N型IBC太阳能电池的工艺研究

何志伟，刘 丽

（商丘工学院 基础教学部，河南 商丘 476000）

N型IBC太阳能电池的工艺研究

何志伟，刘 丽

（商丘工学院 基础教学部，河南 商丘 476000）

文中主要研究的是N型IBC太阳能电池，即N型背结背接触式电池。使用silvaco TCAD软件对N型IBC太阳电池进行工艺仿真，然后对已完成的N型IBC太阳能电池结构使用silvaco TCAD软件进行器件仿真，并对相关参数进行优化，探究该种太阳能电池各方面的特性，最后与工艺仿真进行结合分析，对N型IBC太阳能电池的工艺研究进行总结整理，得出该太阳能电池的最佳工艺参数组合。

太阳能电池；N型晶体硅；背结背接触；工艺；silvacoTCAD

太阳能电池实际上就是一个大面积且不加偏压的PN结器件。该种器件通过以高效率将太阳电磁辐射的能量转化为电能长期为人类提供动力。发展至今，硅太阳能电池的应用最为广泛，光电转化效率也最高[1-3]。

目前，世界上能够量产且转化效率超过20％的太阳能光伏电池只有两种，均为N型多晶硅太阳能电池。其分别是2010年美国SunPower公司的D.D.Smith等人研制的N型IBC （Interdigitated Back Contact）单晶硅太阳能电池，这是一种背结背接触式电池，其的转化效率高达24.2％。此外，该种结构也是目前世界上可实现量产且效率最高的晶体硅电池结构之一。另一种电池就是日本Panasonic公司的HIT（Hetero-junction Intrinsic Thin-film）电池[4]。 文中所研究的N型背结背接触式太阳能电池[5-7]也是单晶硅太阳能电池，其转换效率高[8]、工艺相对简单，可实现量产并能够在各个行业均得到广泛应用。

1 N型IBC太阳能电池结构

N型IBC太阳能电池[9]是一种以N型单晶硅作为衬底，并形成一种具有背结背接触特点的新型结构太阳能电池。如图1所示，N型IBC太阳能电池衬底是均匀掺杂磷的单晶硅，在其前表面是制绒面，将其制成倒角锥体结构以获得更高的光吸收，减少光反射损失，N衬底前表面，离子注入形成一层n型掺杂的N+区，在N+层以上，形成一层氧化硅层以及一层用于减少反射损失的氮化硅。在衬底背表面，分别注入掺杂，一定区域注入磷，形成N++区，一定区域注入硼，形成P+（发射区），然后在衬底背表面淀积一层氧化物钝化层，之后在两区域分别刻蚀氧化物淀积铝从而形成阴极和阳极，再去除其他部分多余的铝。

图1 IBC太阳能电池结构

2 N型IBC太阳能电池建模仿真

2.1 工艺仿真

通过使用silvacoTCAD软件可以对N型IBC太阳能电池进行仿真建模，使用工艺仿真器ATHENA，可对N型IBC太阳能电池整个工艺流程进行仿真，从而生成最终的N型IBC太阳能电池结构。其大致步骤如下：定义网格、初始化衬底、形成N++区和P+区（发射区）、淀积钝化层、电极形成、上下表面旋转、形成N+区、淀积钝化层、结构存储。按照已设计好的电极尺寸和掺杂浓度等相关参数，通过工艺仿真器ATHENA进行工艺仿真，实现N型IBC太阳能电池结构。

2.2 器件仿真建模

一方面可直接调用工艺仿真器ATHENA生成的N型IBC太阳能电池结构，另一方面也可以使用silvacoTCAD软件中的器件仿真器ATLAS直接生成相应结构。在此使用silvacoTCAD软件器件仿真器ATLAS[10]生成N型IBC太阳能电池结构，主要分为如下4个步骤：

1）初始化网格：经划分的网格如图2所示，在y=0.03位置，网格密度极高，研究pn结空间电荷区及结深的参数提取精度便可达到较高的水平[11]。对于该N型IBC太阳能电池结构而言，其衬底单元结构宽 1 000 μm，厚度为 150 μm。

图2 pn结的仿真网格

2）定义区域和材料：在N型IBC太阳能电池结构中可定义以下7个区域：

区域1：N型衬底区域，材料定义为硅，厚度为150 μm；

区域2：背表面N++掺杂区域（BSF），材料硅；

区域3：背表面发射区，材料硅；

区域 4：前表面 N+层（FSF），材料硅；

区域5：背表面钝化层，材料为氧化硅，厚度为0.94 μm；

区域6：前表面钝化层，材料为氧化硅，厚度为1μm；

区域7：背表面外层，材料为空气。

3）电极的定义：电极宽度为80 μm，两电极之间间隙宽度为420 μm。

4）掺杂定义：各区域掺杂如下：

区域 1：衬底，N 型掺杂，均匀（uniform）分布，浓度1014cm-3；

区域 2：N++区，N 型掺杂，高斯（gaussian）分布，浓度 1021cm-3；

区域 3：P+区，P 型掺杂，高斯（gaussian）分布，浓度 2×1021cm-3；

区域 2：N+区，N 型掺杂，高斯（gaussian）分布，浓度1016cm-3。

此外，还需要对N型IBC太阳能电池进行材料特性设置并选择合适的物理模型。对于N型IBC太阳能电池，主要材料分为两种，衬底材料Si和电极金属Al。在器件仿真器ATLAS中，针对本文所研究的N型IBC太阳能电池结构特点，需要选择的模型有迁移率模型组中的浓度依赖迁移率模型（conmob）和平行电场依赖模型（fldmob）以及Shockley-Read-Hall复合模型（consrh）。器件仿真器ATLAS是基于几个范围内非耦合的非线性偏微分方程，所以其在器件结构的网格点需要对方程采用特定的数值计算方法来仿真计算获取器件的特性。对于N型IBC太阳能电池结构器件，文中可采用的计算方法是newton计算方法。

2.3 器件特性

图3是N型IBC太阳能电池的光谱响应（基于AM1.0太阳光谱[12]），由图可看出，电池对于波长大于0.8 μm的太阳光吸收率迅速降低。电池前表面光线照射区材料的禁带宽度直接决定着太阳能电池的具体波长吸收限大小。

图3 N型IBC太阳能电池光谱响应

对于N型IBC太阳能电池特性而言，主要需要研究的有开路电压、短路电流和IV特性曲线。通过对其进行相应的偏置电压设置，然后进行仿真扫描以获取相关的特性结果。图4为N型IBC太阳能电池的I-V特性曲线，图5为其内外量子效率曲线。

2.4 器件仿真结果

1）N型IBC太阳能电池衬底参数

对于硅衬底参数，其中主要的参数[13]为衬底厚度与少子寿命，还有衬底电阻率，这与衬底掺杂浓度有关，不同少子寿命的衬底材料的衬底厚度对太阳能电池转化效率的仿真结果，如图6所示。不同少子寿命的衬底材料的N型IBC太阳能电池转换效率曲线，如图7所示。

图4 N型IBC太阳能电池I-V特性曲线

图5 内外量子效率曲线

图6 不同衬底厚度和少子寿命情况下的IBC太阳电池转换效率

2）N型IBC太阳能电池发射区参数

在N型IBC太阳电池中[14]，发射区表面浓度及结深为两个重要的参数[15]，其显著影响光生载流子复合。修改发射结结深和表面浓度，其仿真结果如图8所示。

同时，探究这两参数对太阳能电池的转换效率Eff值的影响，并探究发射结表面浓度与结深对相应的电池转换效率Eff值的影响，所获取的曲线如图9所示。

图7 不同衬底电阻率和少子寿命情况下，IBC太阳电池转化效率

图8 不同发射区表面浓度和结深(d)对IBC太阳电池短路电流密度的影响

图9 不同发射区表面浓度和结深（d）对IBC太阳电池Eff的影响

2.5 仿真结果分析

对于单晶硅衬底材料，当少子寿命为500 μs时，相应的衬底厚度合适范围为60～70 μm，IBC太阳电池转换效率可达到22.45％。当少子寿命减小时，相应的衬底厚度的合适值减小。

对于发射区参数研究结果显示：发射区表面浓度越大、结深越深，IBC太阳电池效率也就越高。当发射区表面浓度为5×1020cm-3，结深为1 μm时，转换效率高达23.35％。

所以整体分析而言，两区域参数对N型IBC太阳能电池的性能影响并不统一，在设计工艺过程中需要对其各自的工艺参数做出适当调整，以便使太阳能电池性能更加稳定，更具优势且效率更高。具体数值需要彼此参考，以形成最佳工艺参数组合。

根据以上研究，对于N型IBC太阳能电池工艺参数进行优化处理，发射区结深控制在1 μm，发射区表面浓度控制在5×1020cm-3，同时衬底厚度控制在60 μm，衬底硅电阻率控制2Ω.cm，其少子寿命选择为500 μs。对优化后的器件模型进行仿真计算，其结构如图10所示，其I-V特性曲线如图11所示。不难发现，虽最终的转换效率得到相应的提高，但距离最佳状态仍有一定的距离，所以对于整个IBC太阳能电池的优化工艺研究仍需继续，该电池还具有较大的提升空间[16]。

图10 优化后的仿真结构

3 结束语

N型背结背接触式（IBC）太阳能电池是一种新型结构的高效率太阳能电池，在现实社会中已能够实现量产。由于其背结背接触式结构，在较大程度上不受电极限制，在生产技术和效率提升方面均具有改进空间，所以在未来发展进程中拥有一定的潜力。本文使用silvacoTCAD软件对其进行建模仿真，并对其具体的工艺参数进行相关方面的研究与优化，最后对最终的结果进行总结，得出N型IBC太阳能电池最合适的工艺参数组合，并加以仿真获取结果验证其合理性。

图11 I-V特性曲线

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Process study of N type IBC solar cell

HE Zhi-wei，LIU Li
（Basic Teaching Department，Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）

This paper will study the IBC of N-type solar cell，which is the N-type junction back-backcontact cell research.We will use silvaco TCAD software for N-type IBC solar cell for process simulation，conducted detailed studies of their specific process steps，and then the N-type IBC solar cell structure has been completed using silvaco TCAD device simulation software to explore this solar cell the various characteristics of the final binding process simulation and analysis of the N-type technology research IBC solar cell sorting summarized，and we obtainthe optimum technical parameters.

solar cell； N-type crystal silicon； back-back-contact； processes； silvaco TCAD

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0014-05

2016-08-16稿件编号：201608121

2015年河南省教育技术装备和实践教育研究立项课题（GZS134）

何志伟（1983—），男，河南鹿邑人，硕士研究生，讲师。研究方向：粒子物理，半导体物理与器件。