聚光背结背接触太阳电池衬底电阻率和光强的优化研究

周 涛，陆晓东，吴元庆，李 媛



聚光背结背接触太阳电池衬底电阻率和光强的优化研究

周 涛，陆晓东，吴元庆，李 媛

（渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000）

利用TCAD半导体器件仿真软件对中低倍聚光光伏系统中应用的N型插指背接触(Interdigitated Back Contact，IBC)单晶硅太阳电池的电学性能进行了仿真研究，全面系统地分析了不同衬底电阻率和光强对电池短路电流密度、开路电压、填充因子及转换效率的影响。结果表明：IBC太阳电池的电学性能受到衬底电阻率和光强的显著影响。当光强较小（0.1 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率随之降低，最优的衬底电阻率为0.5 Ω·cm。当光强较高（0.5~5 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率随之增大，最优的衬底电阻率为3 Ω·cm。当光强进一步增大（10~50 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率呈现出先增大后减小的变化特点，最优的衬底电阻率为2 Ω·cm。

背接触；太阳电池；光强；衬底电阻率；串联电阻损耗；转换效率

聚光光伏发电是利用聚光的形式使太阳电池在较高的光强条件下工作，可实现在使用相同太阳电池的情况下，提高太阳电池的转换效率，输出更多的电能，降低光伏发电的成本，因此聚光光伏发电具有良好的应用前景。由于在聚光光伏系统的总价格中，太阳电池的价格只占10%，因此选择高效太阳电池可以大大降低光伏发电成本[1-2]。电池效率越高，发电成本降低就越明显。不论是实验室研制，还是产业化大规模生产，目前应用于线性聚光的中低倍聚光光伏系统中最有效的硅单结太阳电池是插指背结背接触（IBC）太阳电池[1-2]。IBC太阳电池的结构特点是发射区及所有金属电极均位于电池背表面，完全消除了栅线电极对入射光的遮蔽损耗，提高了太阳电池短路电流。由于电极接触不在太阳电池前表面，因此不需要在前表面制备重掺杂区来降低接触电阻。轻掺杂的前表面可降低光生载流子的表面复合速率。由于所有金属电极都位于电池背面，因此可通过优化电极尺寸来降低金属电极串联电阻，无需考虑遮蔽损耗。IBC太阳电池是目前唯一可以用于聚光的商品化的高效单晶硅太阳电池。2004年Amonix公司研制的IBC太阳电池在聚光条件下的转换效率已高达27.6%（电池面积为1 cm2，聚光比为92（92 suns），太阳光谱为AM 1.5D，测试温度为25 ℃），是迄今为止聚光硅电池所达到的最高效率[3]。

外部光照条件、温度及电池结构参数均会对应用于聚光条件下的IBC太阳电池的电学性能产生影响。其中光强(in)和衬底电阻率()会影响聚光IBC电池的串联电阻功率损耗，进而影响聚光IBC电池的转换效率。越大，IBC电池串联电阻越大，in一定时，IBC电池串联电阻损耗越大。虽然降低可降低电池的串联电阻，但会增大光生载流子的复合损耗[4]，不利于IBC电池转换效率的提高；增大in可提高IBC电池输出光电流，但同时会增大IBC电池的串联电阻损耗，制约了IBC电池效率的提高。因此，为进一步改善聚光IBC太阳电池的电学性能，需要对in和进行精细的设计和优化。目前，尽管关于IBC太阳电池结构优化设计及电学性能研究的文献报道有很多，但是针对入射光光强与衬底电阻率对聚光IBC太阳电池电学性能影响的研究尚鲜见报道[5-14]。本文利用TCAD半导体器件仿真软件对中低倍聚光N型IBC单晶硅太阳电池的电学性能进行了仿真研究，全面系统地分析了不同衬底电阻率和入射光光强对短路电流密度、开路电压、填充因子及转换效率的影响。并给出在一定入射光强情况下的最优衬底电阻率。本文仿真结果可为聚光IBC太阳电池设计及制备提供有意义的参考。

1 IBC太阳电池结构的计算模型及参数选择

利用TCAD半导体器件仿真软件建立IBC太阳电池单元结构，如图1所示。具体参数为[12-16]：N型单晶硅衬底厚度为180 μm，少子寿命为1 ms，衬底电阻率为变量，变化范围为0.5~3 Ω·cm。电池单元宽度为1 000 μm。N型背表面场半宽度为150 μm，表面掺杂浓度为3×1019cm–3，扩散深度为1 μm，杂质分布呈高斯分布。发射区与背表面场间隔为75 μm。P+发射区半宽度为775 μm，表面浓度为5×1019cm–3，结深为1 μm，杂质分布呈高斯分布。阴极和阳极接触孔半宽度均为75μm。N型前表面场表面掺杂浓度为5×1017cm–3，扩散深度为2 μm，杂质分布呈高斯分布。电池上表面采用金字塔结构和氮化硅单层减反射膜。金字塔高度为3 μm，侧壁与与水平方向夹角为54.7°。氮化硅减反射膜厚度为79 nm，中心波长（550 nm）的折射率为2.05。电池上表面由氮化硅钝化，表面复合速率为1.5×104cm/s 。下表面非金属接触区域表面复合速率为1×103cm/s ，金属电极接触区域硅表面复合速率为1×107cm/s。假设电池并联电导为0。

载流子复合率和迁移率是影响载流子输运的两个重要参数，其模型选择对仿真结果影响较大。仿真过程中，复合模型考虑了与掺杂浓度相关的单一复合中心的间接复合（SRH复合）和俄歇复合；迁移率模型考虑了与温度、掺杂浓度、横向及纵向电场对载流子迁移率的影响。另外还考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应和能带简并效应。模拟测试条件为：25 ℃，AM1.5G光谱，入射光垂直电池上表面入射，光强为0.1~50 W/cm2。

图1 聚光IBC太阳电池单元结构

2 结果与讨论

2.1 短路电流密度

图2为计算得到的不同衬底电阻率和光强对IBC太阳电池短路电流密度SC的影响。由图2可见：当入射光强一定时，衬底电阻率越大，IBC太阳电池短路电流密度越大；当衬底电阻率一定时，短路电流密度基本上与入射光强呈线性关系，入射光强越大，短路电流密度越大。原因为：衬底电阻率越大，少子空穴扩散系数越大，少子扩散长度越大，光生载流子复合损耗越小，IBC太阳电池短路电流密度越大。太阳电池短路电流密度由光生载流子数量决定，而光生载流子数量正比于单位时间内入射的能量大于禁带宽度的光子数和入射光强。因此，短路电流密度与入射光强呈线性关系。

2.2 开路电压

图3为计算得到的不同衬底电阻率和光强对IBC太阳电池输出~曲线的影响。由图3可见：当光强在0.1 ~1 W/cm2范围内变化，在一定光强的情况下，衬底电阻率越大，IBC太阳电池开路电压OC越小。当光强在1~50 W/cm2范围内变化，在一定光强的情况下，衬底电阻率对电池开路电压的影响较小，此时具有不同衬底电阻率的IBC太阳电池的开路电压几乎相同。原因为：太阳电池开路电压可表示为[17]：

(a)Pin=0.1~10 W/cm2；(b)Pin=10~50 W/cm2

式中，0为太阳电池反向饱和电流。L为太阳电池光生电流。为与发射区掺杂浓度相关的常数。由式(1)可知，太阳电池开路电压主要由光电流与反向饱和电流的比值决定，L/0越大，太阳电池开路电压越大。IBC太阳电池发射区少子电子饱和电流0n和衬底少子空穴饱和电流0p可表示为[17]：

式中：E为发射区掺杂浓度；B为衬底掺杂浓度。n为少子电子扩散系数；p为少子空穴扩散系数。n为衬底厚度；p为发射结结深；n为发射结空间电荷区在衬底一侧的扩展宽度；p为发射结空间电荷区在发射区一侧的扩展宽度；E为发射结面积；B为发射区表面非金属接触区域复合速率。随着光强的增大，衬底中激发产生的光生载流子数量随之增多，太阳电池输出光电流L亦随之增大。当光生载流子数量增大到一定值时，衬底电阻率将受到来自光生载流子的“电导调制效应”的影响[18]。光强越大，衬底掺杂浓度越低，光生载流子的电导调制效应越显著（发射区由于重掺杂，电导调制效应不显著）。由于受到光生载流子浓度的影响，衬底掺杂浓度的有效值大于原始衬底掺杂浓度B，可降低衬底中的少子空穴饱和电流。当入射光强较小（0.1 ~1 W/cm2）时，光生载流子电导调制效应并不显著。原始衬底掺杂浓度越低（电阻率越高），IBC太阳电池反向饱和电流越大，L0越小，IBC太阳电池的开路电压越小。当入射光强较大（1~50 W/cm2）时，光生载流子电导调制效应对衬底有效掺杂浓度的影响较显著。在电导调制作用下，衬底的有效掺杂浓度差别较小，衬底反向饱和电流几乎相等。因此，在一定的光强情况下，具有不同衬底电阻率的IBC太阳电池的开路电压差别较小。

2.3 填充因子

由图3可见：当光强一定时，衬底电阻率越大，IBC太阳电池填充因子FF越小；当衬底电阻率一定时，光强在0.1~0.5 W/cm2范围内变化时，IBC太阳电池填充因子随光强的增大而减小。当光强在0.5 ~1 W/cm2范围内变化时，IBC太阳电池填充因子随光强的增大而增大。而当光强在1~50 W/cm2范围内变化时，IBC太阳电池填充因子随光强的增大而减小。即随着光强的增大，IBC太阳电池填充因子呈现出先减小，然后增大，最后再次减小的变化特点。原因为：填充因子主要与太阳电池的串联电阻损耗有关[1]，串联电阻损耗越大，太阳电池填充因子越小。串联电阻损耗主要由输出电流与电池串联电阻的乘积决定。当光强一定时，太阳电池输出电流值一定。电池衬底电阻率越大，串联电阻越大，串联电阻损耗越大，IBC太阳电池填充因子越低。当衬底电阻率一定且光强在0.1~0.5 W/cm2范围内时，由于光强较小，衬底中激发产生的光生载流子数量较少，衬底受光生载流子电导调制效应的影响不明显，衬底串联电阻主要由原始单晶硅掺杂浓度决定。随着光强的增大，IBC太阳电池输出电流增大，从而导致IBC太阳电池串联电阻损耗增加，电池填充因子减小。当光强在0.5~1 W/cm2范围内时，衬底中激发产生的光生载流子数量增多，在光生载流子的电导调制效应作用下，衬底串联电阻值降低。随着光强的增大，虽然电池的输出电流随之增大，但衬底串联电阻值的降低对串联电阻损耗的影响更为显著，从而使得串联电阻损耗随着光强的增大而减小，IBC太阳电池填充因子随着光强的增大而增大。当光强在1~50 W/cm2范围时，虽然较高的光强使得光生载流子的电导调制效应更加显著，衬底串联电阻值得以进一步降低。但同时较高的光强使得电池的输出电流大幅度提高，其对IBC太阳电池串联电阻损耗产生的影响更为显著。串联电阻损耗随着光强的增大而增大，IBC太阳电池填充因子随着光强的增大而减小。

2.4 转换效率

由图3可见：当光强较小（0.1 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率ff降低。当光强较大（0.5~5 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率随之增大。当光强进一步增大（10~50 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率先增大后减小。原因为：太阳电池转换效率可表示为[1]：

式中：in为单位面积入射光光强。IBC太阳电池的短路电流密度、开路电压和填充因子的乘积越大，电池转换效率越高。当光强较小（0.1 W/cm2）时，随着衬底电阻率的增大，虽然电池短路电流密度随之增大，但电池的串联电阻损耗和反向饱和电流也随着衬底电阻率的增大显著增大，导致IBC太阳电池的填充因子和开路电压显著降低。因此，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率降低。当光强较大（0.5~5 W/cm2）时，衬底中激发产生的光生载流子数量较多，IBC太阳电池短路电流密度较大。衬底受到光生载流子电导调制效应的影响较显著，降低了衬底的串联电阻，从而在一定程度上补偿了由于输出电流增大对IBC太阳电池串联电阻损耗所造成的不利影响。随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池短路电流密度的提高成为影响电池转换效率的主要因素，因此，随着衬底电阻率的增大，IBC太阳电池转换效率随之增大。当光强进一步增大（10~50 W/cm2）时，光生载流子电导调制效应对衬底电阻率的影响更加显著，使得电池开路电压几乎不受原始衬底电阻率的影响。随着光强的增大，短路电流密度有较大幅度的提升，但同时将增大太阳电池的串联电阻损耗，降低了太阳电池的填充因子，对太阳电池转换效率的提高产生不利影响。当衬底电阻率较小（0.5~2 Ω·cm）时，短路电流密度的提高成为影响电池转换效率的主要因素，随着衬底电阻率的增大，电池转换效率增大。当衬底电阻率较高（3 Ω·cm）时，填充因子的降低成为影响电池转换效率的主要因素，随着衬底电阻率的增大，电池转换效率降低。

(a)Pin=0.1 W/cm2；(b) Pin =0.5 W/cm2；(c) Pin =1 W/cm2；(d) Pin =5 W/cm2；(e) Pin =10 W/cm2；(f) Pin =50 W/cm2

3 结论

利用仿真技术详细地分析了在不同光强条件下，N型单晶硅衬底电阻率对聚光电池电学性能的影响。结果表明光强和衬底电阻率共同决定了电池衬底的有效电阻率，对电池光生载流子的浓度、复合损耗以及衬底串联电阻损耗产生影响，进而对电池的短路电流、开路电压、填充因子和转换效率产生显著的影响。因此，应根据实际应用中聚光电池的光强条件，对衬底电阻率进行精细的优化，选择具有合适电阻率的单晶硅片。本文仿真结果可为聚光IBC太阳电池设计及制备提供有意义的参考。

[1] MARKVART T, CASTANER L. 太阳电池: 材料、制备工艺及检测[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[2] 韩新月, 屈健, 郭永杰. 聚光太阳电池及其研究进展[J].半导体光电, 2015, 36(4): 527-532.

[3] ZUBI G, BERNAL-AGUSTÍN J L, FRACASTORO G V. High concentration photovoltaic systems applying III–V cells [J]. Renewable Sustainable Energy Rev, 2009, 13(9): 2645-2652.

[4] 周涛, 赵洋, 陆晓东, 等. N型背接触晶硅太阳电池前表面场研究[J]. 电子元件与材料, 2015, 34(4): 14-18.

[5] BATOUL B, ABDELLATIF Z. Optimal design of buried emitter of EWT silicon solar cells type by numerical simulation [J]. Energy Procedia, 2014(44): 126-131.

[6] GIUSEPPE G, VALENTIN D, RAZVAN R, et al. Large-area back-contact back-junction solar cell with efficiency exceeding 21% [J]. IEEE J Photovoltaics, 2013, 3(1): 560-565.

[7] HILALI M M, HACKE P, GEE J M. Two-dimensional modeling of EWT multicrystalline silicon solar cells and comparison with the IBC solar cell[C]//IEEE World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. New York:IEEE, 2006: 1299-1303.

[8] KIM D S, MEEMONGKOLKIAT V, EBONG A, et al. 2D-modeling and development of interdigitated back contact solar cells on low-cost substrates [C]// IEEE World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. New York: IEEE, 2006: 1417 - 1420.

[9] LU M, DAS U, BOWDEN S, et al. Rear surface passivation of interdigitated back contact silicon heterojunction solar cell and 2D simulation study [C]// IEEE Photovoltaic Specialists Conference. New York: IEEE, 2008: 1-5.

[10] ZHANG W. Optimization of metal coverage on the emitter in n-type interdigitated back contact solar cells using a PC2D simulation [J]. Chin Phys Lett, 2013, 30(7): 8801-8805.

[11] FRANKLIN E, FONG K, MCINTOSH K, et al. Design, fabrication and characterisation of a 24.4% efficient interdigitated back contact solar cell [C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference. New York: John Wiley & Sons Ltd, 2014: 2556-2572.

[12] PADILLA M, HOFFLER H, REICHEL C, et al. Surface recombination parameters of interdigitated-back-contact silicon solar cells obtained by modeling luminescence images [J]. Solar Energy Mater Solar Cells, 2014, 120(1): 363-375.

[13] TOBIAS O, UDO R, YEVGENIYA L, et al. High fill-factors of back-junction solar cells without front surface field diffusion [C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference. New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2012: 866-869.

[14] RENSHAW J, ROHATGI A. Device optimization for screen printed interdigitated back contact solar cells [C]//IEEE Photovoltaic Specialists Conference. New York: IEEE, 2011: 002924 - 002927.

[15] CASTANO F J, MORECROFT D, CASCANT M, et al. Industrially feasible >19% efficiency IBC cells for pilot line processing[C]//IEEE Photovoltaic Specialists Conference. New York: IEEE, 2011: 001038-001042.

[16] 邹凯, 和江变, 李健, 等. 物理冶金多晶硅太阳电池叠层钝化减反射结构模拟[J]. 电子元件与材料, 2015, 34(6): 28-32.

[17] 熊绍珍, 朱美芳. 太阳能电池基础与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

[18] 陈星弼, 张庆中. 晶体管原理与设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.

（编辑：陈丰）

Optimization of substrate resistivity and light intensity of concentrator back junction back contact solar cell

ZHOU Tao, LU Xiaodong, WU Yuanqing, LI Yuan

(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China)

The electrical properties of N-type interdigitated back contact mono-crystalline silicon solar cell used in medium and low CPV systems were studied by using TCAD semiconductor device simulation software. The influences of substrate resistivity and light intensity on IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency were studied comprehensively and systematically. The research shows that the IBC solar cell’s electrical properties are affected by the substrate resistivity and light intensity significantly. When the light intensity is low (0.1 W/cm2), the IBC solar cell conversion efficiency decreases with the increase of substrate resistivity,andthe optimum substrate resistivity is 0.5 Ω·cm.When the light intensity is higher (0.5~5 W/cm2), the IBC solar cell conversion efficiency increases with the increase of substrate resistivity,and the optimum substrate resistivity is 3 Ω·cm. When the light intensity increases further (10~50 W/cm2), the IBC solar cell conversion efficiency presents first increases and then decreases with the increase of resistivity substrate, and the optimum substrate resistivity is 2 Ω·cm.

back contact；solar cell；light intensity；substrate resistivity；series resistance losses；conversion efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.007

TM914.4

A

1001-2028（2016）07-0027-05

2016-04-05

周涛

国家自然科学基金资助项目（No. 11304020）

周涛（1983－），男，辽宁葫芦岛人，讲师，主要从事高效晶硅太阳能电池和功率半导体器件相关技术方面的研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com 。

2016-07-01 10:47:55

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1047.006.html