 图 ２ pn 结的仿真网格 ２ ） 定义区域和材料 在 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结 构中可定义以下 7个区域 区域 １ Ｎ 型衬底区域 ， 材料定义为硅 ， 厚度为 １5０ μ ｍ ； 区域 ２ 背表面 Ｎ掺杂区域 （ BSF ）， 材料硅 ； 区域 3 背表面发射区 ， 材料硅 ； 区域 ４ 前表面 Ｎ 层 （ FSF ）， 材料硅 ； 区域 5 背表面钝化层 ， 材料为氧化硅 ， 厚度为 ０．９４ μ ｍ ； 区域 ６ 前表面钝化层 ，材料为氧化硅 ，厚度为 １ μ ｍ ； 区域 7 背表面外层 ， 材料为空气 。 3 ） 电极的定义 电极宽度为 8０ μ ｍ ， 两电极之间 间隙宽度为 ４２０ μ ｍ 。 ４ ） 掺杂定义 各区域掺杂如下 区域 １ 衬底 ， Ｎ 型掺杂 ， 均匀 （ unifｏrｍ ） 分布 ， 浓 度 １０ １４ ｃｍ －3 ； 区域 ２ Ｎ 区 ， Ｎ 型掺杂 ， 高斯 （ gaussian ） 分布 ， 浓度 １０ ２１ ｃｍ －3 ； 区域 3 Ｐ 区 ， Ｐ 型掺杂 ， 高斯 （ gaussian ） 分布 ， 浓 度 ２ １０ ２１ ｃｍ －3 ； 何志伟 ， 等 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池的工艺研究 － １5 － 电子设计工程 ２０１7 年第 １5 期 区域 ２ Ｎ 区 ， Ｎ 型掺杂 ， 高斯 （ gaussian ） 分布 ， 浓度 １０ １６ ｃｍ －3 。 此外 ， 还需要对 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池进行材料 特性设置并选择合适的物理模型 。 对于 Ｎ 型 IBＣ 太 阳能电池 ， 主要材料分为两种 ， 衬底材料 Si 和电极 金属 Ａl 。 在器件仿真器 ＡＴLＡS 中 ，针对本文所研究 的 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池结构特点 ， 需要选择的模型 有迁移率模型组中的浓度依赖迁移率模型 （ ｃｏnｍｏb ） 和平行电场依赖模型 （ fldｍｏb ） 以及 Sｈｏｃkley－Read－ Hall 复合模型 （ ｃｏnsrｈ ）。 器件仿真器 ＡＴLＡS 是基于 几个范围内非耦合的非线性偏微分方程 ， 所以其在 器件结构的网格点需要对方程采用特定的数值计算 方法来仿真计算获取器件的特性 。 对于 Ｎ 型 IBＣ 太 阳能电池结构器件 ， 文中可采用的计算方法是 newtｏn 计算方法 。 2.3 器件特性 图 3是 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池的光谱响应 （ 基于 ＡM１．０ 太阳光谱 [１２] ）， 由图可看出 ， 电池对于波长大 于 ０．8 μ ｍ 的太阳光吸收率迅速降低 。 电池前表面光 线照射区材料的禁带宽度直接决定着太阳能电池的 具体波长吸收限大小 。 对于 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池特性而言 ， 主要需要 研究的有开路电压 、 短路电流和 IV 特性曲线 。 通过 对其进行相应的偏置电压设置 ， 然后进行仿真扫描 以获取相关的特性结果 。 图 ４ 为 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电 池的 I－V 特性曲线 ， 图 5为其内 \ 外量子效率曲线 。 2.4 器件仿真结果 １ ） Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池衬底参数 对于硅衬底参数 ， 其中主要的参数 [１3] 为衬底厚 度与少子寿命 ， 还有衬底电阻率 ， 这与衬底掺杂浓度 有关 ， 不同少子寿命的衬底材料的衬底厚度对太阳 能电池转化效率的仿真结果 ， 如图 ６ 所示 。 不同少子 寿命的衬底材料的 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池转换效率 曲线 ， 如图 7所示 。 ２ ） Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池发射区参数 在 Ｎ 型 IBＣ 太阳电池中 [１４] ， 发射区表面浓度及 结深为两个重要的参数 [１5] ， 其显著影响光生载流子 复合 。 修改发射结结深和表面浓度 ， 其仿真结果如图 8所示 。 同时 ， 探究这两参数对太阳能电池的转换效率 图 3 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池光谱响应 图 ６ 不同衬底厚度和少子寿命情况下的 IBＣ 太阳电池 转换效率 图 5 内 \ 外量子效率曲线 图 ４ Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池 I－V 特性曲线 －１６－ E ff 值的影响 ， 并探究发射结表面浓度与结深对相应 的电池转换效率 Eff 值的影响 ， 所获取的曲线如图 ９ 所示 。 2.5 仿真结果分析 对于单晶硅衬底材料 ， 当少子寿命为 5００ μ s 时 ， 相应的衬底厚度合适范围为 ６０ ～ 7０ μ ｍ ， IBＣ 太 阳电池转换效率可达到 ２２．４5 。 当少子寿命减小 时 ， 相应的衬底厚度的合适值减小 。 对于发射区参数研究结果显示 发射区表面浓 度越大 、 结深越深 ， IBＣ 太阳电池效率也就越高 。 当 发射区表面浓度为 5 １０ ２０ ｃｍ －3 ， 结深为 １ μ ｍ 时 ， 转 换效率高达 ２3．35 。 所以整体分析而言 ， 两区域参数对 Ｎ 型 IBＣ 太 阳能电池的性能影响并不统一 ， 在设计工艺过程中 需要对其各自的工艺参数做出适当调整 ， 以便使太 阳能电池性能更加稳定 ， 更具优势且效率更高 。 具体 数值需要彼此参考 ， 以形成最佳工艺参数组合 。 根据以上研究 ， 对于 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池工艺 参数进行优化处理 ， 发射区结深控制在 １ μ ｍ ， 发射 区表面浓度控制在 5 １０ ２０ ｃｍ －3 ， 同时衬底厚度控制 在 ６０ μ ｍ ， 衬底硅电阻率控制 ２ Ω ．ｃｍ ， 其少子寿命选 择为 5００ μ s 。 对优化后的器件模型进行仿真计算 ， 其 结构如图 １０ 所示 ， 其 I－V 特性曲线如图 １１ 所示 。 不 难发现 ， 虽最终的转换效率得到相应的提高 ， 但距离 最佳状态仍有一定的距离 ， 所以对于整个 IBＣ 太阳 能电池的优化工艺研究仍需继续 ， 该电池还具有较 大的提升空间 [１６] 。 3 结束语 Ｎ 型背结背接触式 （ IBＣ ） 太阳能电池是一种新 型结构的高效率太阳能电池 ， 在现实社会中已能够 实现量产 。 由于其背结背接触式结构 ， 在较大程度上 不受电极限制 ， 在生产技术和效率提升方面均具有 改进空间 ， 所以在未来发展进程中拥有一定的潜力 。 本文使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件对其进行建模仿真 ， 并对 图 １０ 优化后的仿真结构 图 ９ 不同发射区表面浓度和结深 （ d ） 对 IBＣ 太阳电池 Eff 的影响 图 8 不同发射区表面浓度和结深 d对 IBＣ 太阳电池短路电 流 密 度的影响 图 7 不同衬底电阻率和少子寿命 情况下 ， IBＣ 太阳电池 转化效率 何志伟 ， 等 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电池的工艺研究 － １7 － 电子设计工程 ２０１7 年第 １5 期 其具体的工艺参数进行相关方面的研究与优化 ， 最 后对最终的结果进行总结 ， 得出 Ｎ 型 IBＣ 太阳能电 池最合适的工艺参数组合 ， 并加以仿真获取结果验 证其合理性 。 参考文献 [１]张炳烨 ， 谢洪丽 ， 方铉 ， 等 ．原子层沉积 ＡlO_x 薄膜 对单晶硅太阳能电池钝化机制的影响 [J]． 发光学 报 ， ２０１６ ， 37（ ２ ） １９２－１９６． [２]李斐 ． 单晶硅太阳能电池扩散工艺与电学特性仿 真研究 [D]．长沙 中南大学 ， ２０１０． [3] ＰraveenKuｍar ， MiｃｈaelＰfeffer ， BenjaｍinWillsｃｈ ， et al． Ｎ －type single －ｃrystalline Si sｏlar ｃells Frｏnt side ｍetalliｚatiｏn fｏr sｏlar ｃells reaｃｈing ２０ effiｃienｃy [J]． Sｏlar Energy Materials and Sｏlar Ｃells ， ２０１６ ， Vｏluｍe １57２００－２０8． [４]宋登元 ， 熊景峰 ．高效率 n 型 Si太阳电池技术现状及 发展趋势 [J]． 半导体光电 ， ２０１3 ， 3４ （ 3） 35１－35４． [5] M． Belarbi ， M． Begｈdad ， Ａ． Mekeｍeｃｈe． Siｍula - 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