氧化硅及多晶硅对TOPCon太阳能电池性能的影响

第 44 卷第 2 期 浙江师范大学学报 ( 自然科学版 ) Vol． 44， No． 2 2021 年 5 月 Journal of Zhejiang Normal University( Nat． Sci．) May 2021  DOI: 10．16218/j．issn．1001-5051．2021．02．005 氧化硅及多晶硅对 TOPCon 太阳能电池性能的影响 * 张嘉华 ， 周理想 ， 丁月珂 ， 黄仕华 ( 浙江师范大学 物理与电子信息工程学院 ， 浙江 金华 321004) 摘 要 : TOPCon 电池采用超薄氧化硅与掺杂多晶硅对晶体硅前后表面进行钝化并实现选择性载流子输运 ， 提高了晶体硅太阳能电池的效率 ， 但其中的一些物理机理尚未完全被理解 ．从理论上模拟研究了氧化硅厚度 、 氧化硅中的介孔密度 、多晶硅掺杂浓度等参数对 TOPCon 太阳能电池性能的影响 ．结果表明 : 电池的性能随着 氧化硅厚度的增加呈先缓慢提升后急剧下降的趋势 ， 当氧化硅厚度为 1．2 nm 时 ， 电池的转换效率最大 ; 氧化 硅厚度太大会降低载流子的隧穿概率 ， 厚度太薄使得界面钝化效果变差 ; 如果氧化层中有合适的针孔密度 ， 如 10 －4 ～10 －6 ， 复合电流占主导地位 ， 器件仍能获得大于 24%的效率 ; 当氧化硅中介孔密度大于 10 －2 时 ， 氧化硅的 钝化效果变差且与厚度无关 ; 多晶硅层的重掺杂是获得高效率 TOPCon 电池的前提 ， 而且重掺杂降低了电池 性能对氧化硅厚度的敏感性 ． 关键词 : TOPCon 太阳能电池 ; 隧穿氧化层 ; 钝化接触 ; 数值模拟 中图分类号 : TK514 文献标识码 : A 文章编号 : 1001-5051( 2021) 02-0148-08 The influence of silicon oxide and polysilicon on the performance of TOPCon solar cells ZHANG Jiahua， ZHOU Lixiang， DING Yueke， HUANG Shihua ( College of Physics and Electronic Information Engineering， Zhejiang Normal University， Jinhua 321004， China) Abstract: TOPCon solar cells used ultra-thin silicon oxide and doped poly-crystalline silicon to passivate the front and back surfaces of crystalline silicon and realize selective carrier transport， which improved the effi- ciency of crystalline silicon solar cells， but some of the physical mechanisms had not been fully understood． The effects of thickness of silicon oxide， pinhole density in silicon oxide and doping concentration of poly-crys- talline silicon on the performance of TOPCon solar cells were studied theoretically． The simulation results showed that the device performance increased slowly with the increase of the thickness of silicon oxide， and then deteriorated rapidly; When the thickness of silicon oxide was 1．2 nm， the device efficiency reached the highest; If the thickness of silicon oxide was too thin， the carrier tunneling probability reduced; If the thick- ness of silicon oxide was too thin， the interface passivation effect worsened; If there was a suitable pinhole density in the oxide layer， such as 10 －4 ～10 －6 ， the recombination current was dominant， and the device still a- chieved more than 24% efficiency; When the pinhole density of silicon oxide was greater than 10 －2 ， the passi- vation effect of silicon oxide became worse and seemed independent on the thickness; Heavy doping of polysili- con layer was the premise of obtaining high efficiency TOPCon solar cells， and heavy doping reduced the sen- * 收文日期 : 2020-09-10; 修订日期 : 2020-10-28 基金项目 : 国家重点研究发展计划资助项目 ( 2018YFB1500102) 作者简介 : 张嘉华 ( 1996—) ， 男 ， 甘肃徽县人 ， 硕士研究生 ．研究方向 : 硅基太阳能电池 ． 通信作者 : 黄仕华 ．E-mail: huangshihua@ zjnu．cn sitivity of battery performance to the thickness of silicon oxide． Key words: TOPCon solar cells; tunneling oxide; passivated; numerical simulation 0 引 言 制约传统晶体硅 ( c-Si) 太阳能电池效率进一步提高的关键因素是在金属电极和硅之间的界面处载流子 复合造成的损失 ， 解决此问题的传统方法是使用局部接触 ， 如钝化发射极背接触 ( passivated emitter and rear cell， PEＲC) 电池 ， 钝化发射极背面局部扩散 ( passivated emitter and rear locally-diffused， PEＲL) 电池 ．然而 ， 这些 局部接触结构增加了制造技术的复杂性 ， 并使横向传输成为设计太阳能电池的关键因素 ．目前最典型的解决 示例是使用超薄氧化硅 ( SiO x ) /多晶硅 ( poly-Si) 钝化接触的隧穿氧化物钝化接触 ( tunnel oxide passivating contacts， TOPCon) 太阳能电池 ［ 1］ ．而使用硅基材料作为钝化接触的本征非晶硅钝化 ( heterojunction with intrinsic thin-layer， HIT) ) 和 TOPCon 电池的性能最为突出 ， 其最高转换效率分别达到 26．6%和 25．7% ［ 1-2］ ， 这足以证明 钝化接触在晶体硅太阳能电池应用方面的巨大潜力 ． 目前关于 TOPCon 电池的研究工作大多数基于实验研究 ［ 3-7］ ， 由于实验中一些关键参数存在相互耦 合 ， 所以在实验上往往很难弄清楚这些关键参数是如何影响电池的性能 ， 而利用器件模拟可以很方便地研 究氧化硅厚度及多晶硅的掺杂浓度对电池性能的影响 ．另外 ， 在器件模拟中可以引入介孔密度 ( D ph ) 来表 征氧化硅中的缺陷密度 ， 研究氧化硅中针孔密度对器件性能的影响 ．在本文中 ， 为了更好地理解和优化 TOPCon 电池 ， 也为实验工艺提供参数支持 ， 笔者用 AFOＲS-HET 软件数值模拟的方法研究了器件参数 ， 如 氧化层厚度 、针孔密度 、多晶硅掺杂浓度等对 TOPCon 电池性能的影响 ， 探索了 TOPCon 电池优良的表面钝 化和载流子收集的途径 ， 这些研究结果将有助于进一步了解和设计具有隧穿氧化物钝化的太阳能电池 ． 1 器件结构与参数设定 利用 AFOＲS-HET 数值计算程序对具有 TOPCon 的晶体硅太阳能电池进行理论模拟研究 ．它是基于 泊松方程 、电子和空穴输运方程 ， 采用有限差分求解不同条件下 ( 如平衡模式 、稳态模式等 ) 的一维半导 体方程 ， 并且利用 Lambert-Beer 定律的光学模型并考虑带间复合 、Shockley-Ｒead-Hall 复合 、俄歇复合 ， 计 算电子 -空穴对的产生与复合 ， 界面电流利用漂移扩散模型或热电子发射模型计算 ． 泊松方程如下 : d 2 V( x) d 2 x = q ε ［ p( x) + N D ( x) － n( x) － n D ( x) － N A ( x) + p A ( x) ］ ． ( 1) 式 ( 1) 中 : x 是位置坐标 ; dV( x) /dx 是电场强度 ; q 是电子电量 ; ε 是介电常数 ; p( x) 是价带中空穴浓度 ; N D ( x) 是施主杂质浓度 ; N A ( x) 是受主杂质浓度 ; n( x) 是导带中电子浓度 ; n D ( x) 是施主能级上电子浓 度 ; p A ( x) 是受主能级上空穴浓度 ． 电流连续性方程为 － 1 q dj n ( x) dx = G n ( x) － Ｒ n ( x) ; 1 q dj p ( x) dx = G p ( x) － Ｒ p ( x) ．        ( 2) 式 ( 2) 中 : G n ( x) 和 G p ( x) 分别是电子和空穴的产生率 ; Ｒ n ( x) 和 Ｒ p ( x) 分别是电子和空穴的复合率 ; j n ( x) 和 j p ( x) 分别是电子和空穴的电流密度 ， 可表示如下 : j n ( x) = qμ n n( x) dE n F ( x) dx ( ) ; j p ( x) = qμ p p( x) dE p F ( x) dx ( ) ．        ( 3) 941第 2 期 张嘉华 ， 等 : 氧化硅及多晶硅对 TOPCon 太阳能电池性能的影响 式 ( 3) 中 : μ n 和 μ p 分别是电子和空穴的迁移率 ; E n F ( x) 和 E p F ( x) 分别是电子和空穴的准费米能级 ． 在 AFOＲS-HET 2．5 版本中 ， 增加了计算 2 个半导体层之间或金属与半导体层之间的隧穿电流的功 能 ， 不需要在器件结构中插入额外的隧穿层 ， 将隧穿层近似为 “膜 ”来处理 ， 该膜可修正半导体 /隧穿层 界面处的电流 ， 因此 ， 特别适用于模拟具有 TOPCon 结构的太阳能电池 ［ 8］ ．由于 2 个半导体异质结处的 带间不连续导致的价带或导带尖峰的隧穿 ， 产生了如下的界面电流 J int : J int = A * T 2 ( 1 + δ Yang ) n i N C， i － n 2 N C， 2 e － ΔE C k B T ( ) ． ( 4) 式 ( 4) 中 : A * 是 2 种半导体的理查森常数的最小值 ; T 是温度 ; n i 和 N C， i 分别是材料 i( i =1， 2) 中的电子 浓度和导带有效态密度 ; ΔE C 是界面处的导带偏移量 ; k B 是玻尔兹曼常数 ; δ Yang 项包括沿靠近界面的所 图 1 TOPCon 太阳能电池结构 考虑能带的所有能量的隧穿概率 ， 可由下式表达 : δ Yang = e E C ( 0 + ) k B T k B T ∫ E C ( 0 + ) E min T( E) e － E x k B T dE． ( 5) 式 ( 5) 中 : E C ( 0 + ) 是界面右侧的导带边能量 ; E min 是允许在导带中隧穿 的最小能量 ; T( E) 是能量为 E 的电子隧穿势垒的概率 ．TOPCon 太阳能 电池结构为 Ag/TCO/p + -poly-Si/SiO x /n-c-Si/SiO x /n + -poly-Si/Ag． 如图 1 所示 ， 其中 TCO 为透明导电氧化物 ， 在这里笔者采用 ZnO， p + -poly-Si 和 n + -poly-Si 分别表示重掺杂的 p 型和 n 型多晶硅 ， 载流子 在氧化硅层中的输运采用热电子发射模型和隧穿模型 ， 假设前后电极 与多晶硅接触为金属 － 半导体接触 ， 而且为平带结构 ．表 1～表 3 给出了 数值模拟的基本器件参数 ， 默认参数来源于文献 ［ 8-10］ ．模拟太阳光源 为 AM1．5， 光强为 100 mW/cm 2 ， 温度为 25 ℃．当器件的结构和相应的 参数设定以后 ， 首先进行热平衡状态下的迭代计算 ， 以便对器件参数 进行初始化赋值 ， 如果器件的结构或相应的参数设置不合理 ， 迭代计算结果不一定会收敛 ， 这时需要重新调整 参数 ， 直至收敛 ．在完成初始化以后进行在光照和外加电压下的稳态计算 ， 同样 ， 如果外部条件设置不合理 ， 迭 代计算结果也不一定会收敛 ， 这时也需要调整外部参数以达到收敛 ． 表 1 TOPCon 电池的模拟参数设置 参 数 p + -poly-Si n-c-Si n + -poly-Si 厚度 /nm 30 3×10 5 30 相对介电常数 11．9 11．9 11．9 禁带宽度 /eV 1．032 1．124 1．032 光学带隙 /eV 1．032 1．032 1．032 电子亲和能 /eV 4．05 4．05 4．05 有效导带状态密度 /cm －3 4．8×10 18 2．8×10 19 4．8×10 18 有效价带状态密度 /cm －3 4．5×10 18 2．7×10 19 4．5×10 18 电子迁移率 /( cm 2 ·V －1 ·s －1 ) 169．8 1 250 73．36 空穴迁移率 /( cm 2 ·V －1 ·s －1 ) 47．16 450．10 155．60 C( 施主 ) /cm －3 0 5×10 15 10 17 ～10 20 C( 受主 ) /cm －3 10 20 0 0 电子热运动速率 /( cm·s －1 ) 10 7 10 7 10 7 空穴热运动速率 /( cm·s －1 ) 10 7 10 7 10 7 密度 /( g·cm －3 ) 2．328 2．328 2．328 电子俄歇复合系数 /( cm 6 ·s －1 ) 2．2×10 －31 2．2×10 －31 2．2×10 －31 空穴俄歇复合系数 /( cm 6 ·s －1 ) 5．0×10 －32 5．0×10 －32 5．0×10 －32 直接复合系数 /( cm 6 ·s －1 ) 0 0 9．5×10 －15 051 浙江师范大学学报 ( 自然科学版 ) 2021 年 表 2 缺陷层设置 缺陷层设置 p + -poly-Si n-c-Si n + -poly-Si 缺陷类型 中性 中性 中性 能级分布 单一 单一 单一 电子俘获横截面 10 －14 10 －14 10 14 空穴俘获横截面 10 －14 10 －14 10 －14 体缺陷密度 /( cm －3 ·eV －1 ) 10 14 10 8 10 12 缺陷位置 /eV E v +0．56 E v +0．56 E v +0．56 注 : E v 为材料的价带能量 ． 表 3 SiO 2 层参数设置 参 数 SiO 2 电子的理查森常数 /( A·cm －2 ·K －2 ) 9．56 空穴的理查森常数 /( A·cm －2 ·K －2 ) 9．56 厚度 /nm 0～2．0 电子亲和能 /eV 1．0 禁带宽度 /eV 8．9 介孔密度 0～1．0 相对介电常数 3．9 热电子发射和隧穿有效电子质量 0．98 热电子发射和隧穿有效空穴质量 0．49 半导体 /绝缘层电子有效质量 1/0．6 半导体 /绝缘层空穴有效质量 0．5/0．2 注 :“介孔密度 ”是指介孔的面积与整个钝化层的面积之比 ． 2 模拟结果与分析 为了考察氧化硅对晶体硅的钝化作用 ， 选择了 2 个没有氧化硅钝化的参考电池 ［ Ｒef( a) 与 Ｒef( b) ］ 作为对比 ， Ｒef( a) 电池结构为 TCO/p + -poly-Si/n-c-Si/Ag; Ｒef( b) 电池结构为 TCO/p + -poly-Si/n-c-Si/ n + -poly-Si/Ag．图 2 给出了 TOPCon 电池和 2 个参考电池的电流 -电压 ( I-V) 特性的模拟结果 ， 3 个电池采 用的模拟参数是相同的 ．Ｒef( b) 电池性能高于 Ｒef( a) 电池 ， 其原因是增加了背表面重掺杂的 n + -poly-Si 层 ， 形成了背部的反射场 ， 由于能带弯曲阻挡了少子 ( 空穴 ) 向背面的移动 ， 而多子 ( 电子 ) 则可以通过高 掺杂的 n + -poly-Si 层到达背部电极 ， 减少了载流子在电池背表面的复合 ．Ｒef( b) 电池的开路电压 ( V OC ) 、 短路电流 ( J SC ) 、填充因子 ( F F ) 和转换效率 ( E ff ) 分别为 656．4 mV， 39．09 mA/cm 2 ， 0．84 和 21．49%， 分别 比 Ｒef ( a) 电池提高了 43．8 mV， 3．33 mA/cm 2 ， 0．01 和 3．35%． 图 2 TOPCon 电池及没有氧化硅钝 化的参考电池的 I-V 特性 从图 2 可以看出 ， 具有氧化硅双面钝化功能的 TOP- Con 电 池 的 V OC ， J SC ， F F 和 E ff 均 为 最 高 ， 分 别 达 到 729．8 mV， 39．98 mA/cm 2 ， 0．86 和 24．98%．TOPCon 电池 与具有背场功能的 Ｒef ( b) 电池相比 ， J SC 只增加了 0．89 mA/cm 2 ， 增幅为 2．3%， 而 V OC 增加了 73．4 mV， 增幅 达到了 11．2%， 这说明氧化硅对晶体硅前后表面的钝化 可以大幅减少载流子在电池前后表面的复合 ， 增加电池 的开路电压 ， 从而提升电池的效率 ．下面将详细分析氧化 硅和重掺杂多晶硅对 TOPCon 电池的影响 ． 2．1 氧化硅厚度 为了模拟氧化硅的厚度对 TOPCon 电池性能的影响 ， 氧化硅的介孔密度 D ph 设为 0， 氧化硅与晶体硅之间界面 151第 2 期 张嘉华 ， 等 : 氧化硅及多晶硅对 TOPCon 太阳能电池性能的影响 态密度为 0， 背场层 ( n + -poly-Si) 的掺杂浓度为 1×10 20 cm －3 ．图 3 给出了氧化硅厚度对 TOPCon 电池性能的 影响 ， 随着厚度的增加 ， V OC 快速增加 ， 然后基本保持不变 ．当氧化硅厚度为 1．2 nm 时 ， V OC 达到最大值 738．1 mV．另外 3 个电池参数 J SC ， F F 和 E ff 随氧化硅厚度的变化趋势基本一致 ， 随厚度递增先缓慢增大然后迅速 减小 ．当氧化硅厚度为 1．2 nm 时 ， J SC 和 E ff 分别达到最大值 42．02 mA/cm 2 和 26．8%， 这说明 TOPCon电池中 氧化硅的厚度存在一个最佳值 ( 1．2 nm) ．当氧化硅厚度大于 1．2 nm 时 ， 电池的效率开始急剧下降 ．实验结果 表明 ， TOPCon 电池中 SiO x 的最佳厚度为 1．5 nm ［ 11-13］ ， 这与我们模拟得到的 SiO x 最佳厚度为 1．2 nm 基本 相吻合 ．下面笔者将从能带 、电子及空穴浓度的角度出发给出进一步的分析 ． 图 3 不同 SiO x 厚度对 TOPCon 电池的 V oc ， J sc ， F F ， E ff 的影响 图 4 给出了 TOPCon 电池的能带和电子及空穴的浓度随氧化硅厚度的变化关系 ．当不存在 SiO x 时 ， 其电 子准费米能级 ( E n F ) 在 SiO x 与 n-c-Si 界面之间出现了轻微的不连续 ， 这种不连续几乎很难对多数载流子 ( 电 子 ) 造成影响 ．但是当插入 SiO x 薄层时 ， p + -poly-Si/n-c-Si 界面出现了很明显的电子准费米能级的不连续性 ．在 开路的条件下 ， 载流子的净复合率等于净产生率 ．氧化物的插入会阻止 n-c-Si 中的多子流向前表面与空穴复 合 ， 这在一定程度上降低了 n-c-Si 与 p + -poly-Si 和前电极的复合 ．另外 ， n-c-Si 中的电子浓度大于空穴 ， 在高复 合区域存在较少的电子浓度 ．正是因为存在电子准费米能级的不连续性才导致了在 SiO x 与 n-c-Si 之间复合速 率的降低 ．从图 3 中可以进一步发现 ， 随着 SiO x 厚度的增大 ， 这种电子准费米能级的不连续就更加明显 ， 较厚 的 SiO x 促进了电子和空穴的积累同时扩大了电子准费米能级的间距 ， 这有利于提高电池的开路电压 ．另一方 面 ， 当 SiO x 厚度从 0．6 nm 增大至 1．2 nm 时 ， 电子准费米能级间距却没有增大 2 倍 ， 这归结于漏电流密度大大 降低 ， 也就是说不是 SiO x 越厚 ， 能级不连续间距就越大 ， 这正是 SiO x 厚度存在最佳值的原因 ．从图 4 可以看 到 ， 在 n-c-Si 中的电子和空穴浓度基本是接近的 ， 但还是电子浓度大于空穴浓度 ， 表明电子尽管在前界面处不 易隧穿 SiO x ， 但是后界面处容易隧穿 ．同时 ， 空穴没有形成准费米能级的不连续性 ， 前表面的空穴容易隧穿 ， 而 后表面对空穴则形成一定的阻碍 ， 这都表明钝化效果体现在载流子的输运上 ， 也就是钝化界面态作用 ． 图 4 不同 SiO x 厚度下 TOPCon 电池的能带及电子和空穴浓度 251 浙江师范大学学报 ( 自然科学版 ) 2021 年 2．2 氧化硅介孔密度 在氧化硅为理想情况下 ， 氧化硅厚度对 TOPCon 电池性能起到了关键的作用 ， 但是在实际的氧化硅 生长过程中 ， 由于生长方法 ( 如热氧化法 、硝酸氧化法 、等离子体化学气相沉积法等 ) 的不同 ， 氧化硅中 存在不同程度的缺陷 ， 而这些缺陷对载流子在氧化硅中的隧穿和对硅表面的钝化效果将会产生重要影 响 ， 因此 ， 这里引入氧化硅的介孔密度 ( D ph ) 表征氧化硅中的缺陷密度 ．根据 Peibst 等 ［ 14］ 的透射电子显 微镜 ( TEM) 的实验观测结果 ， 半径为 2 nm 的氧化硅区域内的针孔实际面密度为 10 5 ～10 10 cm －2 ．由此可 以推算氧化硅的实际体密度为 5 ×10 11 ～5×10 16 cm －3 ， 相应的实际 D ph 为 10 －11 ～10 －6 ．载流子在分布有介孔 密度的氧化硅体内的隧穿 ， 本质上是载流子在二维空间上的输运 ， 但是在氧化硅为几个 nm 的厚度情况 下 ， 可以把这种载流子二维输运近似为一维输运来处理 ．当 D ph 低于 10 －6 时 ， 最高的 V OC 可达到约 740 mV， 如图 5 所示 ， 这表明低的介孔密度对 V OC 几乎没有影响 ．当 D ph 介于 10 －6 ～10 －4 时 ， 对 V OC 影响也 可以忽略不计的 ．但是 ， 当 D ph 从 10 －4 增大到 1．0 时 ， V OC 从 740 mV 急剧减少到 657 mV， 接近没有氧化硅 钝化时的 V OC 值 ． 图 5 也给出了 D ph 对 TOPCon 电池 J SC 的影响 ， D ph 从 10 －12 增大到 10 －6 的过程中 ， 当氧化硅厚度为 0．6 nm 时 ， J SC 保持为 40．0 mA/cm 2 几乎没有变化 ， 然而 ， 当氧化硅厚度为 1．2 nm 时 ， J SC 从 46．2 mA/cm 2 显著 降低到 38．8 mA/cm 2 ， 这已经低于没有氧化硅钝化时器件的 J SC ．这表明氧化硅的厚度越大 ， 介孔密度对 短路电流的影响越大 ， 氧化硅的介孔密度越大 ， 器件的钝化效果越差 ， 器件的漏电流增大 ．当介孔密度大 于 10 －2 时 ， 介孔密度对短路电流的影响已经与氧化硅厚度无关了 ．从图 4 中的器件效率与氧化硅的介孔 密度的变化关系可以看出 ， 当 D ph 大于 10 －6 时 ， 氧化硅厚度为 1．2 nm 的器件效率最高 ; D ph 介于 10 －6 ～ 10 －2 时 ， 氧化硅厚度为 0．6 nm 的器件效率最高 ; D ph 大于 10 －2 时 ， 器件效率大于没有氧化硅钝化的效率 ， 且氧化硅厚度无关 ． 图 5 氧化硅介孔密度 ( D ph ) 对 TOPCon 电池 V OC ， J SC 和 E ff 的影响 351第 2 期 张嘉华 ， 等 : 氧化硅及多晶硅对 TOPCon 太阳能电池性能的影响 图 6 氧化硅中的隧穿电流和针孔导致的 局部复合电流的模型 对于晶体硅与多晶硅之间具有隧穿氧化物的载 流子选择性钝化接触而言 ， Peibst 等 ［ 14-15］ 指出 ， 通过 界面氧化物层的隧穿并不是载流子输运的唯一机 制 ， 而是局部电流输运和横向均匀隧穿的共存 ．在器 件的高温或长时间退火过程中 ， 界面氧化层局部发 生开裂 ， 形成所谓的氧化针孔 ［ 16-17］ ．图 6 给出了氧化 硅中的隧穿电流和针孔导致的局部复合电流的模型 示意图 ， 由于重掺杂多晶硅中掺杂剂的扩散 ， 在晶体 硅中靠近氧化硅界面的区域形成了高掺杂区 ， 针孔 导致多晶硅与晶体硅直接接触形成高复合电流 ( J rec ) ， 另外电子从多晶硅直接隧穿通过氧化硅形成 隧穿电流 ( J tun ) ．当氧化硅厚度大于 1．2 nm时 ， 界面钝 化效应不会增加 ， 但隧穿概率会减少 ．当氧化层中没 有针孔时 ， 随着氧化层厚度的增加 ， 器件的效率会下 降 ．但是 ， 如果氧化层中有合适的针孔密度 ， 如 10 －4 ～ 10 －6 ， 那么复合电流占主导地位 ， 器件仍能获得大于 24%的效率 ． 2．3 多晶硅掺杂浓度 图 7 给出了多晶硅 ( n + -poly-Si 和 p + -poly-Si) 掺杂浓度对具有不同厚度的氧化硅厚度的 TOPCon 电 池性能的影响 ．对于氧化硅厚度固定的器件而言 ， 随着多晶硅掺杂浓度的增加 ， 器件的开路电压和效率 增加 ．多晶硅掺杂浓度固定时 ， 随着氧化硅厚度的增加 ， 器件的开路电压和效率也增加 ．当多晶硅掺杂浓 度大于 10 18 cm －3 、氧化硅厚度大于 1．0 nm 时 ， 器件的开路电压随着多晶硅掺杂浓度的增加而出现饱和 ， 此时氧化硅厚度对开路电压的影响不大 ．当 n + -poly-Si 和 p + -poly-Si 的掺杂浓度达到 10 20 cm －3 、氧化硅厚 度为 1．2 nm 时 ， 器件的开路电压为 737 mV， 效率为 29．3%．对于传统的 p-n 结 c-Si 太阳能电池 ， 发射层 的掺杂浓度越高 ， 耗尽区的内建电场越大 ， 减少了光生载流子在 c-Si 界面的积累 ．从 p-n 结的另一侧注 入的少数载流子的数目仅仅是处于热平衡的少数载流子的数目 ．降低少数载流子浓度可以减少复合 ， 而 提高掺杂浓度可以使少数载流子浓度最小化 ．然而 ， 高掺杂会导致载流子扩散长度的减少 ， 从而增加载 流子复合 ．因此 ， 在传统的 p-n 结 c-Si 太阳电池中 ， 存在一个最佳的发射层掺杂浓度 ．由于 TOPCon 太阳 电池中 p + 或 n + 多晶硅层的厚度只有 30 nm， 因此不会出现没有高掺杂浓度导致扩散长度减小的现象 ．此 外 ， p + 或 n + 多晶硅层中的高掺杂会增加电子或空穴在氧化硅中的隧穿概率 ．因此 ， 多晶硅层的掺杂浓度 越高 ， TOPCon 太阳能电池的开路电压和效率就越高 ． 图 7 多晶硅掺杂浓度对 TOPCon 电池的 V OC 和 E ff 的影响 451 浙江师范大学学报 ( 自然科学版 ) 2021 年 3 结 论 利用 AFOＲS-HET 研究了氧化层厚度 、氧化层针孔密度 、多晶硅掺杂浓度等器件参数对 TOPCon 太 阳能电池性能的影响 ．在不考虑氧化层针孔密度的情况下 ， 随着氧化层厚度的增加 ， TOPCon 电池的效率 先增大后减小 ， 当氧化层厚度为 1．2 nm 时 ， 器件的效率最高 ．氧化硅厚度太大会降低载流子隧穿概率 ， 氧化硅太薄使得界面钝化效果变差 ．然而 ， 氧化层中存在合适的针孔密度 ， 如 10 －4 ～10 －6 ， 复合电流占主 导地位 ， 器件仍能获得大于 24%的效率 ．当氧化硅中介孔密度大于 10 －2 时 ， 氧化硅的钝化效果变差 ．对于 具有隧穿氧化层钝化接触的晶体硅太阳电池 ， 在合适的针孔密度下 ， 存在局部电流输运和横向均匀隧穿 共存 ， 复合电流占主导地位 ， 导致器件效率与氧化层厚度无关 ．多晶硅层的重掺杂是获得高效率 TOPCon 电池的前提 ， 而且重掺杂降低了电池性能对氧化硅厚度的敏感性 ． 参考文献 : ［ 1］ ＲICHTEＲ A， BENICK J， FELDMANN F， et al．n-Type Si solar cells with passivating electron contact: identifying sourcesfor efficiency limitations by wafer thickness and resistivity variation［ J］ ．Solar Energy Material and Solar Cells， 2017， 173: 96-105． ［ 2］ YOSHIKAW K， YOSHID W， IＲIE T， et al．Exceeding conversion efficiency of 26% by heterojunction interdigitated back contact solar cell with thinfilm Si technolog［ J］ ．Solar Energy Material and Solar Cells， 2017， 173: 37-42． ［ 3］ LOZACH M， NUNOMUＲA S， MATSUBAＲA K．Double-sided TOPCon solar cells on textured wafer with ALD SiO x layer［ J］ ．Solar Energy Mate- rial and Solar Cells， 2020， 207: 110357． ［ 4］ WANG Q Q， WU W P， YUAN N Y， et al．Influence of SiO x film thickness on electrical performance and efficiency of TOPCon solar cells［ J］ ．So- lar Energy Material and Solar Cells， 2020， 208: 110423． ［ 5］ ALLEN T G， BULLOCK J， YANG X B， et al．Passivating contacts for crystalline silicon solar cells［ J］ ．Nature Energy， 2019， 4: 914-928． ［ 6］ KALE A S， NEMETH W， GUTHＲEY H， et al．Understanding the charge transport mechanisms through ultrathin SiO x layers in passivated con- tacts for high-efficiency silicon solar cells［ J］ ．Applied Physics Letter， 2019， 114: 083902． ［ 7］ GAO T， YANG Q， GUO X Q， et al．An industrially viable TOPCon structure with both ultra-thin SiO x and n + -poly-Si processed by PECVD for p-type c-Si solar cells［ J］ ．Solar Energy Material and Solar Cells， 2019， 200: 109926． ［ 8］ VAＲACHE Ｒ， LEENDEＲTZ C， GUEUNIEＲ-FAＲＲET M E， et al．Investigation of selective junctions using a newly developed tunnel current model for solar cell applications［ J］ ．Solar Energy Material and Solar Cells， 2015， 141: 14-23． ［ 9］ FELDMANN F， BIVOUＲ M， ＲEICHEL C， et al．Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells providing high interface passiva- tion quality and excellent transport characteristics［ J］ ．Solar Energy Material and Solar Cells， 2014， 120: 270-274． ［ 10］ FELDMANN F， BIVOUＲ M， ＲEICHEL C， et al．Tunnel oxide passivated contacts as an alternative to partial rear contacts［ J］ ．Solar Energy Ma- terial and Solar Cells， 2014， 131: 46-50． ［ 11］ ＲICHTEＲ A， BENICK J， FELDMANN F， et al．n-type Si solar cells with passivating electron contact: identifying sources for efficiency limita- tions by wafer thickness and resistivity variation［ J］ ．Sol Energy Mater Sol