背表面场结构参数对双面太阳电池电流特性的影响
2017-12-05陆晓东吴元庆
周 涛，陆晓东，吴元庆，李 媛
背表面场结构参数对双面太阳电池电流特性的影响
周 涛，陆晓东，吴元庆，李 媛
（渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000）
针对正面光照、背面光照及双面光照三种不同光照条件，利用TCAD半导体器件仿真软件全面系统地分析了背表面场结构参数对P型双面单晶硅太阳电池内量子效率(IQE)和短路电流密度(SC)的影响。仿真结果表明：在300~700 nm短波段范围，双面光照情况下的IQE主要由BSF结构对背面光照光生载流子的影响决定。在700~1200 nm长波段范围，双面光照情况下的IQE主要由BSF结构对正面光照光生载流子的影响决定。当BSF扩散深度一定时，随着BSF表面浓度的增大，双面光照情况下SC的变化特点与背面光照情况一致。BSF结构的变化对正面光照情况下SC的影响较小（DSC=0.26×10–3A/cm2），而BSF结构参数的变化对背面光照情况下SC的影响较大（DSC=10.59×10–3A/cm2），BSF结构对背面光照光生载流子的影响是导致双面光照SC出现大幅变化的主要因素。
双面太阳电池；背表面场；表面浓度；扩散深度；内量子效率；短路电流密度
提高太阳电池转换效率是长期以来人们一直努力解决的问题[1-2]。目前，可进行规模化生产的高效晶硅太阳电池主要包括：日本三洋公司研制的带本征薄层异质结（Heterro-Junction with Intrinsic Thin-Layer，HIT）太阳电池、美国Sunpower公司研制的插指背结背接触（Interdigitated Back Contact，IBC）太阳电池以及荷兰能源研究中心研制的双面太阳电池[1]。其中，双面太阳电池相比于另外两种高效太阳电池可以更好地折中低成本与高效率之间的矛盾[3-5]。双面太阳电池具有双面发电设计、结构简单且与常规产业化P型太阳电池的制备工艺完全兼容的特点。
背表面场（Back Surface Field，BSF）是用于改善太阳电池输出特性的一种常见的电学增效结构。BSF在电池背面所形成的高低结结构，可以产生光生少子势垒，对光生少子具有一定的反射作用，从而降低了光生少子在电池背表面的复合损耗，提高了光生少子的收集效率[6]。BSF的制备方法主要包括热扩散法（电池厚度小于150 μm）和丝网印刷法（电池厚度大于150 μm）[7]。与常规单面太阳电池BSF结构的设计依据不同，对于双面太阳电池，需兼顾BSF对电池正面输出特性（正面光照）和背面输出特性（背面光照）的影响。因此，从理论上深入研究并优化双面电池BSF结构参数，对双面电池效率的提高具有重要意义。截至目前，关于太阳电池BSF结构设计及工艺优化的文献报道大都针对于常规单面光照太阳电池，针对于双面太阳电池BSF结构的研究尚报道较少[6,8-10]。基于此，本文利用TCAD半导体器件仿真软件对P型双面单晶硅太阳电池的电学性能和BSF结构参数进行仿真研究。由于量子效率是影响太阳电池短路电流密度和光电转换效率的关键内在因素，因此，本文针对正面（发射区一侧）光照、背面（BSF一侧）光照及双面光照三种不同情况，详细地分析了BSF表面浓度和扩散深度对双面电池内量子效率和短路电流密度的影响。从提高电池内量子效率和短路电流密度角度，对BSF结构参数进行优化。本文仿真结果可为双面太阳电池结构设计及制备提供有意义的参考信息。
1 双面太阳电池结构参数及计算模型的选择
P型双面单晶硅太阳电池二维结构如图1所示。电池基本结构参数为[2, 8, 11-14]：单元电池（上、下表面相邻电极中点间的距离）尺寸为1000 μm；双面电池上、下表面采用Si3N4减反射膜，厚度均为75 nm。BSF（P）表面浓度和扩散深度为变量，表面浓度变化范围为6×1018~5×1019cm–3，扩散深度变化范围为0.2~1.4 μm，BSF杂质分布为高斯分布。双面电池上、下表面非金属接触区域复合速率为1×103cm/s，金属接触区域复合速率为1×107cm/s；P型单晶硅片厚度为170 μm，掺杂浓度为1.36×1016cm–3，少子寿命为20 μs（与实际用于太阳电池制造的单晶硅片质量相接近）。发射区（N）表面浓度为2×1019cm–3，发射结结深为0.4 μm。上、下栅电极半宽度均为50 μm；假设上、下栅电极与电池为理想的欧姆接触。
在仿真计算过程中，对泊松方程、载流子连续方程及载流子输运方程利用完全耦合的方法进行求解。泊松方程和载流子连续性方程为器件特性的仿真提供了大体框架，但还需要更具体的方程来描述其他一些重要的物理模型。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。迁移率模型考虑了与温度、掺杂浓度相关的迁移率模型和与平行（横向）电场相关的迁移率模型[15-16]。默认器件工作温度为300 K。复合模型考虑了与掺杂浓度相关的SRH复合和俄歇复合[17-19]。模拟测试条件为: 25℃，AM1.5G光谱，入射光垂直电池上、下表面入射，光强为1000 W/m2。
图1 双面单晶硅太阳电池单元结构
2 仿真结果与分析
2.1 正面光照情况
图2(a)~(b)为仿真得到的在正面光照情况下，BSF结构对电池内量子效率(Internal Quantum Efficiency，IQE)的影响。由图2可见：当BSF扩散深度较浅（BSF=0.2 μm）时，在300~480 nm短波段范围内，IQE几乎不受BSF表面浓度影响。而在480~1200 nm波段范围内，随着BSF表面浓度的增大，IQE随之增大。当BSF扩散深度较深（BSF=1.0 μm）时，BSF表面浓度的变化对IQE的影响较小，仅在长波段（＞800 nm）范围，BSF表面浓度的变化对IQE有一定影响。随着BSF表面浓度的增大，IQE呈现先增大后减小的变化特点。
IQE呈现上述变化特点的原因为：由于300~480 nm短波段入射光在电池内部的吸收深度较浅，在正面光照情况下，该波段入射光激发产生的光生载流子在输运、收集的过程中，主要受到重掺杂发射区俄歇复合损耗和体内缺陷引发的Shockley-Read-Hall复合损耗的影响。因此，该短波段IQE受BSF结构的影响较小。当BSF扩散深度较浅时，BSF对长波段入射光激发产生的光生载流子的复合损耗影响较小，而由BSF形成的P~P+高低结结构，产生了光生电子势垒，提高了基区内部光生少子电子的收集效率。电子势垒越高，越有利于光生电子的收集，电子势垒高度随着BSF表面浓度的增大而增大[6]，因此，对于浅扩散的BSF结构，随着BSF表面浓度的增大，IQE随之增大。当BSF扩散深度较深，且表面浓度较低（BSF≤1×1019cm–3）时，随着BSF表面浓度的增大，P~P+高低结所产生的电子势垒是影响IQE的主要因素。随着BSF表面浓度的增大，电子势垒提高，IQE随之增大。当BSF表面浓度较高（BSF＞1×1019cm–3）时，重掺杂BSF对光生载流子的复合损耗是影响IQE的主要因素。随着BSF表面浓度的增大，BSF对光生载流子的复合损耗加剧，IQE随之降低。当BSF扩散深度较深时，BSF P~P+高低结对光生电子收集效率的提高在一定程度上补偿了由BSF重掺杂导致的光生载流子复合损耗的增加，从而使得BSF表面浓度的变化对IQE的影响较小。
图2(c)为仿真得到的BSF表面浓度和扩散深度对正面光照太阳电池短路电流密度(SC)的影响。由图2(c)可见：当BSF扩散深度较浅（BSF=0.2~0.6 μm）时，随着BSF表面浓度的增大，SC随之增大。当BSF扩散深度较深（BSF=0.8~1.4 μm）时，随着BSF表面浓度的增大，SC呈现先增大后减小的变化特点，随着BSF扩散深度的增大，最大电流密度SC(MAX)所对应的BSF表面浓度降低。当BSF=0.8 μm时，SC(MAX)对应的BSF表面浓度为2×1019cm–3；当BSF=1.0 μm时，SC(MAX)对应的BSF表面浓度为1×1019cm–3；当BSF=1.4 μm时，SC(MAX)对应的BSF表面浓度为9×1018cm–3。原因为：当BSF扩散深度较浅时，其对光生载流子复合损耗的影响较小。而随着BSF表面浓度的增大，P~P+高低结所形成的电子势垒对基区光生少子电子的反射作用增强，从而提高了电池SC。当BSF扩散深度较深时，随着BSF表面浓度的增大，其对光生载流子复合损耗的影响逐渐加剧，当其成为影响SC的主要因素时，电池SC开始下降。综合考虑BSF结构参数对光生载流子的影响，当BSF表面浓度为5×1019cm–3且扩散深度为0.2 μm时，正面光照太阳电池SC最大，SC(MAX)为41.45×10–3A/cm2。
2.2 背面光照情况
图3(a)~(b)为仿真得到的在背面光照情况下，BSF结构对IQE的影响。由图3可见：当BSF扩散深度较浅（BSF=0.2 μm）且BSF表面浓度BSF≤3×1019cm–3时，随着BSF表面浓度的增大，IQE随之增大。当BSF表面浓度BSF＞3×1019cm–3时，在300~450 nm短波段范围内，随着BSF表面浓度的增大，IQE随之显著降低。当BSF扩散深度较深（BSF=1.0 μm）时，在300~800 nm波段范围，随着BSF表面浓度的增大，IQE随之显著降低。
IQE呈现上述变化特点的原因为：在背面光照情况下，当BSF扩散深度BSF=0.2 μm，且掺杂浓度BSF≤3×1019cm–3时，BSF对背面入射光激发产生的光生载流子的复合损耗影响较小。同时，随着BSF表面浓度的增大，P~P+高低结所产生的电子势垒高度随之增大，对光生少子电子的反射作用增强，因此，随着BSF表面浓度的增大，IQE随之增大。对于BSF表面浓度较高（BSF＞3×1019cm–3）的情况，当BSF扩散深度BSF=0.2 μm，对于300~450 nm的短波段入射光，其吸收深度处于BSF扩散深度范围内，随着BSF表面浓度的增大，BSF对该波段入射光激发产生的光生载流子复合损耗的影响较显著，导致该波段IQE随着BSF表面浓度的增大显著降低。当BSF扩散深度较深（BSF=1.0 μm）时，对于300~800 nm波段范围的入射光，其吸收深度处于BSF扩散深度范围内，随着BSF表面浓度的增大，BSF对该波段入射光激发产生的光生载流子复合损耗的影响较显著，导致该波段IQE随着BSF表面浓度的增大显著降低。
图3(c)为仿真得到的BSF表面浓度和扩散深度对背面光照太阳电池SC的影响。由图3(c)可见：当BSF扩散深度BSF=0.2 μm时，随着BSF表面浓度的增大，SC随之增大。SC(MAX)所对应的BSF表面浓度为5×1019cm–3，SC(MAX)为39.41×10–3A/cm2。当BSF扩散深度BSF=0.4~1.0 μm时，随着BSF表面浓度的增大，SC呈现先增大后减小的变化特点。随着BSF扩散深度的增大，SC(MAX)所对应的BSF表面浓度降低，同时SC(MAX)减小。当BSF=0.4 μm时，SC(MAX)所对应的BSF表面浓度为2×1019cm–3，SC(MAX)为39.03×10–3A/cm2。当BSF=0.6 μm时，SC(MAX)所对应的BSF表面浓度为1×1019cm–3，SC(MAX)为38.8×10–3A/cm2。当BSF=0.8 μm时，SC(MAX)所对应的BSF表面浓度为1×1019cm–3，SC(MAX)为38.82×10–3A/cm2。当BSF=1.0 μm时，SC(MAX)所对应的BSF表面浓度为8×1018cm–3，SC(MAX)为38.79×10–3A/cm2。当BSF扩散深度BSF=1.2~1.4 μm时，随着BSF表面浓度的增大，SC随之减小。当BSF=1.2 μm时，最大短路电流密度为38.7×10–3A/cm2，当BSF=1.4 μm时，最大短路电流密度为38.65×10–3A/cm2。原因分析与2.1部分类似。综合考虑BSF结构参数对光生载流子的影响，当BSF表面浓度为5×1019cm–3且扩散深度为0.2 μm时，背面光照太阳电池SC最大，SC(MAX)为39.41×10–3A/cm2。
2.3 双面光照情况
图4(a)~(b)为仿真得到的在双面光照情况下，BSF结构对IQE的影响。可见：双面光照情况下的IQE是正、背面光照情况下IQE的综合反映。在300~700 nm短波段范围内，双面光照情况下IQE曲线与背面光照情况下短波段IQE曲线的变化特点相类似，表明对于双面光照太阳电池，在短波段范围内，IQE主要由BSF结构对背面入射光激发的光生载流子的影响决定。在700~1200 nm长波段范围内，双面光照情况下IQE曲线与正面光照情况下长波段IQE曲线的变化特点类似，表明对于双面光照太阳电池，在长波段范围内，IQE主要由BSF结构对正面入射光激发的光生载流子的影响决定。
图4(c)为仿真得到的BSF表面浓度和扩散深度对双面光照太阳电池SC的影响。由图4(c)可见：当BSF结构参数一定时，双面光照情况下短路电流密度为正、背面光照情况下的短路电流密度之和。并且发现当BSF扩散深度一定时，随着BSF表面浓度的增大，SC的变化特点与仅存在背面光照情况相一致，随着BSF扩散深度的增大，SC(MAX)所对应的BSF表面浓度降低，最大电流密度SC(MAX)所对应的BSF表面浓度与仅存在背表面光照情况相同。当BSF表面浓度为5×1019cm–3，扩散深度为0.2 μm时，双面太阳电池SC最大。通过对比正面光照情况和背面光照情况下的SC曲线，可以发现BSF结构参数的变化对正面光照情况下SC的影响较小，正面光照情况下SC的变化范围为41.19×10–3~ 41.45×10–3A/cm2，而BSF结构参数的变化对背面光照情况下SC的影响较大，背面光照情况下SC的变化范围为28.81×10–3~39.4×10–3A/cm2，其与双面光照情况下SC的变化范围一致，表明BSF结构对背面入射光激发产生的光生载流子的影响是导致双面光照太阳电池短路电流密度出现大幅变化的主要因素。
3 结论
对双面光照太阳电池BSF结构的设计需要兼顾其对正、背面光照情况下电池电学性能的影响。利用TCAD仿真软件，对比分析了三种不同光照条件下电池内量子效率和短路电流密度的变化特点，制备浅扩散深度、高表面浓度的背表面场结构有利于提高双面太阳电池的短路电流密度，从而提高双面太阳电池的转换效率。在300~700 nm短波段范围内，双面光照太阳电池IQE主要由BSF结构对背面入射光激发的光生载流子的影响决定。在700~1200 nm长波段范围内，双面光照太阳电池IQE主要由BSF结构对正面入射光激发的光生载流子的影响决定。BSF结构参数的变化对正面光照情况下SC的影响较小，而BSF结构参数的变化对背面光照情况下SC的影响较大，其与双面光照情况下SC的变化范围一致，表明BSF结构对背面入射光激发产生的光生载流子的影响是导致双面光照太阳电池短路电流密度出现大幅变化的主要因素。
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（编辑：陈丰）
Influences on bifacial solar cells current property by back surface field structural parameters
ZHOU Tao, LU Xiaodong,WU Yuanqing, LI Yuan
(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China)
The influences of back surface field structural parameters on P-type bifacial monocrystalline silicon solar cell’s internal quantum efficiency (IQE) and short-circuit current density (SC) were studied comprehensively and systematically by using TCAD semiconductor device simulation software under three different illumination conditions of front illumination, rear illumination and double illumination. The simulation results show that the internal quantum efficiency under double illumination conditions is mainly determined by the influences of back surface field structure on the photo-carrier produced by rear illumination excitation in the short wave range of 300－700 nm. The internal quantum efficiency under double illumination conditions is mainly determined by the influences of back surface field structure on the photo-carrier produced by front illumination excitation in the long wave range of 700－1200 nm. When the value of diffusion depth of BSF is fixed, the characteristic of change of the short-circuit current density under double illumination conditions is consistent with that under the rear illumination with the increase of BSF surface concentration. The change of back surface field structure has less effect on the short-circuit current density under front illumination (DSC= 0.26×10–3A/cm2), and the change of back surface field structure has greater effect on the short-circuit current density under rear illumination (DSC=10.59×10–3A/cm2). The influence of back surface field structure on the photo-carrier produced by rear illumination excitation is the main influential factor of the serious fluctuation in the short-circuit current density.
bifacial solar cell; back surface field; surface concentration; diffusion depth; internal quantum efficiency; short-circuit current density
10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.016
TM914.4
A
1001-2028（2017）12-0089-06
2017-10-16
周涛
国家自然科学基金项目（No. 11304020）
周涛（1983－），男，辽宁葫芦岛人，讲师，主要从事半导体光电器件及大功率半导体器件相关技术研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com 。
2017-11-30 14:13
网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1413.016.html
