超薄异质结太阳能电池背面场的理论模拟优化

车晋

摘 要：采用AFORS-HET软件对超薄异质结太阳能电池背面场的掺杂浓度、厚度、带隙等参数进行数值模拟和优化，结合实际具体分析了每个参数对超薄异质结电池性能的影响规律，得出了最佳的优化参数。模拟结果表明：对于衬底厚度仅为80 μm的超薄异质结电池，综合考虑理论和实际，得出背面场最佳厚度是20 nm。随着背面场掺杂浓度的增加，电池性能整体先提升后趋于恒定，背面场理论的最佳掺杂浓度范围为7E19。

关键词：纳米晶硅;超薄异质结电池;模拟计算;背面场

在目前光伏市场中主流的钝化发射极和背面电池（Passivated Emitter and Rear Cell，PERC）降本空间越来越小、转换效率越来越接近理论“天花板”的背景下，异质结有望成为下一代商业化光伏生产的候选技术之一。和技术相比，理论上异质结拥有更高的转换效率，最高转换效率已经达到25.6%。目前，异质结电池尚不具备成本优势，可降低的成本主要是低温银浆和硅片的成本，而行业使用的都是150 μm左右的硅片，如果把硅片的厚度降到100 μm以下，成本会大幅度下降。所以，采用超薄硅片的异质结电池必将是发展方向。三洋在2011年就研发了厚度只有98 μm、效率达到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。因此，本研究采用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进行探究和分析，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（Density of States，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，导帶、价带带尾定域态以及带隙定域态。在AFORS-HET模拟中，主要对设计的电池结构求解以下4个半导体稳态方程[3-4]。

本研究模拟的超薄异质结电池结构如图1所示，衬底选择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[3]，模拟太阳光的照射条件为25 ℃ AM1.5，1 000 mW/cm2，有效波段范围为0.3～1.1 μm。

2    结果分析与讨论

2.1  背面场厚度对电池性能的影响

背面场对超薄异质结电池的性能有重要影响，图2模拟了不同背面场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背面场厚度，其他参数保持不变，且忽略界面态的影响。

模拟结果表明，随着背面场厚度的增加，电池各项光伏参数都保持不变，说明如果保证背面场薄膜的电学性能和结构性能稳定，由于背面场几乎不吸收可见光，背面场的窗口是比较宽的，但是考虑到产业化实施的难度、薄膜均匀性以及薄膜的钝化性能，背面场的薄膜厚度应该设置为20 nm。

2.2  背面场掺杂浓度对电池性能的影响

背面场的掺杂浓度对异质结太阳能电池性能的影响非常重要，因此模拟了不同掺杂浓度的背面场，研究其对超薄异质结太阳能电池性能的影响。在模拟过程中仅改变背场的掺杂浓度，其他参数保持不变，且忽略界面态的影响。模拟结果如图3所示。

由图3可见，随着掺杂浓度的增加，电池各项光伏参数都是先增加而后趋于恒定，这主要是因为在N-c-Si掺杂浓度不变、温度不变的情况下，背场掺杂浓度越高，内建电场越强，对少数载流子的反射就越强，使载流子在界面的复合电流也就越小，导致开路电压越大[4]，填充因子FF与VOC的关系可用经验公式表示为：

所以，随着电池开路电压的增加，填充因子FF也在增加;此外，当内建电场增强时，能够有效提高多数载流子的搜集效率，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，因此各项参数保持不变。

通过对P-nc-Si背面场掺杂浓度的模拟得出，为了得到较高的电池效率，超薄异质结太阳能电池背面场的掺杂浓度选择7E19。

3    结语

通过AFORS-HET电池模拟软件，分析模拟了在异质结太阳能电池的衬底厚度仅为80 μm的条件下，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。结果表明：随着窗口层厚度的增加，电池性能都呈现下降的趋势，综合理论模拟和实际生产，背面场厚度的最优值是20 nm;随着背面场掺杂浓度的增加，电池的整体性能先提升后趋于恒定，背面场理论上的掺杂浓度范围控制在7E19。

[参考文献]

[1]SAWADA T，TERADA N，TSUGE S，et al.High efficiency a-Si：H/c-Si hererojunction solar cell[C].Hawaii：Prcoeeding of the First WCPE Conference，1994.

[2]STANGL R，FROITZHEIM A，SCHMIDT M，et al.Photovoltaic energy conversion[C].Osaka：Proceeding of the 3th Word Conference，2003.

[3]赵雷，周春兰，李海玲，等.a-Si（n）/c-Si（p）异质结电池薄膜硅背场的模拟优化[J].物理学报，2008，57（5）：3212-3218.

[4]胡志华.纳米硅（N-c-Si：H）/晶体硅（c-Si）异质结太阳能电池的数值模拟分析[J].物理学报，2003（52）：217-224.