载流子寿命对n型背结晶硅太阳能电池性能的影响

马菁菁， 卢正正， 张 帅， 吕文辉

(湖州师范学院 理学院， 浙江 湖州 313000)

0 引 言

商品化晶硅太阳能电池主要以p型晶体硅为原料，通过制绒、扩散、刻蚀去边、镀氮化硅减反射膜层、印刷正银栅线、背铝和背银电极等产线工艺获得p型晶硅太阳电池[1-3].其中，p型晶硅太阳电池的p-n结位于电池前表面，p型基极中光生载流子可通过扩散输运到电池前表面被有效分离，进而实现光电转换.据国际光伏技术路线图(ITRPV)报道，p型晶硅太阳电池的市场占有率较高[4].而传统的p型晶硅太阳电池采用p型晶体硅为原料，其内部硼氧复合体在光照下逐渐被激活，形成陷阱中心，相应电池的光电转换效率降低，晶硅光伏组件的光衰减严重[5].

以n型晶体硅为原料制作的太阳能电池光衰减较低，能够避免传统p型晶硅太阳电池的光衰减问题.其制造流程设计需要结合当前标准晶硅太阳电池的产线工艺，以有效匹配集成到现有庞大的标准晶硅太阳电池生产线，加速其产业化.以现有标准工艺和n型晶硅为原料制备晶硅太阳能电池，其p-n结在电池的背表面形成新型的n型背结晶硅太阳能电池.由于n型背结晶硅太阳能电池的p-n结在电池的背表面，其光电转换过程不同于传统p型正结晶硅太阳能电池，光生电荷需要扩散一段距离至其背表面分离，实现光电转换.因此，n型晶体硅原料的关键光电参数(特别是载流子寿命)决定着新型电池的性能，需要从理论上认识晶体硅原料的关键光电参数对器件性能的影响规律，进一步预期何种光电参数的n型晶体硅原料能够制备出高效电池，从而选取适合光电参数的n型晶体硅原料，在当前标准晶体硅太阳电池生产线上制备出高效率的n型背结晶硅太阳电池产品.

本文基于OPAL[6]和PC1D[7]仿真计算，研究n型背结晶硅太阳能电池中晶体硅原料的载流子寿命对其光电转换性能的影响.在此基础上仿真计算n型背结晶硅太阳能电池的量子效率，获得晶体硅原料的载流子寿命对其光谱响应的影响规律，并结合n型背结晶硅太阳能电池的仿真结果及光电转换过程，讨论晶体硅原料的载流子寿命对其性能影响规律的物理机制.

1 仿真过程与参数

采用OPAL光学软件模拟计算氮化硅减反光薄膜加金字塔织构的晶体硅的反射光谱.氮化硅、晶体硅的光学常数参考文献[8]和[9]，通过优化氮化硅厚度获得优化的减反射光谱.随后将获得的减反射光谱导入n型背结晶硅太阳能电池的PC1D仿真模型.n型背结晶硅太阳能电池的结构如图1所示.

电池的前表面为氮化硅薄膜加金字塔织构，作为减反光结构.前表面重掺杂的N+-Si为前表场，用于降低光生载流子的前表面复合.中间的N-Si是晶体硅原料，作为电池的基集，用于吸收太阳光子及产生空穴电子对.背表面的P+-Si与中间的N-Si形成p-n结，用于分离光生载流子，实现光电转换.整个n型背结晶硅太阳能电池的PC1D仿真模型参数如表1所示.其中n型晶体硅原料的载流子寿命作为仿真变量，从而仿真计算获得n型背结晶硅太阳能电池的电流电压(I-V)曲线和量子效率(EQE)曲线.

表1 n型背结晶硅太阳能电池的PC1D仿真参数

2 结果与讨论

图2为采用OPAL光学模拟获得的氮化硅减反光薄膜加金字塔织构的晶体硅的反射光谱.从图2可以看出，在中长波450～1 100 nm范围内该减反光结构具有卓越的反光性能，光反射率低于5%.其物理机制是薄膜干涉叠加金字塔多次反射降低了前表面的光反射损失.其中在570 nm波长下光反射率几乎为零，其物理原因是氮化硅薄膜的光学干涉相消.在短波300～400 nm范围内光反射率较高，光反射损失严重,因此相应的电池片表面为蓝色.其物理原因是在这一谱段晶体硅的折射率高，空气、氮化硅薄膜晶体硅体系的折射率梯度以及干涉相消失配大.获得的氮化硅减反光薄膜加金字塔织构的晶体硅的反射光谱可直接导入后续n型背结晶硅太阳能电池的PC1D仿真模型，用于光电转换性能和量子效率的计算.

图3(a)为不同基极载流子寿命的n型背结晶硅太阳能电池的I-V曲线.从图3(a)看出,n型背结晶硅太阳能电池的短路电流和开路电压随着基极载流子寿命的增加而非线性地增加.载流子寿命较低时，n型背结晶硅太阳能电池的短路电流和开路电压变化比较显著;载流子寿命较高时，n型背结晶硅太阳能电池的短路电流和开路电压变化比较缓慢;在载流子寿命大于200 μs后，继续增加载流子寿命，两者变化不太明显.晶体硅太阳电池的光电转换效率PCE为：

(1)

其中：Isc为短路电流；Voc为开路电压；FF为填充因子；S为电池的面积；Pin为入射至电池的AM1.5 G太阳光谱[10]的光功率.Pin为常数，设置为100 mW/cm2.因此，n型背结晶硅太阳能电池的光电转换效率取决于短路电流和开路电压.根据I-V曲线，可获得相应的短路电流、开路电压及填充因子.进一步结合公式(1)，可得到电池的光电转换效率.图3的(b)、(c)、(d)分别为n型背结晶硅太阳能电池的短路电流、开路电、光电转换效率随基极载流子寿命的变化规律曲线.

从图3的(b)、(c)、(d)可以看出,低载流子寿命相应电池的短路电流、开路电压较低，导致最终光电转换效率比较低.随着基极载流子寿命的增加，相应电池的短路电流、开路电压逐渐增加，导致最终光电转换效率逐渐增加.但各个光电参数随基极载流子寿命增加而增加的规律是非线性的.当基极载流子寿命增加到200 μs后，各个光电参数几乎不发生变化，达到饱和.因此，为实现n型背结晶硅太阳能电池的高效率,必须严控n型晶体硅原料的品质，其载流子寿命一定要高于一定值才能使电池获得高性能.

为理解晶体硅原料的载流子寿命影响n型背结晶硅太阳能电池性能的物理机制，进一步计算n型背结晶硅太阳能电池的量子效率，结果如图4所示.从图4可以看出，随着晶体硅原料的载流子寿命的增加，EQE值不断增大，随后趋于稳定.EQE取决于光吸收、载流子扩散输运、载流子分离及载流子收集.在本研究中，n型背结晶硅太阳电池的p-n结在电池的背表面，光生载流子需要扩散一段距离至其背表面分离，实现光电转换.上述计算中，光吸收、p-n结的载流子分离及收集能力均相同.因此，载流子寿命影响n型背结晶硅太阳能电池的EQE可归结为载流子扩散输运中的复合损失不同.低载流子寿命的晶体硅原料制作的电池顶部的光生载流子扩散长度短，在未扩散至背表面p-n结前就大量复合损失，因此具有低的EQE.高载流子寿命的晶体硅原料制作的电池顶部的光生载流子扩散长度长，大部分能够扩散至背表面p-n被分离，因此具有高的EQE.当晶体硅原料的载流子寿命高于一定值，电池顶部的光生载流子几乎能够扩散至背表面p-n被分离，因此EQE对晶体硅原料的载流子寿命不敏感.可见，晶体硅原料的载流子寿命影响n型背结晶硅太阳能电池性能的物理机制是新型结构电池中光生载流子扩散输运路径长，载流子扩散输运中的复合损失不同.

3 结 论

n型背结晶硅太阳能电池中晶体硅原料的载流子寿命影响着其光电转换性能，随着n型晶体硅原料的载流子寿命增加，电池的短路电流、开路电压及光电转换效率均逐渐增大，最终趋于饱和.其物理机制是新型结构电池中光生载流子扩散输运路径长，载流子扩散输运中的复合损失不同.因此，为实现n型背结晶硅太阳能电池的高效率，必须严控n型晶体硅原料的品质，其载流子寿命一定要高于一定值才能使电池获得高性能.该研究结果可为获得高效率n型背结晶硅太阳能电池选取合适载流子寿命的n型晶体硅原料提供理论指导.