双层梯度掺杂发射极HIT 太阳电池的模拟研究-高江-南昌大学.pdf

第12届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（先进太阳电池：新概念、新材料和新结构（纳 米太阳电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池等）） 双层梯度掺杂发射极双层梯度掺杂发射极双层梯度掺杂发射极双层梯度掺杂发射极HIT太阳电池的模拟研究太阳电池的模拟研究太阳电池的模拟研究太阳电池的模拟研究 高江高江高江高江，，，，周浪周浪周浪周浪，，，，黄海宾黄海宾黄海宾黄海宾，，，，崔冶青崔冶青崔冶青崔冶青 （南昌大学太阳能光伏学院，lzhou@ncu.edu.cn） 摘要摘要摘要摘要：本文采用HMI开发的AFORS-HET软件模拟研究了AM1.5条件下双层发 射极(a-Si(heavy doped)/a-Si(light doped)/i-a-Si:H/c-Si，D-emitter)结构对于HIT太阳 电池性能的改善。结果表明：D-emitter结构的HIT太阳电池的开路电压，短路电 流及填充因子相比于单层发射极结构(a-Si(doped)/i-a-Si:H/c-Si, S-emitter)的HIT太 阳电池均有所提升，可获得更高的转换效率。对于n型c-Si片太阳电池，S-emitter 结构(a-Si(p)/i-a-Si:H/c-Si(n))最优转换效率为25.19%，D-emitter结构 (a-Si(p+)/a-Si(p-)/i-a-Si:H/c-Si(n))最优转换效率为25.98%。对于p型c-Si片太阳电 池，S-emitter结构(a-Si(n)/i-a-Si:H/c-Si(p))的最优转换效率为22.02%，D-emitter结 构(a-Si(n+)/a-Si(n-)/i-a-Si:H/c-Si(p))的最优转换效率为24.29%。 关键词关键词关键词关键词：：：：数值模拟；双层发射极；HIT电池；梯度掺杂 1 引言引言引言引言 与传统的晶硅太阳电池相比，HIT电池 具有明显的优点。目前，Sanyo公司实验室 效率已达到了23% (100.4cm2)，其中开路电 压VOC =729mV，JSC=39.52mA/cm2， FF=80.0%[1]。在国内，中科院张群芳等[2] 制备出的异质结太阳电池效率达到17.27%。 文献报道的结果与Sanyo的结果还有着一定 的差距。近年来，HIT电池也有大量的理论 研究。胡志华[3]运用AMPS软件计算分析 了异质结结构的能带补偿以及界面态密度 和本征层厚度对HIT电池特性的影响，赵雷 等[4-6]模拟分析了背场，衬底电阻率与透明 导电膜功函数等对HIT电池性能的影响， Dao等[7]利用AFORS-HET软件模拟了本征 层，背场，界面态密度，晶硅衬底电阻率和 透明导电膜等对HIT电池的影响。 众所周知，对于均匀掺杂的pn结太阳能 电池，由于异型区载流子的扩散，只在p区 和n区的界面处形成很薄（约1mm）的耗 尽层内存在电场，其它区域的电场强度为 零。当光照入电池薄膜时，只有在耗尽层内 及附近的光生电子-空穴对才能受电场力的 驱使被电极所收集形成光生电流；其他区域 因不存在电场，光生电子-空穴对不能被有 效地分离，复合率较大，因此这部分光生载 流子不能有效的产生光生电流。假如在n区 和p区梯度掺杂，由于同型区域内载流子的 扩散，在无光照平衡条件下形成一定的电荷 分布，从而产生电场。在设计梯度掺杂方案 时，根据具体半导体的性质，应使电场合理 分布，尽可能的收集各处光生载流子，以增 大闭路电流，提高效率[8]。发射极的性能在 电池性能上有重要作用，应尽可能的薄，且 要做得重掺杂。本文将梯度掺杂设计应用到 发射极上，考虑到实际工艺，我们将梯度掺 杂简化为双层发射极结构，通过数值模拟从 理论上分析发射极梯度掺杂对电池性能的 影响。运用AFORS-HET模拟软件，采用双 层发射极梯度掺杂结构，固定发射极厚度， 将发射极层的掺杂浓度作为可变参数，来模 拟分析双层发射极结构对电池性能的影响， 以获得最优的转换效率。本文主要详细分析 n型衬底硅电池，用同样的方法也可以分析 p型晶硅衬底，这里我们只给出了p型衬底 硅电池的相关模拟结果。 2 物理模型物理模型物理模型物理模型 对于n型晶硅衬底，模拟的电池结构如 图1所示，采取单发射极异质结太阳电池结 构(a-Si(doped)/i-a-Si:H/c-Si)以及双发射极 异质结太阳电池结构(a-Si(heavy doped)/a-Si (light doped)/i-a-Si:H/c-Si)，其衬底为300µm 厚的n型CZ-Si片，发射极为非晶硅，发射 极与晶体硅之间加入本征非晶硅缓冲层。模 拟时各层所用参数非晶硅和晶体硅材料参 数分别来自于文献[3, 4, 9]，具体见表1，单 层发射极中非晶硅缺陷态分布取自文献[3, 4]，双层发射极中的非晶硅缺陷态密度根据 掺杂浓度进行了适当的修改，其余未列出参 数均采用软件中的默认参数。 在模拟过程中，我们简化模型，忽略界 面态的影响，取无界面态的理想情况。假设 电池正背面电极均为欧姆接触，无陷光结构 和背场效应，电子和空穴在前后接触面的表 面复合速率均为1×107 cm/s。模拟太阳光的 照射条件为25℃，AM 1.5，100 mW/cm2， 有效波长范围为0.3～1.1µm。 a) 单层发射极 b) 双层发射极 图1 n型晶硅衬底单双层发射极HIT太阳电池的模拟结构 表1 n型晶硅衬底模拟结构中各层的结构参数 结构参数 P+-a-Si P--a-Si P-a-Si i-a-Si n-c-Si 层厚(nm) 3 15 18 3 3E5 电子亲和势(eV) 3.9 3.9 3.9 3.9 4.05 介电常数 11.9 11.9 11.9 11.9 11.9 迁移率带隙(eV) 1.74 1.74 1.74 1.74 1.124 光学带隙(eV) 1.74 1.74 1.74 1.74 1.124 导带态密度(cm-3) 1E20 1E20 1E20 1E20 2.8E19 价带态密度(cm-3) 1E20 1E20 1E20 1E20 1.04E19 电子迁移率(cm2v-1s-1) 5 5 5 20 1350 空穴迁移率(cm2v-1s-1) 1 1 1 5 450 掺杂浓度(cm-3) 可变 可变 可变 - 1.5E16 电子热速度(cm·s-1) 1E7 1E7 1E7 1E7 1E7 空穴热速度(cm·s-2) 1E7 1E7 1E7 1E7 1E7 层密度(g·cm-3) 2.328 2.328 2.328 2.328 2.328 电子俄歇复合系数(cm6s-1) 0 0 0 0 2.2E-31 空穴俄歇复合系数(cm6s-2) 0 0 0 0 9.9E-32 带间复合系数(cm3s-1) 0 0 0 0 0 3 结果分析结果分析结果分析结果分析与讨论与讨论与讨论与讨论 3.1 HIT电池电池电池电池的的的的能带能带能带能带结构结构结构结构分析分析分析分析 发射极的性能在电池性能上有重要作 用，由于发射极结构无序和高的掺杂量，发 射层载流子的扩散长度很小，且只有漂移电 流而无扩散电流。另一方面，由于掺杂浓度 高，发射区中空间电荷区的深度很小，甚至 当厚度对于最薄的层，将不存在电场区。因 而发射区应尽可能的薄，且要做得重掺杂 [9]。但是当发射极掺杂浓度增加时，非晶硅 的缺陷态密度也会增大，就会增大少子的复 合速率，电池的短路电流就会降低。 考虑到上述原因，对于固定厚度的发射 极，将发射极分为两层，靠近电极的一层重 掺杂，靠近晶硅的一层轻掺杂。这样的梯度 掺杂可以提高太阳能电池光伏转换效率[8]。 模拟结构如图1(a), (b)，各层材料采用表1 中所给的结构参数，画出双层发射极与单层 发射极HIT太阳电池的能带图，然后进行对 比分析。如图2所示，当采用双层发射极结 构时，电池的能带弯曲量更大，可以得到更 大的内建电场，从而有更高的开路电压。 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 Width (cm) S-emitter E (eV ) D-emitter 图2 n型晶硅衬底单层发射极与双层发射极HIT 电池结构的能带图 由于非晶硅与晶硅的禁带宽度不同，会 出现能带补偿，而光生空穴的收集、在界面 的聚集与异质结的价带补偿密切相关[10]。 根据表1中所列出的参数，可以计算出价带 补偿为0.445eV，导带补偿为0.155eV。能 带补偿主要发生在价带之间，价带补偿与导 带补偿之间的比率都大约为3:1，这与文献 [4]中结果一致。从图2可以看出，两种结构 的价带势垒尖都高于价带顶，空穴输运不会 受到界面势垒的影响，因而不会引起空穴在 此处的积累，造成太阳电池性能的劣化[10]， 因此这种双层梯度掺杂发射极HIT电池结 构的设计是合理的。为了得到合理的双层发 射极HIT电池的能带结构，我们将通过改变 双层发射极的掺杂浓度，以寻求一个最优的 转换效率。 3.2 双双双双层层层层发射极发射极发射极发射极的的的的掺杂浓度掺杂浓度掺杂浓度掺杂浓度对对对对转换效率转换效率转换效率转换效率的的的的 影响影响影响影响 由于非晶硅的缺陷态密度会随着非晶 硅的掺杂浓度增加而增加，对于双层发射极 HIT太阳电池结构，轻掺杂发射极层的掺杂 浓度比单层发射极的要低，所以轻掺杂层的 缺陷态密度比单层发射极的缺陷态密度低， 可以有效的减少少子的复合速率，增加电池 的短路电流。从能带结构上讲，重掺杂发射 极层有着与背场作用相似的作用，可对光生 少子产生势垒效果，从而减少表面复合，可 以提高短路电流以及开路电压。除此之外， 重掺杂还能使非晶硅和电极有更好的欧姆 接触。可以看出，发射极的掺杂浓度对电池 性能有很大的影响，所以我们将模拟分析出 合适的掺杂浓度以期望获得最优转换效率。 为了得到更高的电池转换效率，我们模 拟了双层发射极HIT太阳电池的转换效率 与两层发射极掺杂浓度的关系，结果如图3 所示。由图可见，当轻掺杂发射极层掺杂浓 度不变时，电池的转换效率随着重掺杂层的 掺杂浓度增加而增加，当重掺杂发射极层的 掺杂浓度增加到1E20cm-3时，电池的转化 效率就基本达到最大值；当重掺杂发射极层 的掺杂浓度不变时，轻掺杂发射极层的掺杂 浓度增加时，电池的转化效率先增加后减 小，当轻掺杂层的掺杂浓度为1E18cm-3时， 转化效率最高。因此，当轻掺杂发射极层的 掺杂浓度为1E18cm-3，重掺杂发射极层浓度 为1E20cm-3时，电池的转化效率最优。对 于单双层发射极HIT电池，当其发射极的掺 杂浓度最优时，我们将比较分析双层发射极 和单层发射极HIT电池的各种特性。 1E18 1E19 1E20 18 20 22 24 26 P+ doping concentration (cm-3) 3E17cm-3 6E17cm-3 1E18cm-3 3E18cm-3 5E18cm-3η (% ) 图3 双层发射极HIT电池的轻掺杂发射极层在不 同重掺杂层的掺杂浓度下对太阳电池的转换效率 的影响 3.3双层发射极和单层发射极双层发射极和单层发射极双层发射极和单层发射极双层发射极和单层发射极HIT电池性能电池性能电池性能电池性能 的对比的对比的对比的对比 200 400 600 800 1000 1200 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 λ (nm) D-emitter S-emitter EQ E 图4 双层发射极与单层发射极结构HIT电池的外 量子效应 图4为双层发射极与单层发射极结构 HIT电池的外量子效应图，与单层发射极 HIT电池相比，可以看出双层发射极HIT电 池的短波效应更好。这是由于短波主要由发 射极层吸收，而对于双层发射极结构的HIT 电池，短波部分光子被发射极吸收，而重掺 杂发射极层减少了表面复合，因此双层发射 极HIT电池的短波效应更好，从而增加了电 池的短路电流。 图5为双层发射极和单层发射极HIT电 池的伏安特性曲线对比图。可以看出双层发 射极HIT电池相对于单层发射极的HIT电 池，双层发射极HIT电池的开路电压基本不 变，而短路电流和填充因子均更大，因而具 有更高的光电转换率。值得注意的是，本文 主要是为了得到最优的转换效率，因此得到 的开路电压并不是最优值，所以开路电压基 本没变化是可以理解的，这并不与前面所述 的重掺杂发射极层可以提高开路电压相矛 盾。我们从表2中可以看出，对于p型晶硅 衬底，开路电压有明显的提升，因此双层发 射极结构设计是可以提高电池的开路电压。 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 V (V) D-emitter S-emitter J (m A/ cm 2 ) 图5 n型晶硅衬底单层发射极与双层发射极结构 的J-V曲线 表2为n型和p型晶硅衬底单层发射极 和双层发射极HIT电池特性的对比，从表中 可以看出，双层发射极HIT电池效率比单层 发射极HIT电池有一个明显的提升，n型晶 硅衬底HIT电池效率提高了0.79%，p型晶 硅衬底HIT电池效率提高了2.27%。对于单 双层发射极的电池开路电压，短路电流以及 填充因子，n型晶硅衬底都明显高于p型晶 硅衬底，因此，n型晶硅衬底HIT电池比p 型晶硅衬底HIT电池的光电转换效率更高。 表2 单双层发射极HIT太阳电池特性比较 衬底 发射极 η/% VOC/mV JSC/mA/cm2 FF/% S-emitter 25.19 748.6 40.04 84.06 n型晶硅 D-emitter 25.98 748.8 41.11 84.4 S-emitter 22.02 712.9 37.43 82.52 p型晶硅 D-emitter 24.29 718.4 40.27 83.98 4 结论结论结论结论 通过AFORS-HET软件，我们模拟分析 了n型晶硅衬底和p型晶硅衬底的单层发射 极与双层发射极HIT太阳电池结构。结果表 明：将发射极分为重掺杂层和轻掺杂层时， 轻掺杂层可以提高的短路电流；重掺杂层也 能增加短路电流及开路电压，还使非晶硅和 电极有更好的欧姆接触。我们比较单层发射 极与双层发射极结构的HIT电池，可以看出 双层发射极在开路电压，短路电流，填充因 子上均有所提升，因而双层发射极HIT电池 这种梯度掺杂的方式具有更高的转换效率， 与文献[8]中结论一致。比较P型和n型晶硅 衬底HIT电池，可以看出n型晶硅衬底可以 得到更高的转换效率，这样文献[11]中的结 果一致。对于所分析的双层发射极HIT电池 结构，在无减反层，无陷光结构和背场时， n型晶硅衬底得到的最优电池转换效率为 25.98%，p型晶硅衬底得到的最优电池转换 效率为24.29%。 参考文献参考文献参考文献参考文献 [1]. Mishima, T., et al., Development status of high-efficiency HIT solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2011. 95(1): p. 18-21. [2]. 张群芳等, 高效率n-nc-Si:H/p-c-Si异质 结太阳能电池. 半导体学报, 2007(1): 第 96-99页. [3]. 胡志华等, 非晶硅太阳电池光照J-V特 性的AMPS模拟. 物理学报, 2005(5): 第 2302-2306页. [4]. 赵雷等, a-Si(n)/c-Si(P)异质结太阳电池 薄膜硅背场的模拟优化. 物理学报, 2008. 57(5): 第3212-3218页. [5]. Zhao, L., et al., Design optimization of bifacial HIT solar cells on p-type silicon substrates by simulation. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008. 92(6): p. 673-681. [6]. Zhao, L., et al., Optimized resistivity of p-type Si substrate for HIT solar cell with Al back surface field by computer simulation. Solar Energy, 2009. 83(6): p. 812-816. [7]. Dao, V.A., et al., Simulation and study of the influence of the buffer intrinsic layer, back-surface field, densities of interface defects, resistivity of p-type silicon substrate and transparent conductive oxide on heterojunction with intrinsic thin-layer (HIT) solar cell. Solar Energy, 2010. 84(5): p. 777-783. [8]. 王爱坤等, 梯度掺杂对太阳能电池转换 效率的影响. 半导体技术, 2003(9): 第63-64 页. [9]. 任丙彦等, N型单晶硅衬底上非晶硅/单 晶硅异质结太阳电池计算机模拟. 太阳能学 报, 2008(9): 第1112-1116页. [10]. 钟春良, 耿魁伟与姚若河, a-Si:H/c-Si异 质结太阳电池J-V曲线的S-Shape现象. 物理 学报, 2010(9): 第6538-6544页. [11]. 刘艳红与刘爱民, 带有本征薄层的异质 结太阳能电池. 半导体技术, 2010(1): 第1-7 页.