高效单晶硅太阳电池基区结构设计与参数优化

周 涛，陆晓东，吴元庆，夏婷婷

(渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000)

高效单晶硅太阳电池基区结构设计与参数优化

周 涛，陆晓东，吴元庆，夏婷婷

(渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000)

首先利用TCAD半导体器件仿真软件全面系统地分析了在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对常规P型单晶硅太阳电池输出特性的影响。然后基于对仿真结果的分析，提出一种具有非均匀基区的单晶硅太阳电池结构，并对其输出特性进行了仿真研究。结果表明：当少子寿命一定时，存在最优的基区电阻率，使得常规电池的转换效率最大；随着少子寿命的减小，电池最优的基区电阻率减小；提高基区电阻率有利于常规电池长波段量子效率和短路电流的提高，但同时会降低电池的开路电压和填充因子；当少子寿命较低时，非均匀基区结构不具有提高常规电池转换效率的作用。但当少子寿命增大到一定值时，通过优化非均匀基区的表面浓度，非均匀基区结构可有效改善常规电池的电学性能。

太阳电池； 非均匀基区； 表面浓度； 电阻率； 少子寿命； 转换效率； 量子效率

1 引 言

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%[2]，如果想进一步提高单晶硅太阳电池的转换效率，必须对单晶硅太阳电池的结构参数和工艺条件进行精细的设计和优化。由于不同波长入射光在单晶硅太阳电池中的吸收深度不一样。基区结构参数的变化将对太阳电池直接吸收的太阳辐射光谱范围产生影响。且在光生载流子的收集过程中，基区结构参数将对光生载流子复合损耗(缺陷引发的Shockley-Read-Hall辐射复合、俄歇复合)和串联电阻损耗产生显著影响。因此从理论上深入研究单晶硅太阳电池的基区结构参数对太阳电池输出特性的影响，对提高电池转换效率具有重要意义。

目前在太阳电池研究领域广泛使用的模拟软件(如PC1D、AMPS1D等)只能对太阳电池进行一维器件仿真，无法对选择性发射极电池、背接触太阳电池、金属环绕穿通电池、发射极环绕穿通电池等复杂结构的高效电池进行精确仿真。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[3]，已经越来越多的应用于太阳电池制造工艺和器件电学性能的仿真研究。

虽然关于太阳电池结构参数设计和电池性能研究的文献报道有很多[3-13]，但针对单晶硅太阳电池基区结构设计及参数优化的相关研究尚报道较少。因此，为一步提高单晶硅太阳电池转换效率，本文首先利用TCAD半导体器件仿真软件针对基区结构参数对常规产业化P型单晶硅太阳电池输出特性的影响进行了仿真研究，全面系统地分析了基区电阻率和少子寿命对电池外量子效率、短路电流密度、开路电压、填充因子及转换效率的影响。然后基于对仿真结果的分析，提出一种浅扩散、缓变掺杂的非均匀基区单晶硅太阳电池结构。通过计算在不同少子寿命情况下，非均匀基区表面浓度对太阳电池转换效率的影响，表明采用非均匀基区结构可以在一定程度上改善单晶硅太阳电池的电学性能。本文仿真结果可为高效单晶硅太阳电池结构设计及优化提供有意义的参考信息。

2 单晶硅太阳电池结构的计算模型及参数选择

用于仿真的单晶硅太阳电池的二维结构如图1所示。电池具体结构参数为[2-6,9,14-15]：单元电池(栅电极中点到相邻的发射区中点)尺寸为1000μm；上表面金字塔绒面高为3μm，金字塔侧面与底面夹角为54.7°；Si3N4减反射膜厚度为79nm。背表面场(P+)表面峰值浓度为8.15×1018cm-3，扩散深度为3.6μm，背表面复合速度为9×104cm/s；P型单晶硅片厚度为170μm，电阻率为变量，变化范围为0.1Ω·cm～2Ω·cm。少子寿命为变量，变化范围为10μs～500μs。太阳电池发射区表面浓度为1×1019cm-3，结深为0.3μm。栅电极半宽度为30μm；金属电极-发射区接触电阻率(rC)与发射区表面浓度有关，rC值取为[14]4.63×10-3Ω·cm2。假设外部并联电导为0S。电池非金属接触区表面复合速率与Si3N4减反射膜的钝化效果直接相关[12]，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度为1×107cm/s。在器件仿真过程中，选用以下模型：与掺杂浓度相关的俄歇复合模型和Shockley-Read-Hall复合模型；与掺杂浓度相关的迁移率模型，重掺杂导致的带隙变窄模型。模拟测试条件为：25℃，AM1.5G光谱，入射光垂直电池上表面入射，光强为1000W/m2。

图1 单晶硅太阳电池结构Fig.1 Mono-crystalline silicon solar cell structure

3 基区电阻率和少子寿命对常规单晶硅太阳电池输出特性的影响

图2为计算得到的在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对常规单晶硅太阳电池外量子效率的影响。由图2可见：当少子寿命一定时，基区电阻率的变化对600nm～1200nm长波段外量子效率产生显著的影响。基区电阻率越低，长波段外量子效率越低。当基区电阻率一定时，随着少子寿命的增大，长波段外量子效率得到明显改善。原因为：由于不同波长的入射光在电池中的吸收深度不同，电池对短波长光的吸收系数较大，吸收深度较浅[16]。对于波长较短(<600nm)的可见光波段的外量子效率主要受电池发射区参数的影响，受基区电阻率的影响较小。而对于波长在600nm<λ≤1200nm范围的长波段入射光将在基区中被吸收并激发产生光生载流子。当少子寿命一定时，基区电阻率越低，少子扩散长度越短[17]，光生载流子复合损耗越大，长波段外量子效率越低。当基区电阻率一定时，少子寿命越低，少子扩散长度越短[17]，光生载流子复合损耗越大。因此，提高基区电阻率和少子寿命有利于改善长波段外量子效率。图3为计算得到的在不同少子寿命情况下，不同基区电阻率对常规单晶硅太阳电池短路电流密度的影响。由于短路电流密度是全部入射光波段贡献的总和，因此，提高基区电阻率和少子寿命有利于电池短路电流密度的提高。

图2 在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对单晶硅太阳电池外量子效率的影响(a) tn=10μs； (b) tn=100μs； (c) tn=500μsFig.2 Influence of different resistivity of base on external quantum efficiency of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime (a) tn=10μs； (b) tn=100μs； (c) tn=500μs

图3 在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对单晶硅太阳电池短路电流密度的影响Fig.3 Influence of different resistivity of base on short circuit current density of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime

图4 在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对单晶硅太阳电池开路电压的影响Fig.4 Influence of different resistivity of base on open-circuit voltage of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime

图4为计算得到的在不同少子寿命情况下，基区电阻率对常规单晶硅太阳电池开路电压的影响。由图4可见：当少子寿命一定时，基区电阻率越大，电池开路电压越小。当基区电阻率一定时，少子寿命越大，电池开路电压越大。原因为：影响太阳电池开路电压(VOC)的主要因素之一是反向饱和暗电流[18]。当太阳电池材料及光照条件确定时，电池开路电压随着反向饱和暗电流的增大而减小。当少子寿命一定时，基区电阻率越大，反向饱和暗电流越大[18]，电池开路电压越小。反向饱和暗电流同样受到少数载流子在太阳电池中复合损耗的影响。当基区电阻率一定时，少子寿命越小，光生载流子在输运过程中的复合损耗越大，电池反向饱和暗电流越大，电池开路电压越小。因此，降低基区电阻率并提高少子寿命有利于太阳电池开路电压的提高。

图5为计算得到的在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对常规单晶硅太阳电池填充因子的影响。由图5可见：随着基区电阻率、少子寿命的变化，电池填充因子曲线与开路电压曲线的变化特点基本一致。当少子寿命一定时，基区电阻率越高，电池填充因子越低。当基区电阻率一定时，少子寿命越高，电池填充因子越高。原因为：填充因子FF主要与太阳电池的串联电阻损耗和光生载流子复合损耗有关[18]。当少子寿命一定时，基区电阻率越高，串联电阻损耗越大，电池填充因子越低。当基区电阻率一定时，少子寿命越小，光生载流子复合损耗越大，电池填充因子越低。因此，降低基区电阻率并提高少子寿命有利于太阳电池填充因子的提高。

图5 在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对单晶硅太阳电池填充因子的影响.Fig.5 Influence of different resistivity of base on fill factor of the mono-crystalline silicon solar cells under different minority carrier lifetime

太阳电池转换效率Eff可表示为[17]：

其中：Pin为单位面积入射光的功率。由上述太阳电池JSC、VOC和FF的计算结果可直接计算得到电池的Eff曲线。图6为计算得到的在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对常规单晶硅太阳电池转换效率的影响。由图6可见：随着基区电阻率的增大，对于具有不同少子寿命的单晶硅太阳电池，其转换效率均存在峰值，即存在最优的基区电阻率。随着少子寿命的减小，电池最优的基区电阻率减小。当tn=10μs时，最优的基区电阻率约为0.5Ω·cm，电池转换效率约为18.8%；当tn=100μs时，最优的基区电阻率为0.9Ω·cm，电池转换效率约为21%。当tn=500μs时，最优的基区电阻率为1.5Ω·cm，电池转换效率约为21.6%。因此，为提高常规单晶硅太阳电池的转换效率，应在提高少子寿命的基础上，对基区电阻率进行优化。

图6 在不同少子寿命的情况下，基区电阻率对单晶硅太阳电池转换效率的影响Fig.6 Influence of different resistivity of base on conversion efficiency of the mono-crystalline silicon solar cell under different minority carrier lifetime

由上述基区电阻率对太阳电池输出特性的影响可知，当少子寿命一定时，降低基区电阻率有利于电池开路电压和填充因子的提高，但同时会降低长波段外量子效率和短路电流密度。因此，为进一步改善常规产业化单晶硅太阳电池的电学性能，提出一种具有非均匀基区结构的单晶硅太阳电池结构(如图7所示)。即在电池发射区(N+)扩散前，首先在均匀基区(P-)上表面进行P+硼扩散(表面浓度高于均匀基区掺杂浓度)，然后在该P+区域上进行发射区扩散，且发射结结深小于P+区扩散深度(dB)。相对于常规电池均匀掺杂的基区，由于P+硼扩散区域的杂质分布属于非均匀分布，因此，称P+硼扩散区域为非均匀基区。为了降低高掺杂的非均匀基区对短路电流密度的不利影响，扩散深度(dB)取值较小，同时，可提高均匀基区部分的电阻率(r)。在计算过程中，令dB=0.4μm，r=1.5Ω·cm。

表1为计算得到的在不同少子寿命的情况下，非均匀基区表面浓度对太阳电池转换效率的影响。由表1可见：在不同少子寿命的情况下，随着非均匀基区表面浓度的增大，电池转换效率均有不同程度地降低。少子寿命越小，转换效率降低越显著。当tn=10μs时，对于具有不同非均匀基区表面浓度的太阳电池，其

表1 在不同少子寿命情况下，不同非均匀基区表面浓度对太阳电池转换效率的影响

转换效率均低于常规电池的转换效率。当tn=100μs时，对于非均匀基区表面浓度较低(≤1×1017cm-3)的太阳电池，其转换效率高于常规电池的转换效率。当tn=500μs时，对于具有非均匀基区结构的太阳电池，其转换效率均高于常规电池的转换效率。原因为：随着非均匀基区表面浓度的增大，虽然有利于太阳电池开路电压和填充因子的提高，但同时会增大光生载流子的复合损耗，导致电池短路电流密度显著降低。因此，太阳电池转换效率随着非均匀基区表面浓度的增大而减小。少子寿命越小，光生载流子复合损耗越严重，电池转换效率减小的幅度越大。当衬底少子寿命较低(10μs)时，随着非均匀基区表面浓度的增大，短路电流密度的减小是影响电池效率的主要因素，导致具有非均匀基区结构太阳电池转换效率均低于常规电池的转换效率。随着少子寿命的增大，光生载流子的复合损耗降低。当少子寿命为100μs，且非均匀基区表面浓度低于1×1017cm-3时，随着非均匀基区表面浓度的增大，开路电压和填充因子的增大成为影响电池效率的主要因素，使得非均匀基区电池的转换效率高于常规电池的转换效率。当衬底少子寿命增大到500μs时，光生载流子复合损耗进一步降低，从而在不同非均匀基区表面浓度的情况下，电池转换效率均高于常规电池的转换效率。

综上所述，非均匀基区结构对常规太阳电池转换效率的改善效果，受非均匀基区结构参数及少子寿命的共同影响。当少子寿命较低时，非均匀基区结构不具有提高常规太阳电池转换效率的作用。当少子寿命增大到一定值时，通过优化非均匀基区表面浓度，非均匀基区结构可有效提高常规太阳电池的转换效率。

5 结 论

本文利用TCAD半导体器件仿真软件详细地分析了基区电阻率和少子寿命对单晶硅太阳电池输出特性的影响。仿真结果表明：在不同少子寿命的情况下，存在最优的电阻率，使得太阳电池的转换效率最大。随着少子寿命的减小，太阳电池最优的基区电阻率减小。当少子寿命一定时，提高基区电阻率有利于电池长波段外量子效率和短路电流密度的提高，但同时会降低电池的开路电压和填充因子。

为进一步提高常规产业化单晶硅太阳电池的转换效率，提出一种具有非均匀掺杂基区的单晶硅太阳电池结构，并对其输出特性进行了仿真研究。仿真结果表明：非均匀基区结构对常规电池转换效率的改善效果，受非均匀基区结构参数及少子寿命的共同影响。当少子寿命较低时，非均匀基区结构不具有改善常规电池电学性能的作用。当少子寿命增大到一定值时，通过优化非均匀基区表面浓度，非均匀基区结构可有效提高常规太阳电池的转换效率。

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Base Structural Design and Parameter Optimization of High-efficiency Mono-Crystalline Silicon Solar Cells

ZHOU Tao， LU Xiaodong， WU Yuanqing， XIA Tingting

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

Firstly, influence of the base resistivity on the output behavior of conventional mono-crystalline silicon solar cell is analyzed comprehensively under different minority carrier lifetime. Secondly, based on the analysis of simulation results, this paper puts forward a kind of mono-crystalline silicon solar cell structure with non-uniform doped base, and the simulation research is carried on its output characteristic. The simulation results show that when minority carrier lifetime remains at a fixed value, there is an optimal base resistivity to make the conventional solar cell reach its maximum conversion efficiency; With the decrease of the minority carrier lifetime, the optimal base resistivity decreased; The increase of the resistivity of the base is advantageous to the conventional solar cell quantum efficiency and short circuit current, but will reduce open circuit voltage and fill factor at the same time. When minority carrier lifetime is low, the non-uniform base structure does not improve the conventional solar cell conversion efficiency. But when minority carrier lifetime increases to a certain value, non-uniform base structure can improve the electrical performance of conventional solar cell effectively through optimizing the base non-uniform surface concentration.

solar cell； non-uniform base； surface concentration； resistivity； minority carrier lifetime； conversion efficiency； quantum efficiency

1673-2812(2017)01-0105-06

2015-10-28；

2016-01-08

国家自然科学基金资助项目(11304020)

周 涛(1983-)，男，硕士，讲师，主要从事晶硅太阳能电池和功率半导体器件相关技术方面的研究。E-mail:bhuzhoutao@163.com。

TM 914.4

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.021