体缺陷性质对晶硅电池暗I-V特性的影响

2016-10-24陆晓东王泽来张金晶

电子元件与材料 2016年10期

陆晓东，宋扬，王泽来，赵洋，张金晶

体缺陷性质对晶硅电池暗特性的影响

陆晓东，宋扬，王泽来，赵洋，张金晶

（渤海大学新能源学院，辽宁锦州 121000）

采用有限差分法等方法研究了晶硅材料体内不同类型缺陷对晶硅电池暗特性的影响。研究表明：晶硅电池暗特性的自然对数曲线可分为三个基本区域；随受主型、施主型和复合中心型缺陷密度的增加，电池的开路电压、短路电流、填充因子和效率等参数均发生退化；在反向偏压下，受主型缺陷的密度增加，不会引起不同偏压下晶硅电池暗电流的明显变化，但施主型和复合中心型缺陷密度大于某阈值时，会引起各偏压下晶硅电池暗电流出现明显变化；在正向偏压下，受主型缺陷可很好地保持晶硅电池暗特性曲线基本性质，但施主型和复合中心型缺陷密度大于某阈值时，会导致晶硅电池暗特性曲线的性质发生明显变化。

晶硅电池；有限差分法；晶体缺陷；暗特性曲线；理想因子；总电流密度

无光照条件下的特性被称作晶硅电池的暗特性。与光照条件下的特性相比，晶硅电池的暗特性缺少了光生载流子的产生环节，所以其可反映出不同偏压和注入水平下，晶硅电池内影响载流子输运过程各机制的基本性质。正因如此，借助暗特性的测试和仿真研究提高晶硅电池效率的途径，一直是晶硅电池领域的研究热点[1-2]。

与晶硅电池内的载流子输运过程密切相关的暗特性，受多种材料性质的影响。研究表明[3-4]：杂质离子、晶体缺陷、表面悬键等均是影响晶硅电池暗特性的关键因素。在仿真晶硅电池暗特性时，普遍采用双二极管模型进行[5-6]。在这一模型中，利用两个等效的二极管模型分别与晶硅电池内的扩散电流和产生/复合电流关联，采用经验公式描述影响暗电流的产生和复合的机制，并将这些经验公式引入到两个二极管模型中，从而实现对影响晶硅电池暗特性各机制的研究。此外，由于双二极管模型引用的经验公式多假设电池结构参数空间均匀分布，但理论和实验均证明：晶硅电池的结构参数一般呈空间不均匀分布状态[7-9]，所以双二极管模型是一种与实际电池结构存在明显偏离的理想模型，其计算的特性曲线与晶硅电池实测的特性曲线之间存在较大差异。

目前，基于双二极管模型对缺陷性质研究的重点集中在如何使计算的特性曲线接近实测特性。由于以经验公式为基础及忽略了电池结构参数的空间分布性质，所以其模型仅能对缺陷性质进行简单的研究，其结论往往为定性结论，如：晶硅片的少子寿命越高，成品电池的暗电流越小[7]；偏置电压对暗电流的大小具有明显影响[4]；沾污离子浓度越高，暗电流越明显[8]等。

实际上，严格求解实际电池结构的输出参数应通过求解半导体器件基本方程实现。目前，半导体器件基本方程的仿真主要用于研究光照条件下晶硅电池输出参数的仿真方面[10-11]，对晶硅电池缺陷和暗特性的研究还很少。本文利用本组开发的求解半导体器件基本方程的有限差分法程序[11-12]研究体缺陷性质对晶硅电池暗特性的影响。研究过程中考虑三种基本的体缺陷类型对暗特性的影响，即类施主型缺陷、类受主型缺陷和类复合中心型缺陷。

1 电池结构、工艺参数和体缺陷态模型

1.1 电池模型

图1中给出了典型的晶硅电池二维结构，其主要结构单元包括：有源层（c-Si）、双面金字塔织构结构、增透膜（ARC）、钝化层（PL）、阴极（Ag cathode）和阳极（Al anode）。在图1中，、1、2、3分别表示织构结构的高度、PL层厚度、Al电极厚度和ARC厚度；、0、1分别表示周期长度、Al电极接触孔长度和Ag电极接触孔的长度；+2表示有源层厚度。在仿真过程中，选取晶硅电池常用的结构参数[13-14]，即=8mm，1=100 nm，2=200 nm，3=70 nm，=184mm，=10mm，0=1mm，1=0.5mm，其中2+=200mm是晶硅电池的常用厚度。晶硅电池常采用前表面扩磷制作PN结，后表面扩硼制作背场。两种扩散的工艺条件为[15-17]：P型晶硅片，前表面扩散时，温度为900℃，扩散时间20 min；后表面扩散时，温度为900℃，扩散时间5 min。