局域非晶硅发射极的晶硅异质结太阳电池模拟研究

局域非晶硅发射极的晶硅异质结太阳电池模拟研究 汇报人： 王俊仕 南昌大学物理与材料学院 南昌大学光伏研究院 Content 目录 01 研究背景及意义 03 结果与讨论 02 物理模型和模拟参数 04 结论 1 01 研究背景和意义 2 一、研究背景和意义 • 目前氢化非晶硅 /晶体硅异质结 太阳电池是光伏领域中的一个研 究热点 ， 其中氢化非晶硅层带来 的 寄生吸收 一直没有得到有效地 解决 • Holman等人从理论上证明 ， 通过 减少寄生吸收 ， 异质结太阳电池 的相对效率可以 提高 5%以上 • 硅基异质结太阳电池中使用叉指 背接触技术 ， HIT+IBC电池结构非 常复杂 • 具有 局域 p-n结 的新型非晶硅 /晶 体硅异质结太阳电池 （ a-Si:H/c-Si heterojunction with localized p–n structure， 简称 HACL电池 ） 研究背景和意义 3 HIT太阳电池 HBC太阳电池 02 2.1 物理模型 2.2 模拟参数 物理模型与模拟参数 4 二、物理模型与模拟参数 器件模型 该器件结构是一种 局域非晶硅发射极的晶硅异质结 双面 太阳电池 结构 。 以 n型晶体硅片为 基底 。 5 发射极面 发射极 -导电区 本征非晶硅钝 化层 重掺杂 p型非晶 硅层 金属栅线 钝化 -进光区 重掺杂 n型晶体 硅场钝化层 SiNx钝化减反 射层 发射极面 背电场面 二、物理模型与模拟参数 器件模型 （ a） HACL电池的结构示意图 ；（ b） HACL电池俯视图 • 钝化 -进光区和导电区之间插 入一层 绝缘层 以对这两个区域 进行绝缘处理 。 • 钝化进光区域和导电区域交叉 分布不重叠 。 6 二、物理模型与模拟参数 物理模型 • 研究使用的是 Silvaco TCAD 软件的 ATLAS器件仿真模块 • 仿真方法是基于 泊松方程 和 电子、空穴连续性方程 。 ()d i v    = − 1 n n n n div J G R tq  = + −  𝜕𝑝 𝜕𝑡 = − 1 𝑞𝑑𝑖𝑣𝐽𝑝 +𝐺𝑝 −𝑅𝑝 7 二、物理模型与模拟参数 物理模型 8 a-Si:H带隙 态密度 类受主态 指数带尾态 高斯带隙态 类施主态 指数带尾态 高斯带隙态 二、物理模型与模拟参数 模拟参数与模拟条件 模拟中使用的主要参数 • 数值计算方法为 Newton迭代法 和 Gummel迭代法 • 物理模型 ： Shockley-Read-Hall (SRH) 复合模型 、 俄歇复合模型 （ auger） 、 光学复合模型 （ optr） 掺杂浓度相关 的迁移率模型 （ conmob） ， 重掺杂 导致的带隙变窄模型 (bgn)。 • 光照条件为 AM1.5G， 100mW/cm2， 考虑 双面 面进光 ， 温度为 300K。 9 材料参数 /单位 a-Si:H(p+) a-Si:H(i) a-Si:H(n+) c-Si(n) c-Si(n+/p+) 厚度 /nm 10 10 10 1.5*105 20 电子亲和势 /eV 3.8 38 3.8 4.05 4.05 带隙 /eV 1.72 1.72 1.72 1.12 1.12 介电常数 11.9 11.9 11.9 11.9 11.9 导带有效态密度 /cm-3 2.5*1020 2.5*1020 2.5*1020 2.8*1019 2.8*1019 价带有效态密度 /cm-3 2.5*1020 2.5*1020 2.5*1020 1.04*1019 1.04*1019 电子迁移率 /cm2.v-1.s-1 10 20 10 1350 1350 空穴迁移率 /cm2.v-1.s-1 2 5 2 450 450 施主浓度 /cm-3 0 0 1*1019 3*1015 1*1018 受主浓度 /cm-3 6*1018 0 0 0 1*1018 03 3.1 钝化进光区和绝缘层宽度对HACL电池性能的影响 3.2 发射极宽度对 HACL电池性能的影响 3.3 钝化进光区掺杂浓度对 HACL电池性能的影响 3.4 基底 掺杂浓度 对 HACL电池性能的影响 结果与讨论 3.5 优化后的电池性能 10 三、结果与讨论 3.1钝化进光区和绝缘层宽度对 HACL电池性能的影响 以绝缘层宽度为 第二参数 ，模 拟钝化进光区宽度对电池各项 性能的影响 11 三、结果与讨论 3.1钝化进光区和绝缘层宽度对 HACL电池性能的影响 • SiNx绝缘层的宽度变化对电池的开路电压， 填充因子影响较小 。 • 在绝缘层宽度较小时（ 1μm） ,短路电流 密 度 对钝化进光区的宽度变化比较敏感 • 当钝化进光区宽度为 1200μm，绝缘层宽度 为 100μm时，电池取得最大转换效率。 12 三、结果与讨论 3.1钝化进光区和绝缘层宽度对 HACL电池性能的影响 钝化进光区 绝缘层 发 射 极 区 HACL电池发射极面附近电势电场图 钝化进光区和绝缘层的宽度选取要平 衡光吸收面积增大带来的增益和载流 子横向输运距离增大带来的复合损耗。 13 高低 结 朝向 基底 电场 光生 少子 驱离 基底 表面 横向 输运 收集 三、结果与讨论 3.2发射极宽度对 HACL电池性能的影响 发射极宽度对 HACL电池性能的影响 发射极面附近不同区域光生载流子的产生率 • 发射极覆盖的基区 光生载流子的产 生率低 • 发射极宽度增加 ， 短路电流密度下 降。 • 发射极宽度增加，串联电阻减小， 填充因子增加。 14 三、结果与讨论 3.3钝化进光区掺杂浓度 对 HACL电池性能的影响 15 ⚫ 除了在高掺杂处短路电流密度下降的幅度有所不同， 其他性能参数变化趋势几乎是一样的 。 ⚫ 短路电流密度一开始略有上升，随后基本保持不变 ， 当掺杂浓度比较高时，短路电流密度开始下降 ⚫ 开路电压 先 缓慢上升 后 快速 下降 ⚫ 填充因子 先 略有下降 后 快速上升 ⚫ 转化效率先 缓慢上升随后快速下降 发射极面钝化进光区掺杂浓度和背电场面钝化进光区 掺杂浓度对 HACL电池性能的影响 三、结果与讨论 3.3钝化进光区掺杂浓度 对 HACL电池性能的影响 16 不同掺杂浓度下发射极面钝化进光区附近的俄歇复合速率、电 场强度，其中 X轴 0到 0.02范围是重掺杂钝化进光区 ⚫ 随着掺杂浓度的提高，钝化进光区的俄歇复 合速率迅速提高，重掺杂的钝化进光区与基 底形成的高低结处的电场强度也迅速增大 。 ⚫ 高低结处的电场强度增大可以更好的反射光 生载流子，从而减少表面复合 ⚫ 当钝化进光区的掺杂浓度变得很高时，钝化 进光区的 俄歇复合 开始对电池的性能产生比 较大的影响 三、结果与讨论 3.4基底掺杂浓度 对 HACL电池性能的影响 基底掺杂浓度变化对 HACL电池影响 • 短路电流密度 随基底 掺杂 浓度增大而 减小 • 开路电压 随基底掺杂浓度升高而略微 下降 • 填充因子 一开始 随掺杂浓度的增大而 增大 ，后面 略微下降 。 • 转换效率 ，数值上呈现先上升后下降 17 三、结果与讨论 3.4基底掺杂浓度 对 HACL电池性能的影响 不同基底掺杂浓度下基底的光生载流子的复合率、产生率 • 从图（ a）可以看到， 随着基底掺杂 浓度的提高 ，除了靠近迎光面部分区 域，基底大部分区域的 光生载流子复 合率都提高 ， • 而从图 (b)可以看到， 光生载流子的产 生率不随基底掺杂浓度的提高而提高 ， 那么在基底的光生载流子 数量相对变 少。 18 三、结果与讨论 3.5参数优化后的电池性能 经初步模拟优化的参数有： 当钝化 进光区、绝缘层和发 射极区的面积比为 12:1:2，前 后钝化进光区掺杂浓度 （ 3*1018 cm-3 ）， 基底掺杂 浓度（ 4*1016 cm-3） 。 19 04 结论 20 四、结论 1、 钝化进光区宽度主要通过影响短路电流密度来影响转 换效率，较窄的绝缘层宽度是优化钝化进光区宽度取得最 佳转换效率的前提 。 2、 电池的转换效率随着钝化进光区宽度、发射极宽度、 钝化进光区掺杂浓度、 基底掺杂浓度的数值增加都呈现先 上升后下降的规律 。 3、 优化后钝化进光区、绝缘层和发射极区的面积比为 12： 1： 2， 钝化进光区掺杂浓度为 3*1018cm-3 ，基底掺杂浓度 取 4*1016cm-3；在仍有优化空间的情况下 HACL电池的转换 效率达到 28.07% 利用 ATLAS软件建立了一 种 局域非晶硅发射极的晶 硅异质结太阳电池 （ a- Si:H/c-Si heterojunction with localized p-n structure， HACL）模型，模拟了 钝化 进光区宽度、绝缘层宽度、 发射极宽度、 前后钝化进 光区掺杂浓度、 电池基底 的掺杂浓度 对 HACL电池的 影响 结果表明 21 谢谢大家 敬请各位老师指导 ！