10001587_高效PERC太阳电池数值模拟与损失分析

学术论文交流主题：A． 晶体硅材料及太阳电池 高效 PERC 太阳电池数值模拟与损失分析 吴伟梁 1，朱彦斌 1，陈海钧 1，肖文明 1，胡亚洲 1，杨灼坚 1，陶龙忠 1,2 1 江苏润阳悦达光伏科技有限公司，盐城 224000 2 苏州润阳光伏科技有限公司，昆山 215335 摘要： 本文研究了工业级 PERC 太阳电池性能及损失分析，并针对效率为 21.6%的太阳电池进行数值模拟， 最终提出提升策略。针对 SiONx 硅片背面的钝化性能进行研究，发现 J0,rear surface 在最大功率点处的值达到 了 40 fA/cm2。并且采用光学模拟软件：OPAL2、金属栅线模拟软件： Grid、发射极及背场复合模拟软件： EDNA2、器件模拟软件：Quokka，针对行业中的研究热点进行数值模拟，发现硅片体寿命在 500 us 以下 时，电池效率的最大值出现在硅片电阻率为 1 Ω.cm 处。 1. 研究背景与内容 2016 年，PERC (Passivated emitter and rear cells)电池全球产量达到了 7.9 GW。到 2017 年，将达到 20 GW 的产线装机容量和 14 GW 的产量。2016 年，天合国家重点实验室，通过对 PERC 电池表面钝化、扩 散、金属化等工艺的优化，在 6 英寸的单晶硅片上制备出了转换效率高达 22.61%的 PERC 电池。主要是 通过对高效单晶 PERC 电池进行电阻、复合损失分析，得到最大功率点处的电阻与复合损失 [1]。2016 年， 德国 ISFH (Institute for Solar Energy Research Hamelin) 研究所，针对 PERC 电池效率极限效率进行分析， 发现在工业基础上可以提升到 25% [5]，同时 PERC 电池也是制造成本相对较低的一种高效电池技术，因此 PERC 电池的产业化研究对光伏的发展具有非常重要的意义。 限制晶体硅 PERC 太阳电池效率的主要因素包括：一、发射极的表面及体区复合。不仅影响电池正面 效率，同时对双面率也具有很大的影响。采用低表面磷掺杂浓度，可以有效降低钝化膜区域的表面复合速 率，提高电池开路电压，但是低表面掺杂浓度，会引起 Ag/Si 接触电阻率的增加。因此，如何去平衡发射 极钝化区域与金属接触区域的表面复合和接触电阻率，成为技术上的一个挑战；二、硅片电阻率与体寿命。 主要是电阻率越低体电阻越小，但是由于掺杂浓度的增加，会导致 B-O 复合增加，同时增加了俄歇复合， 因此如何获得最佳电阻率和体寿命成为重要研究课题；三、背面钝化膜的性能。本文研究了新型钝化膜 SiONx 的钝化性能，最终电池获得了较高的 VOC 值。 首先针对数值模拟软件作简要的说明，具体过程概括如下：首先得到光生载流子在硅片内部的分布， 而后进行器件的模拟，包括金属电极的串联电阻、硅片体电阻、电池各个区域的接触电阻与复合，然后进 行网格化，求解空间耦合方程。数值模拟精度主要取决于从实验中提出的光学与电学参数，所建立的物理 模型网格的数量。本文所采用的模拟软件包括： 光学模拟软件：OPAL2，Wafer ray tracer。用于模拟电池的前表面光学反射、吸收、光子逃逸、硅衬 底表面结构、背面膜吸收等光学性能。能够得到晶体硅太阳电池的光学损失以及光生载流子在硅片内部的 分布，为数值模拟的第一步。 金属栅线模拟软件：Grid。主要是用于模拟太阳电池前表面金属栅线的遮光百分比、串联电阻、金属 栅线的界面形状及银铝浆料的耗量，也可以模拟 IBC 太阳电池的金属栅线串联电阻，为电路模拟部分。 发射极及背场复合模拟软件：EDNA2。主要是分析热扩散或离子注入制备的发射极及背场，包括掺 杂区域的表面复合、体区复合及自由载流子的吸收。其物理模型包含了，掺杂原子的电离与非电离状态， 同时能够对电池的能带结构进行分析。 器件模拟软件：Quokka。需要对晶体硅太阳电池的选择性发射极(Selective emitter, SE)的轻掺区域 SRH 表面复合速率参数 Sp 进行提取，还需要对提取出重掺区域的未激活磷原子浓度，以及 BSF 区域中 Al-O 复合系数。相比于 Sentaurus 模拟软件，Quokka 模拟不包含空间电荷区域，会低估载流子穿过 p-n 结耗尽层时所产生的内部串阻的损失。 2. 研究结果与讨论 2.1 PERC 电池结构 图 1 PERC 电池结构图 如图 1 所示，电池采用电阻率为 2 Ω.cm，156 × 156 mm2, 硼掺杂的 Cz 硅片。背面采用酸抛光工艺， 发射极采用 100 Ω/sq 的方阻，PECVD 沉积 SiONx 钝化硅片背表面， PECVD 沉积前后表面的氮化硅，单 面 PERC 电池是背面采用全铝浆料印刷。 2.2 SiONx 钝化性能研究 图 2 SiONx 对硅片背面钝化性能 如图 2 所示，四组样品是采用高电阻率硅片，双面抛光清洗后，双面沉积 SiONx，测试 Sinton 得到的 背表面复合电流密度与注入浓度的关系。可以发现在低注入浓度时，J 0,rear surface 随着注入浓度的增加而增 加，在高注入浓度时，随着注入浓度增加而降低，主要是在高注入浓度时硅片中的俄歇复合增加。在数值 模拟时，我们通常取 Vmpp 时的注入浓度，发现 J0,rear surface 达到了 40 fA/cm2。 2.3 硅片电阻率与体寿命对电池性能的影响 图 5 硅片电阻率与少子寿命的关系 采用 Quokka2 对 PERC 太阳电池进行数值模拟，硅片体寿命在 500 us 以下时，电池效率的最大值出 现在硅片电阻率为 1 Ω.cm 处。因此建议硅片电阻率分选时，按照1 Ω.cm、 1-1.5 Ω.cm、1.5-2 Ω.cm 来分为三个档位。开路电压最大值出现在电阻率为Ω.cm 处，进一步降低电阻率，硅片俄歇复合增 加，导致开路电压急剧降低；（与 Dr. Aihua Wang -PERL 电池制备的博士论文报导一致） 。电阻率从 Ω.cm 下降到Ω.cm，如果体寿命保持不变，短路电流密度下降约 0.5 mA/cm2；并且在相同电阻率 时，体寿命越高其短路电流密度越大，电阻率从Ω.cm 下降到Ω.cm，填充因子可以从 79.8%提升 到 80.4%。 3. 结论 PECVD 沉积 SiONx 作为背面钝化膜可以降低背面复合，同时我们针对 PERC 太阳电池的硅片电阻率 和体寿命进行数值模拟研究，发现硅片体寿命在 500 us 以下时，电池效率的最大值出现在硅片电阻率为 1 Ω.cm 处，而目前行业内的 p 型硅片的体寿命在 250 至 300us，因此需要进一步降低硅片体区的缺陷态密 度和杂质密度。 参考文献 [1] Kranz C, Wolpensinger B, Brendel R, et al. Analysis of local aluminum rear contacts of bifacial PERC+ solar cells[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2016, 6(4): 830-836. [2] Dullweber T, Kranz C, Peibst R, et al. PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2016, 24(12): 1487-1498. [3] Krauß K, Fertig F, Greulich J, et al. biPERC silicon solar cells enabling bifacial applications for industrial solar cells with passivated rear sides[J]. physica status solidi (a), 2016, 213(1): 68-71. [4] Hwang M, Kim S, Lee K, et al. Fine and high aspect ratio front electrode formation for improving efficiency of the multicristalline silicon solar cells[C]//25th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2010: 1792-1795. [5] Kranz C, Petermann J H, Dullweber T, et al. Simulation-based efficiency gain analysis of 21.2%-efficient screen-printed PERC solar cells[J]. Energy Procedia, 2016, 92: 109-115. 作者简介： 姓名：吴伟梁 博士 主要研究方向：高效晶体硅太阳电池器件物理与工艺 通讯作者联系方式：180 2241 9809，Email: wuwl@runergy.cn 通信地址：盐城市经济开发区润阳悦达光伏科技有限公司 邮政编码：224000