超薄异质结太阳能电池理论模拟计算及分析

车 晋，卢海江

(1.山西农业大学信息学院，晋中 030800；2.宣城开盛新能源科技有限公司，宣城 242000)

0 引 言

在主流的PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)太阳能电池降成本空间越来越小，转换效率越来越接近理论“天花板”的背景下，异质结太阳能电池有望成为下一代商业化光伏生产的候选技术之一。和PERC技术相比，理论上异质结电池拥有更高的转换效率，目前最高转换效率已经达到25.6%，叠加IBC(Interdigitated back contact)技术后可以超过26%。此外，双面电池组件产品越来越受到主流市场的认可，异质结电池具有更好的双面性，双面率可以达到98%。因此异质结电池已经成为了光伏行业的新宠，各大光伏企业都在加快异质结电池的研发和产业化。目前异质结电池尚不具备成本优势，异质结电池降低成本主要从两方面着手：一方面，降低低温银浆的成本；另一方面就是降低硅材料成本，最直接的方法就是使用更薄的硅片，行业使用的都是150 μm左右的硅片，如果把硅片的厚度降低到100 μm以下，成本会大幅下降。由于异质结电池采用对称的结构，没有铝背场，因此电池片不会出现翘曲现象，使用更薄的硅片，可以制造能够弯曲的柔性组件，能够更大程度的扩展光伏组件的应用领域。所以采用超薄硅片的异质结电池必将是未来的发展方向。三洋公司在2011年就研发了厚度只有98 μm，转换效率达22.8%的超薄异质结电池[1]，给超薄异质结电池的可行性提供了强有力的依据。

自从异质结电池诞生以来，为了获得低成本、高效率的异质结太阳能电池，世界各国的科学家对其做了大量的理论模拟研究工作，也取得了很大的进展，但主要是基于常规厚度硅片的异质结电池的理论模拟，探究其物理规律和提高电池转换效率的途径，而对于采用超薄硅片的异质结电池方面的理论模拟工作甚少，以考虑成本的角度，采用超薄硅片的异质结电池必然是未来发展的行业趋势。因此本文采用AFORS-HET数值模拟软件(该软件具有更高的可靠性[2])，选用厚度为80 μm的N型硅片作为衬底，对超薄异质结电池的性能做了探究和分析，为后续超薄异质结电池的投产提供理论依据。

1 物理模型

AFORS-HET是在半导体材料态密度(DOS)模式下对器件进行直流模拟。在这种模式下，半导体的能带电子态分为导带、价带扩展态，导带、价带带尾定域态以及带隙定域态。带尾定域态主要由键角应变键引起，其态密度用指数函数描述。带隙定域态其密度呈双高斯分布[3]。模拟中复合模型采用带间复合、俄歇复合和Shock-ley-Read-Hall复合，并且采用经典的玻尔兹曼统计来计算载流子的浓度。

本文模拟的超薄异质结电池结构如图1所示，其衬底选择为80 μm厚的N型Si衬底，假设电池的表面反射率为0.1，背面反射率为0，电池无限光和背场效应，正、背面电极均为欧姆接触，各层的其他参数如表1所示，缺陷态的设置参考文献[4-7]，模拟太阳光的照射条件为25 ℃，AM1.5，1 000 mW/cm2，有效波段范围0.3～1.1 μm。

表1 太阳能电池模拟参数

2 结果与讨论

2.1 窗口层厚度对电池性能的影响

图1 超薄异质结电池的结构图

窗口层对超薄异质结电池的性能有重要影响，图2模拟了不同窗口层厚度条件下超薄异质结太阳能电池性能参数的变化情况，在模拟过程中只改变窗口层厚度，保持其他参数不变，且忽略界面态的影响。模拟结果表明，随着窗口层厚度的增加，电池各项光伏参数都在减小，其中开路电压Voc和短路电流Jsc受影响最大，这是因为与N型单晶硅(N-c-Si)衬底相比，P型纳米晶硅(P-nc-Si)窗口层有更多的缺陷态，大量载流子在发射区复合，而且光生载流子在窗口层的扩散长度小，因此只有漂移电流无扩散电流，窗口层产生的光生载流子对电池的总电流几乎没有贡献[8]，P-nc-Si薄膜具有较大的光学吸收系数，因此随着窗口层厚度的增加，短路电流也会大幅下降。由理想二极管模型可知：

(1)

式中，k是指玻尔兹曼常数，t是时间，q是电荷，Jsc是太阳能电池的短路电流密度，J0是太阳能电池的反向饱和电流密度。

当短路电流Jsc下降时会导致开路电压的下降，进而导致电池填充因子和转换效率的下降。图3为不同窗口层厚度内量子效率变化曲线。从图中也可以看出，随着窗口层厚度的增大，内量子效率在短波区(300～600 nm)明显减弱，主要是由于窗口层的光吸收所导致，这也是短路电流减少的重要原因。因此对于超薄异质结太阳能电池，窗口层要尽量的薄，但是考虑到在实际生产过程中，如果硅基薄膜沉积太薄，薄膜的质量和均匀性都很难达到工艺要求，所以P-nc-Si的厚度要控制在5～9 nm的范围内，电池可以取得较高的效率。

图2 窗口层厚度对电池性能的影响

图3 不同窗口层厚度的内量子效率

2.2 窗口层掺杂浓度对电池性能的影响

对于异质结太阳能电池，窗口层的掺杂浓度对电池性能的影响非常重要，因此模拟了窗口层在不同掺杂浓度条件下，对超薄异质结太阳能电池性能的影响，在模拟过程中仅仅改变窗口层掺杂浓度，其他参数保持不变，且忽略界面态的影响。

由图4模拟结果表明，随着窗口层掺杂浓度的增加，电池各项光伏参数都是先增加然后趋于恒定，因为在N-c-Si的掺杂浓度、温度不变的情况下，窗口层掺杂浓度越高，内建电场越强，电池的开路电压也越大[9]，填充因子FF与开路电压Voc的关系可用经验公式[9]表示为：

(2)

式中，k是指玻尔兹曼常数，q是电荷，T是温度，voc是指归一化的开路电压。所以随着电池开路电压的增加，填充因子FF也在增加；另一方面，当内建电场增强时，能够有效提高载流子的收集效率，所以电池Jsc增加。但是当掺杂浓度继续增加时，内建电场强度、载流子收集都达到了饱和，由此各项参数都保持了不变。

图5为不同窗口层掺杂浓度的内量子效率变化曲线。从图中可以看出，随着窗口层掺杂浓度的增大，内量子效率在长波长(500～1 100 nm)处增强，因为窗口层的掺杂浓度增加时，窗口层的空间电荷区几乎不发生变化，但是N-c-Si的空间电荷区会变宽，由于长波长的光在距离硅片表面较远处被吸收，所以当电荷区变宽时，离表面较远的光生载流子的收集效率会大幅提高，因此电池长波处的内量子效率较大，这也是短路电流增大的重要原因。

当掺杂浓度继续增加时，电池在短波处(300～500 nm)的内量子效率略微减少，这是因为短波长的光子主要是被P-nc-Si窗口层所吸收，在高掺杂的P-nc-Si窗口层中，不仅具有高的缺陷态密度，而且俄歇复合几率也会增强，导致发射区的光生载流子的复合增加，因此窗口层产生的光生载流子对电池总电流没有贡献，从而导致在短波长的内量子效率降低。

通过对P-nc-Si窗口层掺杂浓度的模拟得出，对于超薄异质结太阳能电池，为了得到较高的电池效率，其掺杂浓度选择7×1019～8×1019的范围。

图4 窗口层掺杂浓度对电池性能的影响

图5 不同窗口层掺杂浓度的内量子效率

2.3 窗口层光学带隙对电池性能的影响

由图6的模拟结果得出，窗口层的掺杂浓度和厚度不变时，带隙宽度的变化对开路电压和电池的效率影响较大，对填充因子和短路电流有较小的影响。电池的开路电压和效率随着带隙的增大而增加，因为当窗口层带隙宽度增大时，载流子在N-c-Si和P-nc-Si之间的势垒增加，PN结的反向饱和电流减少，则开路电压变大，进而导致电池的转换效率上升。图7为窗口层不同带隙的内量子效率图。从图中的模拟结果可以看出，随着窗口层带隙增加，短波处的内量子效率相应增加，主要是由于窗口层在短波处的吸收减少所致，这也是电池短路电流增加的原因[10-11]。当带隙大于2 eV以后，电池的FF开始下降，这主要是两方面原因造成的。一方面是由于P-nc-Si薄膜内部较多的缺陷态，当窗口层带隙较低时，缺陷的影响比较小，同时带隙的增加会弥补缺陷的影响，FF基本上保持不变，电池的转换效率也会明显增加，但是当带隙增加幅度过大时，缺陷造成的影响就会急剧增加，伴随着填充因子的下降，最终导致电池的转换效率下降。另一方面随着窗口层带隙的增加，本征硅和晶体硅的能带偏移增加，进而导致光生少数载流子的势垒增加，阻碍少数载流子的传输，最终结果是电池性能整体下降。因此综合考虑，对于高效超薄异质结太阳能电池窗口层的带隙应该是在1.85～2.0 eV之间。

图6 窗口层带隙对电池性能的影响

图7 不同带隙窗口层的内量子效率

2.4 本征层厚度对电池性能的影响

异质结电池的转换效率能够取得突破，主要归功于在最初的异质结电池结构中，插入一层很薄的本征非晶硅薄层，无论是常规的异质结电池还是超薄异质结电池，本征层薄膜的质量和性能都非常重要。本文在数值模拟过程不考虑其界面态，即不考虑本征层的钝化功能，主要是模拟和分析了本征层的厚度和光学带隙对超薄异质结电池性能的影响。

从图8的模拟结果可以看出，随着本征层厚度从1 nm增加到3 nm时，电池的填充因子FF和效率Eff相应增加，由于本征硅带隙介于晶硅和窗口层之间，可以起到能带的过渡作用，因此插入本征硅，可以降低少数载流子的传输势垒，有利于光生载流子的收集，导致FF相应增加，进而导致电池转换效率上升[10-11]。本征层薄膜的电阻率较高，当其厚度继续增加时，电池的串联电阻不断增大，串联电阻是FF因子的重要影响因素，所以随着本征层厚度的增加，填充因子相应减小，进而导致电池转换效率降低。模拟结果得出，随着本征层厚度的增加，电池的短路电流逐渐减少，由于本征非晶硅薄膜的光学吸收系数较大，随着厚度增加，其对短波处的光吸收也在增加，由于薄膜中的缺陷态密度较高，产生的光生载流子很快会被复合掉，则本征层吸收光产生的光生载流子对电池的总电流没有贡献[12-13]。图9为不同厚度本征层的内量子效率模拟结果。从图中可以看出，随着本征层厚度的增加，在短波波段(300～600 nm)的量子效率较小，这也是电池短路电流降低的主要原因。所以本征层的厚度不宜太厚，考虑到其实际的钝化性能，超薄异质结电池的本征层厚度在5～10 nm最佳。

图8 本征层厚度对电池性能的影响

图9 不同厚度本征层的内量子效率

2.5 本征层带隙对电池性能的影响

由图10可以看到本征层的光学带隙对电池各项光伏参数影响较小，本征层带隙从1.5 eV增加到1.8 eV时，电池转换效率和短路电流略有增加，主要是由于本征层薄膜带隙的增加，减少了本征层对短波长光波的吸收。其内量子效率结果(见图11)也可以得到验证，随着本征层光学带隙增加，300～600 nm波段的内量子效率也在增加。当带隙大于1.8 eV以后，电池各项性能都在大幅的下降，这是由于随着带隙的继续增加，本征硅和晶体硅的能带偏差增加，进而导致光生载流子的势垒增加，严重阻碍载流子的传输[11]。最终结果是电池性能整体下降。因此，对于超薄异质结太阳能电池，结合实际生产情况，其本征层的光学带隙合理的范围是1.6～1.8 eV之间。

图10 本征层带隙对电池性能的影响

图11 不同带隙本征层的内量子效率

3 结 论

通过AFORS-HET电池模拟软件，分析模拟了当异质结太阳能电池的衬底厚度仅为80 μm的条件下，其窗口层、本征层的掺杂浓度、厚度、带隙等参数对超薄异质结电池性能的影响。得出了窗口层、本征层等参数的工艺窗口范围，为实验和实际生产都提供了一定的理论依据。对于超薄异质结电池，薄膜的厚度在保证均匀性和钝化性能的基础上，可以尽量薄一些，这样有助于提高电池的效率。而窗口层的光学带隙须和本征层的光学带隙相匹配，不能单调的大幅提高某一层的带隙，否则会形成能带带阶，降低电池的性能。