不同表面复合速率情况下IBC太阳电池发射区半宽度研究

周　涛,陆晓东,吴元庆,李　媛

(渤海大学新能源学院，锦州　121000)



不同表面复合速率情况下IBC太阳电池发射区半宽度研究

周涛,陆晓东,吴元庆,李媛

(渤海大学新能源学院，锦州121000)

利用TCAD半导体器件仿真软件对N型插指背接触(Interdigitated Back Contact，IBC)单晶硅太阳电池发射区半宽度进行研究，全面系统地分析了在不同背表面复合速率的情况下，发射区半宽度对IBC太阳电池短路电流密度(JSC)、开路电压(VOC)、填充因子(FF)及转换效率(Eff)的影响。结果表明：随着背表面复合速率的增大，对于不同发射区半宽度的情况，IBC太阳电池JSC、VOC、FF及Eff均显著降低。当背表面复合速率一定时，发射区半宽度越大，JSC、VOC越高，而FF越低。随着发射区半宽度的增大，IBC太阳电池Eff呈现先增大后减小的变化特点。当背表面复合速率较小(50～500 cm/s)时，最优的发射区半宽度为800 μm。当背表面复合速率较高(≥5000 cm/s)时，最优的发射区半宽度为1200 μm。

背接触； 太阳电池； 发射区； 半宽度； 表面复合速度

1　引　言

N型插指背结背接触(Interdigitated Back Contact，IBC)太阳电池是转换效率最高的电池结构之一。由于IBC单晶硅太阳电池在光吸收、电极收集效率及电极接触特性方面的性能均优于传统P型单晶硅太阳电池，其已成为单晶硅电池领域的研究热点[1,2]。美国sunpower公司可进行IBC太阳电池的大规模生产，目前产业化IBC电池的转换效率可达到22%[3]。2014年，sun power公司宣布在实验室研制的大面积(125×125 mm2)IBC太阳电池转换效率达到25%，这是目前已报道效率最高的N型单结大面积单晶硅太阳电池[4]。

为进一步提高IBC太阳电池的转换效率，需要对IBC太阳电池的结构参数和工艺条件进行精细的设计和优化。由于发射区结构参数对IBC太阳电池的光生载流子复合损耗及串联电阻损耗产生影响，因此从理论上深入研究发射区结构参数对IBC太阳电池输出特性的影响，对提高IBC太阳电池转换效率具有重要意义。目前，尽管关于N型IBC太阳电池结构优化设计的文献报道有很多，但是针对IBC太阳电池发射区结构参数研究与优化的文献尚报道较少[5-8]。

由于IBC太阳电池内部光生载流子的输运属于二维运动，因此PC1D、AMPS-1D等一维太阳电池仿真软件不适用于IBC太阳电池的仿真研究。而在半导体器件研究领域广泛应用的TCAD半导体器件仿真软件具有物理模型准确且针对性好、器件结构设定精细等优点[7-10]，已经越来越多的应用于太阳电池工艺和器件性能的仿真研究。本文利用TCAD半导体器件仿真软件对N型IBC太阳电池发射区横向结构参数进行了仿真研究。全面系统地分析了发射区半宽度对IBC太阳电池短路电流密度、开路电压、填充因子及转换效率的影响。由于发射区、背表面场及电极均位于IBC太阳电池的背表面，背表面速率会对光生载流子的输运及收集效率产生影响。因此，在对具有不同发射区半宽度的IBC太阳电池进行输出特性仿真时，考虑了电池背表面复合速率的影响。本文仿真结果可为IBC太阳电池结构设计提供有意义的参考信息。

2　IBC太阳电池结构的计算模型及参数选择

图1　IBC太阳电池单元结构Fig.1　IBC solar cell unit structure

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[11-14]：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2 Ω·cm。电池单元宽度为1000 μm。N型背表面场半宽度为150 μm，表面浓度为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+发射区半宽度为变量，变化范围为400～1600 μm，表面浓度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75 μm。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[12]。电池上表面采用金字塔结构和Si3N4增透膜。金字塔高度为3 μm，侧壁与与水平方向夹角为54.7°。Si3N4厚度为79 nm。电池上表面由Si3N4钝化，表面复合速率为1.5×104cm/s[11,15]。下表面非金属接触区域表面复合速率为变量，变化范围为50～5×106cm/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。在器件仿真过程中，选用以下模型：与掺杂浓度相关的俄歇复合模型和Shockley-Read-Hall复合模型；与掺杂浓度相关的迁移率模型，重掺杂导致的带隙变窄模型。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1 000 W/m2。

3　发射区半宽度和背表面复合速率对IBC太阳电池性能的影响

3.1IBC太阳电池短路电流

图2(a)为计算得到的在不同的发射区半宽度(WE)和背表面复合速率(SB)的情况下，IBC太阳电池短路电流密度曲线。由图2(a)可见：当背表面复合速率一定时，发射区半宽度越大，IBC太阳电池短路电流密度越大。随着背表面复合速率的增大，太阳电池短路电流密度均降低。发射区半宽度越小，电池短路电流密度降低的幅度越大。原因为：太阳电池一维短路电流ISC可表示为[16]：

ISC=ISCn+ISCp

(1)

(2)

(3)

式中，ISCn表示发射区中的少子电子短路电流，ISCp表示N区中少子空穴短路电流。AE表示发射结面积。SB表示背表面复合速率。LP为基区少子空穴扩散长度，Ln为发射区少子电子扩散长度。xn表示发射结空间电荷区在基区一侧的展宽，xp表示发射结空间电荷区在发射区一侧的展宽。Wn为N型基区的厚度，Wp为发射结结深。其余参数与太阳电池的少子寿命、各区掺杂浓度及纵向结构参数相关，在分析过程中可认为常量。由式(2)、(3)可见，在一维情况下电池的光生电流和内部的总短路电流与发射结的面积成正比，即发射结面积越大，电池的总短路电流就越大。短路电流密度JSC用短路电流与太阳电池面积的比值表示。如果IBC太阳电池背表面其它区域(背表面场、背表面场与发射区间隔)的面积与发射区面积呈线性增大，则太阳电池短路电流密度将保持不变。而在本文中，随着IBC太阳电池发射区半宽度的增大，令其它区域横向尺寸保持不变。因此，当背表面复合速率一定时，随着发射区半宽度的增大，IBC太阳电池短路电流密度增大。由式(2)、(3)可知，少子空穴短路电流和少子电子短路电流均随着背表面复合速率与少子浓度乘积的增大而减小。当发射区半宽度一定时，电池内部少子空穴浓度和少子电子浓度保持不变。因此，随着背表面复合速率的增大，背表面复合速率与少子浓度的乘积增大，IBC电池短路电流密度降低。IBC电池发射区半宽度越大，发射区中积累的光生多子空穴越多，相应的少子电子浓度越低，背表面复合速率与少子浓度的乘积越小。因此，当背表面复合速率一定时，发射区半宽度越大，IBC太阳电池短路电流密度降低的幅度越小。

图2　不同发射区半宽度和背表面复合速率情况下的IBC太阳电池输出特性(a)短路电流密度；(b)开路电压；(c)填充因子；(d)转换效率Fig.2　Output characteristic of IBC solar cell under different emitter half width and back surface recombination velocity(a)the short-circuit current density；(b)the open-circuit voltage；(c)the filling factor；(d)the conversion efficiency

3.2IBC太阳电池开路电压

图2(b)为计算得到的在不同的发射区半宽度和背表面复合速率的情况下，IBC太阳电池开路电压曲线。由2(b)可见：当背表面复合速率一定时，发射区半宽度越大，IBC太阳电池开路电压越高。当发射区半宽度一定时，随着背表面复合速率的增大，开路电压随之降低。原因为：太阳电池开路电压VOC可表示为[16]：

(4)

其中，I0为太阳电池反向饱和电流。IL为太阳电池光生电流。n为与发射区掺杂浓度相关的常数。由式(4)可知，当发射区表面浓度及结深一定时，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，IL/I0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I0n和基区少子空穴饱和电流I0p可表示为[16]：

(5)

(6)

其中，NE为发射区掺杂浓度，NB为基区掺杂浓度。Dn为少子电子扩散系数，Dp为少子空穴扩散系数。由式(5)和式(6)可知，发射区半宽度越大，发射结面积AE越大，IBC太阳电池反向饱和电流越大。随着发射区半宽度的增大，IBC太阳电池光生电流IL同时也随之增大。且相比于反向饱和电流，发射区半宽度的增大对光生电流的影响更加显著。从而当背表面复合速率一定时，随着发射区半宽度的增大，光生电流与反向饱和电流的比值增大，IBC太阳电池开路电压增大。由式5可见，发射区中的少子电子饱和电流和基区中的少子空穴电流均受到IBC太阳电池背表面复合速度SB的影响(阴极、阳极均在电池背表面)。背表面复合速率越大，少子电子饱和电流和少子空穴饱和电流越大，IBC太阳电池开路电压越低。

3.3IBC太阳电池填充因子

图2(c)为计算得到的在不同的发射区半宽度和背表面复合速率的情况下，IBC太阳电池填充因子曲线。由图2(c)可见：当背表面复合速率一定时，发射区半宽度越大，IBC太阳电池的填充因子越低。当发射区半宽度一定时，随着电池背表面复合速率的增大，IBC太阳电池填充因子随之降低。原因为：填充因子FF主要与太阳电池的串联电阻损耗和光生载流子复合损耗有关[17]，串联电阻损耗和光生载流子复合损耗越大，太阳电池输出功率越小，填充因子越小。当发射区表面浓度及结深一定时，发射区半宽度对IBC太阳电池串联电阻损耗产生显著的影响。当发射区半宽度较大时，积累于发射区中的光生空穴，需要输运较长的距离才能到达阳极接触处。因此，发射区半宽度越大，光生空穴传输路径越长，电池串联电阻损耗越大。当发射区半宽度一定时，背表面复合速率越大，光生电子和光生空穴在输运过程中的复合损耗越大，导致IBC太阳电池的输出功率降低，填充因子减小。

3.4 IBC太阳电池转换效率

由于太阳电池转换效率Eff可表示为[17]：

(7)

其中：Pin为单位面积入射光的功率。因此，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。由上述IBC电池短路电流密度、开路电压和填充因子的计算结果可直接计算得到电池的转换效率曲线，如图2(d)所示。由图2(d)可见：随着背面复合速率的增大，对于不同发射区半宽度的情况，IBC太阳电池转换效率显著降低。当背表面复合速率一定时，随着发射区半宽度的增大，IBC太阳电池转换效率呈现先增大后减小的变化特点，即对于不同发射区半宽度的情况，转换效率均存在最大值。对于本文所讨论的四种不同的发射区半宽度，当背表面复合速率较小(50～500 cm/s)时，IBC太阳电池最大转换效率所对应的发射区半宽度为800 μm。当背表面复合速率较高(≥5 000 cm/s)时，IBC太阳电池最大转换效率所对应的发射区半宽度为1200 μm。原因为：当背表面复合速率一定时，在发射区半宽度较小(小于最大转换效率对应的发射区半宽度)的情况下，电池串联电阻损耗和光生载流子复合损耗较小。随着发射区半宽度的增大，电池填充因子降低的幅度较小。而相比于填充因子的降低，短路电流密度和开路电压的增大对IBC太阳电池转换效率的影响更为显著，因此随着发射区半宽度的增大，IBC电池效率首先呈现出增大的变化特点。当发射区半宽度较大(大于最大转换效率对应的发射区半宽度)时，太阳电池串联电阻损耗和光生载流子复合损耗对电池效率的影响显著。随着发射区半宽度的增大，电池填充因子降低较迅速。因此随着发射区半宽度的进一步增大，IBC电池效率呈现降低的变化特点。随着背表面复合速率的增大，IBC太阳电池串联电阻损耗和光生载流子的复合损耗随之增大，电池填充因子降低。为补偿填充因子的降低对太阳电池转换效率的不利影响，此时需要增大发射区半宽度来提高IBC太阳电池的短路电流密度和开路电压值。因此，IBC太阳电池最大转换效率所对应的发射区半宽度增大。

4　结　论

利用TCAD半导体器件仿真软件全面系统地分析了在不同背表面复合速率的情况下，发射区半宽度对IBC太阳电池短路电流密度、开路电压、填充因子及转换效率的影响。仿真结果表明：随着背表面复合速率的增大，IBC太阳电池短路电流密度、开路电压、填充因子及转换效率均显著降低。当背表面复合速率一定时，发射区半宽度越大，短路电流密度、开路电压越高，而填充因子越低。随着发射区半宽度的增大，IBC太阳电池转换效率呈现先增大后减小的变化特点，即对于所讨论的四种不同发射区半宽度，转换效率均存在最大值。当背表面复合速率较小(50～500 cm/s)时，IBC太阳电池最大转换效率所对应的发射区半宽度为800 μm。当背表面复合速率较高(≥5000 cm/s)时，IBC太阳电池最大转换效率所对应的发射区半宽度为1200 μm。

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Emitter Half Width of IBC Solar Cell under Different Surface Recombination Velocity

ZHOUTao,LUXiao-dong,WUYuan-qing,LIYuan

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

The emitter half width of n-Type Interdigitated Back Contact monO-crystalline silicon solar cell are studied by using TCAD semiconductor device simulation software. The influences of emitter half width on IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency under different back surface recombination velocity are studied comprehensively and systematically. The research shows that the IBC solar cell’s short-circuit current density, open-circuit voltage, filling factor and conversion efficiency were significantly reduced with the increasing of the back surface recombination velocity.Along, in the case of different emitter half width. When the back surface recombination velocity is constant, the longer the emitter half width, the greater theshort-circuit current density, the higher the open-circuit voltage, the lower the filling factor. The IBC solar cell Eff first increases then decreases with the increasing of the emitter half width. When the back surface recombination velocity is smaller(50-500 cm/s), the optimal emitter half width is 800 μm. When the back surface recombination velocity is greater(≥5000 cm/s), the optimal emitter half width is 1200 μm.

back contact；solar cell；emitter；half width；surface recombination velocity

国家自然科学基金项目(11304020)

周涛(1983-)，男，硕士，讲师.主要从事晶硅太阳能电池和功率半导体器件相关技术方面的研究.

TM914.4

A

1001-1625(2016)06-1688-05