体内和表面复合中心对单晶硅太阳电池电学性能的影响

周 涛，陆晓东，吴元庆，张金晶



体内和表面复合中心对单晶硅太阳电池电学性能的影响

周 涛，陆晓东，吴元庆，张金晶

（渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000）

利用TCAD半导体器件仿真软件详细地分析了体内和表面复合中心对产业化P型单晶硅太阳电池电学性能的影响。重点分析了当复合中心存在于太阳电池体内和表面时，电池内量子效率、暗电流及转换效率的变化特点。结果表明：对于单晶硅太阳电池，存在体复合中心临界密度（≈1×1013cm–3）和表面复合中心临界密度（≈1×1012cm–3）。当体内和表面复合中心密度分别小于其临界密度时，复合中心对太阳电池内量子效率、暗电流、短路电流密度、开路电压及转换效率的影响较小。但当体内和表面复合中心密度大于其临界密度时，随着体内和表面复合中心密度的增大，太阳电池电学性能随之显著降低。

单晶硅；太阳电池；复合中心；内量子效率；暗电流；转换效率

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，市场上销售的太阳电池大部分是单晶硅和多晶硅太阳电池，产业化P型单晶硅太阳电池的最高转换效率已经达到20.3%[3]，为进一步提高产业化单晶硅太阳电池的转换效率，必须对太阳电池的材料参数、结构参数及制备工艺进行精细的设计和优化。单晶硅太阳电池的光生载流子复合损耗受少子寿命的影响[4]，为实现高的光电转换效率，通常要求原始单晶硅材料的少子寿命越高越好。

单晶硅材料理论上具有理想的周期性结构，但对于实际的单晶硅太阳电池，从硅材料提纯、掺杂到电池的制备，会不可避免地在电池内部或表面引入不同类型的杂质并产生各种缺陷，这些杂质和缺陷会引起附加势场，形成局域化电子态，使电子和空穴束缚在杂质和缺陷周围，在带隙内形成复合中心能级[5]。复合中心能级对于电子和空穴具有差不多大小的俘获几率，能够促进非平衡载流子复合（即电子、空穴成对消失），从而降低少子寿命，影响器件的电学性能。

由于半导体器件仿真技术具有大幅缩短研究周期、显著降低研发成本和获得更多器件内部信息等方面的优势，因此成为器件研发过程中不可或缺的重要技术手段[4]。在半导体器件研究领域广泛应用的计算机辅助设计TCAD仿真软件具有物理模型准确且针对性好、器件结构设定精细等优点，已经越来越多地应用于晶硅太阳电池工艺和器件性能的仿真研究。本文利用TCAD半导体器件仿真软件详细地分析了P型单晶硅体内及表面杂质复合中心密度对太阳电池电学性能（内量子效率、暗电流、转换效率等）的影响。并给出太阳电池电学性能发生显著降低时体复合中心和表面复合中心的临界密度。本文仿真结果可为硅材料生长及后续电池加工提供参考。

1 单晶硅太阳电池参数及模型选择

单晶硅太阳电池主要由背电极、铝背表面场（P+区）、基区（P区）、发射区（N+区）、栅线电极及减反射膜组成，具体结构如图1所示。电池具体结构参数为[3-4,6-8]：单元电池（栅电极中点到相邻的发射区中点）尺寸为1 000 μm；电池上表面氮化硅减反射膜厚度为79 nm，中心波长（550 nm）折射率为2.05。背表面场表面浓度为8.15×1018cm–3，扩散深度为3.6 μm，背表面复合速率为1×104cm/s；P型单晶硅片厚度为170 μm，硼掺杂浓度为2×1016cm–3。P型单晶硅材料少子寿命为27 μs。太阳电池发射区表面浓度为1×1019cm–3，结深为0.3 μm。栅电极半宽度为30 μm；金属电极-发射区接触电阻率取为4.63×10–3Ω·cm2。外部并联电导为0 S。电池非金属接触区表面复合速率与氮化硅减反射膜的钝化效果直接相关，电池非金属接触区表面复合速率为1.5×103cm/s。前表面电极与硅接触区域假设其复合速率为1×107cm/s。

图1 单晶硅太阳电池结构

载流子复合主要包含三种复合机制：①肖克莱-里德-霍尔（SRH）复合，用SRH表示其寿命。②辐射复合，用rad表示其寿命。③俄歇复合，用auger表示其寿命。有效寿命由三种复合机制决定，它们的关系为[9]：

SRH复合寿命定义为[9]：

式中：0和0分别为平衡的电子和空穴浓度；△和△分别为非平衡的电子和空穴浓度；n和p分别为电子和空穴寿命。当忽略陷阱作用时，认为△=△，p、n、1和1分别定义为[9]：

式中：n、p分别为电子和空穴的俘获截面；th、t、i分别为热电子发射速率、复合中心密度和本征载流子浓度。t和i分别为复合中心能级和本征费米能级。

辐射寿命定义为[9]：

式中：是辐射复合系数。

俄歇寿命为[9]：

式中：p是俄歇复合系数。

辐射复合属于半导体材料的本征复合。在硅中，辐射复合基本不起作用；SRH复合是通过复合中心的间接复合过程，与杂质或缺陷的数量、性质有关，通常轻掺杂半导体材料中少子寿命主要决定于SRH复合；俄歇复合与多数载流子的浓度有关，在重掺杂半导体材料中少子寿命主要决定于俄歇复合。

在仿真过程中，复合模型考虑了SRH复合模型和俄歇复合模型。迁移率模型考虑了ANALYTIC模型（Analytic Low Field Mobility Model）和FLDMOB模型（Parallel Electric Field-Dependent Mobility）。ANALYTIC模型反映迁移率与杂质浓度、温度依赖关系，是一种低场迁移率模型。FLDMOB是对平行电场依赖的迁移率模型，实现了迁移率在低场和高场之间的平滑过渡。另外还考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应(BGN)和能带简并效应（FERMI）。仿真测试温度为25℃，AM1.5G光谱，入射光垂直电池上表面入射，光强为1 000 W/m2。

2 结果与讨论

2.1 体复合中心密度对太阳电池性能的影响

图2为仿真得到体复合中心密度对太阳电池内量子效率（IQE）的影响。在仿真过程中，假设体复合中心在P型单晶硅衬底中均匀分布，体复合中心对电子和空穴的俘获截面均为5×10–17cm2，体复合中心距离导带的间距为0.5 eV。体复合中心密度为变量，变化范围为0~1×1018cm–3。由图2可见：当体复合中心密度t≤1×1017cm–3时，随着t的增大，300~450 nm波段范围的太阳电池内量子效率降低幅度较小，当复合中心密度超过1×1017cm–3时，300~450 nm波段范围的IQE显著降低。原因为：对于波长范围在300~450 nm的短波长入射光，其在单晶硅材料中的吸收系数较大，吸收深度较浅，主要在电池重掺杂的发射区内被吸收[10]。当t≤1×1017cm–3时，俄歇复合损耗是光生载流子复合损耗的主要因素，发射区中少子寿命主要由俄歇复合寿命决定。导致300~450 nm波段的IQE几乎不受复合中心密度的影响。当复合中心密度超过1×1017cm–3时，发射区中SRH复合损耗不可忽略，发射区中少子寿命由SRH复合寿命和俄歇复合寿命共同决定，导致300~450 nm波段的IQE显著降低。

图2 体复合中心密度对太阳电池内量子效率的影响

由图2可见：对于波长大于450 nm的波段范围，随着体复合中心密度的增大，IQE降低。原因为：对于波长大于450 nm的入射光主要在电池衬底中被吸收。光生载流子受到SRH复合损耗的显著影响。体复合中心密度越大，体复合中心俘获载流子数量越多，光生载流子有效寿命越低，电池内量子效率越低。当复合中心密度较低（＜1×1013cm–3）时，体复合中心密度的变化对电池全波段IQE的影响并不显著，与无体复合中心理想情况（t=0 cm–3）下的IQE差别较小。同时，由表1太阳电池短路电流密度（SC）值可见：随着体复合中心密度的增大，电池短路电流密度随之降低。当体复合中心密度由0增大到1×1013cm–3时，电池短路电流密度仅下降0.044×10–3A/cm2。当体复合中心密度由1×1013cm–3增大到1×1014cm–3时，电池短路电流密度大幅下降，降低了0.375×10–3A/cm2。

对于太阳电池，暗电流对其电学性能的影响主要体现在开路电压（OC）上。电池暗电流越大，开路电压越低[12]。由SRH复合所导致的暗电流密度可表示为[11]：

式中：为电子电量；为电池厚度；为光生载流子俘获截面。由式（9）可知，SRH复合导致的暗电流SRH与复合中心密度呈线性关系，随着复合中心密度增大，SRH增大。

图3为仿真得到的体复合中心密度对电池暗电流的影响。体复合中心参数的选取与仿真IQE时所选取的参数相同。由图3可见：随着体复合中心密度的增大，不同正向偏压下电池的暗电流越大。当体复合中心密度较低（＜1×1013cm–3）时，由体复合中心密度的变化所引起的暗电流变化幅度较小。暗电流主要由衬底中的本征辐射复合电流决定。当体复合中心密度大于1×1013cm–3时，SRH复合电流对电池暗电流的贡献逐渐增大。随着体复合中心密度的增大，电池暗电流随正向扫描电压（0~4 V）的增大增加得越迅速。由表1电池开路电压（OC）值可见：与短路电流密度的变化特点相同，随着体复合中心密度的增大，电池开路电压随之降低。当体复合中心密度由0增大到1×1013cm–3时，电池开路电压仅下降0.299 mV。当体复合中心密度由1×1013cm–3增大到1×1014cm–3时，电池开路电压大幅下降，降低了2.403 mV。

图3 体复合中心密度对太阳电池暗电流的影响

表1 体复合中心密度对太阳电池电学参数的影响

Tab.1 The influence on solar cells electrical parameters by bulk recombination center density

综上所述，太阳电池体复合中心密度存在临界值（≈1×1013cm–3）。当体复合中心密度小于该临界值时，体复合中心对太阳电池电学性能的影响较小。体复合中心密度由0增大到1×1013cm–3时，电池效率仅降低0.036 6%（如表1所示）。当体复合中心密度高于临界值时，体复合中心将严重制约太阳电池转换效率的提高。因此，对于不同质量的硅太阳电池原材料（如高质量且价格昂贵的区熔单晶硅、廉价的非晶硅材料及主流的直拉单晶硅材料），其所含的复合中心密度相差较大，导致电池转换效率有较大差别。对于低质量的单晶硅原材料应采取有效的吸杂（如磷、铝吸杂技术、背面喷砂技术等）措施，进一步降低体复合中心密度[12]。

2.2 表面复合中心密度对太阳电池性能的影响

单晶硅表面杂质和缺陷同样会在禁带中形成复合中心能级，因此太阳电池少子寿命在很大程度上也受到器件表面状态的影响。从复合机理方面考虑，表面复合属于SRH间接复合，因此，SRH复合理论完全可以用来处理表面复合问题[6]。对于P型太阳电池单晶硅衬底，假设表面复合中心存在于表面薄层中，单位表面积的复合中心总数为st，薄层中的平均非平衡少子电子浓度为△s。表面复合可等效为靠近表面薄层区域内的体复合。则表面复合率可表示为[6]：

式中：n表示少子的表面复合速率。

图4为仿真得到的表面复合中心密度对太阳电池内量子效率的影响。在仿真过程中，假设表面复合中心在P型单晶硅表面薄层中均匀分布，表面复合中心对电子和空穴的俘获截面为5×10–17cm2，表面复合中心距离导带的间距为0.5 eV。表面复合中心密度为变量，变化范围为0~1×1016cm–3。由图4可见：表面复合中心对太阳电池短波段内量子效率的影响尤为显著。入射光波长越短，随表面复合中心密度的增大，内量子效率降低越明显。原因为：对于波长较短的入射光，其在硅材料中的吸收系数较大，吸收深度较浅，受到表面复合中心的影响越大。当表面复合中心密度在0~1×1012cm–2范围内，随着表面复合中心密度的增大，太阳电池内量子效率仅有小幅度下降。由表2计算得到的短路电流值可见：当表面复合中心密度由0增大到1×1012cm–3，太阳电池短路电流密度仅减小0.047 1×10–3A/cm2。当表面复合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3（一个数量级），短路电流值出现较大幅度的减小，减小值为0.285 8×10–3A/cm2。

图4 表面复合中心密度对太阳电池内量子效率的影响

图5为仿真得到的表面复合中心密度对太阳电池暗电流的影响。表面复合中心参数的选取与仿真IQE时所选取的参数相同。由图3可见：随着表面复合中心密度的增大，不同正向偏压下电池的暗电流增大。当表面复合中心密度较低（＜1×1012cm–3）时，由表面复合中心密度的变化所引起的暗电流变化幅度较小。当表面复合中心密度大于1×1012cm–3时，随着表面复合中心密度的增大，电池暗电流随正向扫描电压（0~4 V）的增大增加得越迅速。由表2电池开路电压（OC）值可见：随着表面复合中心密度的增大，电池开路电压随之降低。当体复合中心密度由0增大到1×1012cm–3时，电池开路电压仅下降0.739 mV。当表面复合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3时，电池开路电压下降幅度较大，减小了5.281 mV。

图5 表面复合中心密度对太阳电池暗电流的影响

对于太阳电池，不仅存在体复合中心临界值，而且也存在表面复合中心临界值（≈1×1012cm–3）。当表面复合中心密度小于该临界值时，表面复合中心对太阳电池电学性能的影响较小。当表面复合中心密度由0增大到1×1012cm–3时，电池效率仅降低0.063 2%（如表2所示）。当表面复合中心密度高于临界值时，表面复合中心将严重制约太阳电池转换效率的提高。当表面复合中心密度由1×1012cm–3增大到1×1013cm–3（增大一个数量级）时，电池效率降低了0.367 4%。因此，在产业化单晶硅太阳电池加工中制备表面钝化效果优良的钝化膜意义重大。目前，在产业化单晶硅电池加工过程中，太阳电池上表面通常采用由PECVD（等离子增强化学气相淀积）法制备得到的氮化硅薄膜作为钝化-减反射膜[2]。电池下表面通常采用全铝背表面场结构或局部点接触结构来降低下表面复合速率[13]。另外，还应在电池加工过程中特别注意清洁度，以确保不引入产生复合中心的杂质。

表2 表面复合中心密度对太阳电池电学参数的影响

Tab.2 The influence on solar cells electrical parameters by surface recombination center density

3 结论

主要研究了P型单晶硅体内和表面的复合中心对产业化太阳电池电学性能的影响，重点分析了分别存在体复合中心和表面复合中心时，太阳电池内量子效率、暗电流及转换效率衰减的基本特点和规律。并给出太阳电池电学性能发生跃变时的复合中心临界密度值，为单晶硅材料生长及后续太阳电池加工提供了有意义的参考信息。

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（编辑：曾革）

Influence of bulk and surface recombination center on electrical performence of mono-crystalline silicon solar cells

ZHOU Tao, LU Xiaodong, WU Yuanqing, ZHANG Jinjing

(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China)

The influences of bulk and surface recombination center on industrialized P-type mono-crystalline silicon solar cell’s electrical performance were studied in detail by using TCAD semiconductor device simulation software. The changing characteristics of the solar cell’s internal quantum efficiency, dark current and conversion efficiency were analyzed when recombination center exists in the body and the surface of solar cell. The results show that the bulk recombination center critical density is about 1×1013material and the surface recombination center critical density is about 1×1012cm–3for the mono-crystalline silicon solar cell. When the bulk and the surface recombination center density is less than the critical density respectively, recombination center has little effect on solar cell’s internal quantum efficiency, dark current, short circuit current density, open circuit voltage and conversion efficiency. But when the bulk and the surface recombination center density is greater than the critical density, with the increase of the bulk and the surface recombination center density, solar cell’s electrical performance is significantly lowered.

mono-crystalline silicon; solar cell; recombination center; internal quantum efficiency; dark current; conversion efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.014

TM 914.4

A

1001-2028（2016）11-0067-05

2016-09-09

周涛

国家自然科学基金资助项目（No. 11304020）

周涛（1983－），男，辽宁葫芦岛人，讲师，硕士，主要从事晶硅太阳能电池和功率半导体器件相关技术研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com。

2016-10-28 14:14:27

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.014.html