模拟分析少子复合速率及吸收层对HIT太阳电池性能的影响

任瑞晨，张研研，2，李彩霞，史力斌，史冬梅

（1．辽宁工程技术大学矿业学院，阜新123000；2．渤海大学新能源学院，锦州121013；3．渤海大学数理学院，锦州121013）

1 引 言

随着能源匮乏以及环境污染的日益严重，开发清洁、安全的可再生能源迫在眉睫．太阳能具有上述优点，已成为国际关注的热点，而太阳电池是实现光电转换的核心元件．目前，对太阳电池的研究主要集中在提高转换效率和降低电池成本上．以非晶硅／单晶硅异质结为基础的HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer）太阳电池既具有晶体硅电池高效率、高稳定性的优点，又可在低温下制备，且有望减少对吸收层单晶硅材料的使用，因而极具发展潜力[1]．世界上此种电池转换效率的最高纪录是日本三洋公司保持的24．7%[2]，我国研制的此种电池的转换效率为17．36%[3]，与世界纪录还有一定的差距，因而模拟分析非晶硅／单晶硅异质结太阳电池的结构和机理是非常必要的．

Hirotada Inoue等讨论了HIT太阳电池中基区单晶硅（即吸收层）厚度对电池效率的影响[4]，R．Stangl等分析了吸收层少子迁移率对电池性能的影响[5]．本文利用美国滨州大学研发的AMPS－1D（Analysis of Microelectronic and Photonic Structures）程序对HIT太阳电池进行模拟分析．主要对比了HIT太阳电池前接触和背接触少子复合速率对太阳电池性能的影响，结果发现背接触少子复合速率的影响更为显著，并发现吸收层厚度以及少子迁移率对电池性能的影响也要受到背接触少子复合速率或吸收层隙间缺陷态密度的制约．

2 物理模型

图1为要模拟的HIT太阳电池结构简图，太阳电池的窗口层为重掺杂的P型非晶硅，吸收层为N型单晶硅，二者之间为起界面钝化作用的本征非晶硅薄层．电池两端接触层分别为TCO（透明导电氧化物薄膜）和Al（金属铝）．

AMPS模拟软件其工作原理主要是在确定的边界条件下，通过求解一维泊松方程及电子和空穴连续性方程，来获得太阳电池的各个参数．AMPS程序主要有两种模拟方式，这里采用态密度（DOS）模式．其中非晶硅的隙间缺陷态采用双高斯分布，单晶硅的隙间缺陷态采用平均分布．各种材料的带尾缺陷态为指数函数分布．具体的模拟参数如表1所示[6－9]．单晶硅和非晶硅的吸收系数主要来自参考文献[6，8]．电池前后接触势垒高度分别为1．67eV和0．11eV，模拟温度为300K，前后表面对光的反射率分别为0和0．6，模拟波段范围为0．3－1．1μm．

图1 HIT太阳电池结构简图Fig．1 The schematic diagram of structure of HIT solar cell

图2 前后接触少子复合速率对太阳电池光伏性能的影响Fig．2 The influence of minority carrier recombination velocity of front and back contacts on the performance of solar cell

3 前后接触少子复合速率对HIT太阳电池光伏性能的影响

对于 HIT太阳电池，TCO／a－Si∶H（p＋）前接触和c－Si（n）／Al背接触的少子复合速率对太阳电池的光伏性能具有一定的影响，但二者的影响程度是不同的．图2中模拟了背接触少子空穴复合速率保持107cm·s－1不变，前接触少子电子复合速率对太阳电池光伏性能的影响，以及前接触少子电子复合速率保持107cm·s－1不变，背接触少子空穴复合速率对太阳电池光伏性能的影响．从图中可以看出，随着前接触复合速率的增大，太阳电池的短路电流只微小降低（由34．573mA·cm－2降至34．289mA·cm－2），开路电压和填充因子没有变化，故电池的转换效率也只微小降低（由18．779%降至18．618%）．从图2中可看出，与电池的前接触相比，电池的背接触少子复合速率对电池的光伏性能影响较大．之所以背接触少子复合速率比前接触少子复合速率对电池性能影响显著，其主要原因是非晶硅发射层很薄，产生的光生少子电子较少，因而扩散到前接触的少子较少，故前接触少子复合速率的影响很小．然而，基区单晶硅较厚，产生的光生少子空穴较多，且内部缺陷较少，导致内部复合较少，因而能扩散到背接触处的少子空穴相对较多，故背接触处的少子复合速率对电池的光伏性能影响更大．从图2中还可以看出，随着背接触少子复合速率的增大，开路电压则由0．762V衰减到了0．650V，由公式（1）可知，这主要是因为复合电流增大所导致的．

公式（1）是文献[10]中所提到的一种简单表述，即太阳电池的开路电压Voc等于内建电势Vin和复合影响Rei的差值．填充因子则随着开路电压的降低而降低[11]，由0．85衰减到了0．836．电池的短路电流大幅度衰减（由37．975mA·cm－2衰减到了34．289mA·cm－2），这主要是由于较多空穴在背接触处的复合导致空穴电流降低，从而引起总电流的降低，如图3所示．图3中对比了背接触空穴复合速率分别为0和107cm·s－1时的电子电流、空穴电流和总电流的大小，可以看出高背接触复合速率引起的空穴电流的衰减．综上导致随着背接触空穴复合速率的增大，电池的转换效率由24．589%降至18．618%．由此可看出，加强背接触钝化质量，降低HIT太阳电池背接触少子复合速率，对提高电池的转换效率是非常必要的．

为HIT太阳电池增加重掺杂的n型非晶硅背表面场后，如图4所示，模拟中发现，无论背接触空穴复合速率如何变化，电池的光伏性能不变，转换效率都为24．589%，这与无非晶硅背场且背接触复合速率为0时HIT电池的转换效率相同．由此可以看出，理想的背场对少子空穴起到了很好的背反射作用，基本上没有空穴到达背接触处，这一点从图3中也可判断出，有非晶硅背场时，尽管背接触处的复合速率很高为107cm·s－1，但此时的空穴电流与无非晶硅背场且背接触为0时的空穴电流相等．因而增加非晶硅背场后无论背接触的复合速率如何变化，电池的光伏性能没有变化．可见，HIT太阳电池的非晶硅背场起到了良好的背表面钝化作用．

表1 HIT太阳电池的模拟参数设置Table 2 The setting of parameters of HIT solar cell for the simulation

图3 不同背接触时的电流比较Fig．3 The comparison of currents among different back contacts

图4 有非晶硅背场的HIT太阳电池结构简图Fig．4 The schematic diagram of structure of HIT solar cell with amorphous silicon BSF

4 吸收层对HIT太阳电池光伏性能的影响

4．1 吸收层厚度对HIT太阳电池光伏性能的影响

基区单晶硅作为HIT太阳电池的光吸收层，其厚度对太阳电池光伏性能具有一定的影响，而且这种影响与单晶硅的隙间缺陷态密度以及电池的背接触少子复合速率关系密切．图5中分别模拟对比了单晶硅的隙间缺陷态密度Nmd高低（以Nmd＝3．0×1012和1．9×1011cm－3·eV－1为例）以及背接触少子空穴复合速率Sp高低（以Sp＝107和10cm·s－1为例）时，吸收层厚度对HIT太阳电池光伏性能的影响．

图5 吸收层厚度对HIT太阳电池光伏性能的影响Fig．5 The effect of thickness of absorber on the performance of HIT solar cell

图5（a）中的模拟结果表明，当背接触复合速率较低为Sp＝10cm·s－1时，若隙间缺陷态密度Nmd不同，则吸收层厚度对太阳电池的光伏性能影响是不同的．当吸收层的隙间缺陷态密度较高为Nmd＝3．0×1012cm－3·eV－1时（以下简称情况A），开路电压随着基区厚度的增加明显降低，由0．756V降低到0．746V．而当吸收层单晶硅的隙间缺陷态密度较低为Nmd＝1．9×1011cm－3·eV－1时（以下简称情况B），随着吸收层厚度的增加，开路电压由50μm时的0．759V增加大150μm时的0．761V，之后不再增大．以上结果是因为当背接触复合速率较低且单晶硅隙间缺陷态密度较高时，少数载流子的复合以隙间复合为主，因而随着单晶硅厚度的增加，隙间少数载流子复合增加，因而导致开路电压显著降低．而当背接触复合速率和单晶硅隙间缺陷态密度都较低时，这里背接触复合速率的影响稍大，因而随着吸收层厚度的增加，使到达背接触处的少数载流子减少，因而复合电流略微降低，开路电压有微小增加．无论吸收层单晶硅的隙间缺陷态密度高或者低，随着单晶硅厚度的增加，光生载流子都是增多的，因而两种情况的短路电流都明显增加．以上结果导致，在情况A的条件下，HIT太阳电池的转换效率在150μm处达到峰值，之后随着单晶硅厚度的增加，转换效率反而降低；在情况B的条件下，电池的转换效率将随着单晶硅厚度的增加而增大，当然当吸收层厚度超过了其少数载流子扩散长度后，再增加单晶硅的厚度就没有任何意义了[12]．

图5（b）中的模拟结果表明，保持背接触复合速率较高为Sp＝107cm·s－1时，无论隙间缺陷态的密度较高为Nmd＝3．0×1012cm－3·eV－1（情况C）或较低为Nmd＝1．9×1011cm－3·eV－1（情况D）时，HIT太阳电池的短路电流和开路电压都随着单晶硅厚度的增加而单调递增，于是导致电池的转换效率单调递增．这主要是因为当电池的背接触复合速率很高时，少数载流子在背接触处的复合将比隙间复合显著得多，因此背接触处的复合将占主要地位，这与情况B相似．随着单晶硅厚度的增加，能够扩散到背接触处的少子空穴将减少，因此占主要地位的背接触处的复合减少，开路电压升高．当然，单晶硅厚度增加，电池的短路电流仍然增大．故情况C和情况D电池的转换效率都单调递增．

以上开路电压的变化情况与文献[4]中的实验结果基本符合．综上所述当背接触处的复合占主要地位时，即情况B、C和D，则随着吸收层单晶硅厚度的增加，电池的转换效率单调递增；当单晶硅内部隙间缺陷复合占主要地位时，即情况A，则随着吸收层单晶硅厚度的增加，电池的转换效率并非单调变化，而是在某一厚度处达到峰值，图4中有非晶硅背场的太阳电池可以看成是情况A的特例．因此HIT电池的吸收层单晶硅并非越厚电池的转换效率越高，应视具体情况而定．

图6 吸收层少子迁移率对太阳电池光伏性能的影响Fig．6 The effect of minority carrier mobility of absorption layer on the performance of solar cell

4．2 吸收层少子迁移率对HIT太阳电池光伏性能的影响

吸收层N型单晶硅的质量决定了其少数载流子迁移率的大小．在背接触少子复合速率不同时，吸收层少子空穴迁移率对HIT太阳电池光伏性能的影响是不同的．图6中模拟了背接触少子复合速率较高（如Sp＝107cm·s－1且无非晶硅背场）以及较低（如Sp＝0cm·s－1，即加上非晶硅背场的理想情况）时，吸收层空穴迁移率对电池性能的影响．模拟发现，无论少子复合速率高或低时，电池的短路电流都会随着空穴迁移率的增加而增大．这是因为根据（2）式[12]可知，空穴迁移率的增加，使空穴的扩散长度增大，因而能被pn结有效收集的空穴增加，故短路电流增大．

式中Lp、μp和τp分别表示少子空穴的扩散长度、迁移率和寿命．当Sp＝107cm·s－1时，开路电压随着少子迁移率的增大而明显衰减，如图6（a）所示．而当Sp＝0cm·s－1时，随着少子迁移率的增大，开路电压基本不变．这是因为少子空穴迁移率的增加，使空穴扩散长度增大，于是到达背接触处的空穴增多，若背接触处的复合速率高，则复合电流大，因此开路电压明显减小，这种现象在文献[5]中也有提到，但若增加理想的背场，相当于背接触复合速率接近零，则尽管到达背接触处的空穴增多，但复合电流基本不变，故开路电压不变．以上结果导致HIT太阳电池背接触复合速率高时，随着少子空穴迁移率的增大，电池的转换效率反而降低；而当背接触复合速率低时，随着少子迁移率的增大，电池的转换效率升高．

5 结 论

采用美国滨州大学研发的AMPS软件模拟了HIT太阳电池的前后接触少子复合速率、吸收层单晶硅的厚度以及吸收层少子迁移率对太阳电池光伏性能的影响．模拟中发现，HIT太阳电池的背接触少子复合速率比前接触少子复合速率对太阳电池光伏性能的影响要显著得多，因此加强电池背接触的钝化效果对提高电池的转换效率是很必要的，理想的非晶硅背场起到了很好的背接触钝化作用．HIT太阳电池的吸收层单晶硅厚度对太阳电池的转换效率也有一定的影响．当电池的背接触复合占主要地位时，单晶硅越厚则电池的转换效率越高；而当单晶硅的隙间缺陷态复合占主要地位时，则电池的转换效率会在某一厚度处达到峰值，之后随着单晶硅厚度的增加电池的效率反而降低．因此，单晶硅的厚度应该根据背接触少子复合速率以及单晶硅隙间缺陷态的具体情况而定．模拟中还发现，当背接触少子复合速率较高时，随着单晶硅少子迁移率的增大，电池的转换效率反而降低；当背接触少子复合速率较低时，随着单晶硅少子迁移率的增大，电池的转换效率升高．因而，提高单晶硅少子迁移率的前提是要确保电池背接触的钝化质量．

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