高效晶硅异质结太阳电池...-赵雷

第 1页 赵雷 1,2,*, 王光红 1, 刁宏伟 1, 王文静 1,2 1中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室 , 中国科学院电工研究所 , 北京 100190 2 中国科学院大学 , 北京 100049 * zhaoleimail.iee.ac.cn 高效晶硅异质结太阳电池发射极能带结构 的理论优化研究 第 2页 1. 引言 高效晶硅异质结太阳电池基本构成 P型发射极 N型 c-Si基区 采用宽带隙发射极的好处 （ 1）窗口层效应，发射极寄生吸收更小，更 多太阳光进入基区产生光生电流； （ 2）较大的导带失配 ΔEC对 基区电子形成明 显的扩散阻挡，减少 电子扩散到发射极与空 穴复合。 （ 3）较大的价带失配 ΔEV使发射极费米能级 EF下移，增大与基区之间的费米能级差，利 于提高电池开路电压。 采用宽带隙发射极 的缺点 过大 的价带失配 ΔEV对 基区空穴输运穿过异质 结界面到发射极中产生阻碍，降低电池填充 因子。 晶硅异质结太阳 电池 能带 结构 示意图 此处要 解决的 问题 对发射极的 EV 和 EF进行量 化，获得可使 电池实现高效 率 的理论优化 值 第 3页 2. 数值模拟太阳电池结构与参数设置 数值模拟晶 硅 异质结太阳 电 池 结构 晶硅基区与 n非晶硅背场参数设置， 假设 P型发射极内无缺陷 第 4页 3. 结果分析 （ 1） 电池短路电流受影响不大，主要影 响电池的开路电压和填充因子。 （ 2） 当发射极 EV高于 -5.17eV（基区硅 片的 EV位置）时，电池无法获得高效 率，原因是发射极 EF的位置不够低，其 至多只能与 EV持平（重掺杂）。 （ 3） 当发射极 EV介于 -5.5到 -5.17eV之间 时，电池效率在发射极 EF为 -5.17eV，即 与晶硅 EV持平时均能获得高效率。即此 范围内 ΔEV越大，对发射极的掺杂度要 求越低。此时， ΔEV对空穴输运的阻碍 效果并不 明显。 影响规律 发射极 的 EV和 EF位置对电池性能的影响 第 5页 3. 结果分析 （ 4） 当发射极 EV低于 -5.5eV时，电池获 得高效率需要发射极 EF继续下移，这意 味着此时 ΔEV对 空穴输运 产生的阻碍开 始明显，需要尽量 提高发射极的掺杂 浓 度予以克服， 即降低发射极的费米能级 位置以使其功函数增加 。 （ 5） 当发射极 EV低于 -5.72eV时，电池 获得 高效率就需要 发射极 EF下移到价带 内，即与 EV持平，这意味着发射极此时 必须重掺杂，只能是透明导电电极材料 才有可能。 影响规律 发射极 的 EV和 EF位置对电池性能的影响 第 6页 3. 结果分析 电池获得高效率对发射极 E V和 EF位置的要求 当 发射极 EV在大约 -5.57eV时，电池获得高效率对发射极的掺杂度要求最小，此时允许 掺杂激活能 Ea最大可达 360meV。当发射极 EV高于 -5.17eV，发射极必须重掺杂，但因 EF仍然 高于晶硅基区的 EV而无法得到高效率； 发射极 EV低于 -5.72eV时，也要求发射极重掺杂，但 对宽带隙材料来讲很难实现。所以，发射极 EV只能在 -5.17到 -5.72之间变化，并且位置不 同，对发射极费米能级位置，即功函数（费米能级离真空能级的差）的要求就不同。 第 7页 3. 结果分析 电池获得高效率对发射极 E V和 EF位置的要求 当发射极 EV在 -5.17到 -5.5eV之间时，功函数只要达到 5.17eV即可，随着 EV在往 -5.72eV 下移，要求功函数逐渐变大，在发射极 Ev大约为 -5.57eV时 ，对发射极 的掺杂度要求最小 ， 但此时功函数需要增大到约 5.21eV。 第 8页 4. 结论 （ 1） 采用异质结结构是晶硅太阳电池获得高效率的发展方向。 （ 2） 可用于构成异质结的备选材料很多，但需从理论上进行一定的优化选 择。 （ 3） p型发射极需要具备较大的功函数，并且要在 5.17至 5.72 eV之间，但不 是电池获得高效率的充分条件，还需要考虑发射极的价带能级 EV的位置。 （ 4） 为降低制备难度 ，对发射极 掺杂度 要求越低越好，此时 p型发射极的 EV 大约 在 -5.57eV，功函数只需达到 5.21eV即可。 （ 5） 发射极掺杂度不高的情况下，实际电池制备时需考虑电极欧姆接触问 题。 第 9页 请大家批评指正 谢谢