TOPCon-n-PERT太阳电池结构关键参数 对其电性能影响的研究

吕 欣，王旭花，刘国能

(1.国家电力投资集团公司陕西分公司，西安 710000；2.西安理工大学，西安 710048)

0 引言

相较于当前主流的采用钝化发射极背接触(PERC)技术的p型太阳电池而言，采用发射极钝化全背场扩散(PERT)、 隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)、异质结(HIT)或叉指状背接触(IBC)等技术的n型太阳电池提升光电转换效率的空间更大[1]。

TOPCon技术作为前沿的太阳电池技术之一，不但能实现与HIT结构相当的表面钝化效果，而且还可以与高温工艺相兼容，同时也避免了电极接触处引起的高复合问题[2]，目前针对TOPCon技术的研究主要是基于n型PERT太阳电池[3]。在不断改进太阳电池制造工艺的过程中，模拟设计是减少产品研发成本和实验次数的有效路径[4]。本文利用德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)的Andreas Fell开发的Quokka3软件，对采用TOPCon技术的n型PERT太阳电池(下文简称“TOPCon-n-PERT电池”)的关键参数进行了仿真模拟，着重研究了发射极的饱和电流密度、发射极-金属接触电阻率、背表面隧穿氧化层厚度及背表面饱和电流密度对电池电性能的影响，并进行了实验论证，以期为新型产品的设计与研发提供依据。

1 发射极对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响

TOPCon-n-PERT电池属于p+-n-n+的非对称结构，硅片的厚度、电阻率等均是影响电池光电转换效率的重要因素[5]。电池的有效少子寿命与发射极和背表面的饱和电流密度密切相关，而TOPCon-n-PERT电池的背表面钝化层采用隧穿氧化层与掺杂多晶硅薄膜的叠层结构，因此其背表面的饱和电流密度较小。基于已有的基础研究，为了进一步提升TOPCon-n-PERT电池的光电转换效率，降低其发射极的饱和电流密度和发射极-金属接触电阻率是关键控制点，也是在电池选择生产工艺时应重点关注的2个参数。

1.1 发射极饱和电流密度

TOPCon-n-PERT电池的隐开路电压i-Voc可表示为：

式中：K为玻尔兹曼常数；T为太阳电池测试时的环境温度；q为电子电荷；Δn为过剩的载流子浓度；Ndop为掺杂浓度；ni为本征载流子浓度。

TOPCon-n-PERT电池中，有效少子寿命τeff与饱和电流密度的关系可表示为：

式中：τbulk为体少子寿命；J0e为发射极的饱和电流密度；J0r为背表面的饱和电流密度；NA为受主掺杂浓度；W为电池结构的厚度。

基于上述理论及RICHTER等[6]的研究建立了TOPCon太阳电池模型，模拟计算了J0e对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响，结果如图1所示。

由图1可知，随着J0e值的增加，电池的光电转换效率及开路电压Voc值均呈逐渐下降的趋势；当J0e＜10-14A/cm2时，其对电池的光电转换效率及Voc值的影响相对较小；当J0e＞10-14A/cm2时，其对电池的光电转换效率及Voc值的影响较大。背表面的复合损失会超过发射极的复合损失而成为主要复合。当J0e=10-15A/cm2时，该电池的光电转换效率为26.25%。

图1 J0e对TOPCon-n-PERT电池光电转换效率及Voc的影响Fig. 1 Influence of J0e on photoelectric conversion efficiency and Voc of TOPCon-n-PERT solar cell

为研究发射极表面的钝化特性，实验设计了p+-n-p+的对称电池结构，此时J0e与J0r相等，且J0e越大，电池表面的复合速率也就越大。根据TOPCon-n-PERT电池生产过程中影响其表面复合速率的因素可知，其表面因损伤等原因导致的悬挂键或生产过程中引入的杂质均会对其表面少子的复合具有促进作用，因此，为了降低电池表面的复合速率和J0e，需要对电池表面进行钝化。

通过上述理论分析，认为作为钝化减反射膜的SiNx:H膜具有优良的氢钝化和减反射作用，但是SiNx:H膜与Si的晶格匹配性较差，导致Si/SiNx:H界面的缺陷密度较高，而Al2O3层的引入既能降低Si/SiNx:H界面的能级数目，又能提高其势垒高度，从而减少光生载流子在界面的复合概率，这更有利于光生电流的产生，但SiO2/Si具有良好的界面性能。综上分析可知，不同膜层结合的钝化效果差异较大[7]。为了能够使J0e的值最小，需进一步进行实验论证，因此分别采用SiNx:H、SiO2/SiNx:H、Al2O3/SiNx:H及SiO2/Al2O3/SiNx:H这4种钝化层开展p+-n-p+对称结构太阳电池的钝化实验，实验结果如图2所示。

通过译文，我们可以明显看出Schlepp采用了直译法，而翁显良却采用了意译法。由于他们的体验或是想象中的场景基本和马致远的相同，所以两篇译文基本都把意象和场景翻译出来了，但在其反映的认知世界中我们可以看到有较大的不同。

图2 采用不同钝化层时J0e的情况Fig. 2 Situation of J0e when using different passivation layers

由图2可知，采用SiO2/Al2O3/SiNx:H钝化层时J0e值达到最小，这说明其对于p+发射极具有最佳的钝化效果。

1.2 发射极－金属接触电阻率对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响

由TOPCon-n-PERT电池的结构可知，其背表面钝化层采用隧穿氧化层与掺杂多晶硅薄膜的叠层结构，在该叠层结构中多晶硅薄膜与金属电极直接接触，且多晶硅薄膜的掺杂浓度较高(超过1020/cm3)，因此多晶硅薄膜与金属电极之间的接触电阻率较低，对电池的电性能影响较小。而为了减小发射极表面的复合速率，在制作p-n结时应尽量减小发射极表面的硼掺杂浓度，这使得发射极与金属之间的接触电阻率成为了限制TOPCon-n-PERT电池光电转换效率的主要原因之一。因此，重点模拟了发射极-金属接触电阻率ρ对此类电池电性能的影响，结果如图3所示。

图3 ρ对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响Fig. 3 Influence of ρ on electrical performance of TOPCon-n-PERT solar cell

由图3可知，随着ρ的增加，TOPCon-n-PERT，电池的Voc及短路电流密度Jsc的值均基本不变但由于填充因子FF的值下降趋势明显，导致该电池光电转换效率值的降低。在ρ由10-4Ω·cm2增至10-2Ω·cm2的过程中，该电池FF的值由原来的82.8%降至77.2%，降低了5.6%；光电转换效率的值由原来的24.5%降至22.8%，下降了1.7%。由此可见，FF对ρ非常敏感，而FF对光电转换效率的影响较大，因此，优化ρ是提高TOPCon-n-PERT电池光电转换效率的重要途径之一。

2 TOPCon结构对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响

背表面隧穿氧化层的厚度与背表面饱和电流密度是影响TOPCon结构隧穿钝化特性的2个主要因素，下文对这2个因素对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响进行分析。

2.1 背表面隧穿氧化层厚度对电池电性能的影响

n-PERT电池结构是通过在PERT电池的背表面掺杂磷形成一层较浅的n+掺杂层，从而实现电池的背表面场钝化作用。而TOPCon-n-PERT电池背表面钝化层是一层极薄的隧穿氧化层与掺杂多晶硅薄膜的叠层结构，该结构不仅具有场钝化作用，还对载流子的传输具有选择透过特性，即其允许一种载流子(空穴或电子)自由通过界面，而阻碍另外一种载流子，通过拉开这2种载流子在界面的浓度差值而大幅抑制界面复合，从而降低背表面的饱和电流密度[8-9]。因而背表面隧穿氧化层的厚度对电池的电性能有非常重要的作用[10]。利用Quokka3软件模拟计算得到不同背表面隧穿氧化层厚度d对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响，结果如图4所示。

图4 d对TOPCon-n-PERT电池电性能的影响Fig. 4 Influence of d on the electrical performance of TOPCon-n-PERT solar cells

由图4可以看出，在d≤1.2 nm、1.2＜d≤2.2 nm及d＞2.2 nm这3个取值范围内，电池的各个电性能参数的变化趋势均不同。当背表面隧穿氧化层很薄时，载流子可以通过隧穿效应穿过SiOx层，隧穿氧化层对多数载流子的传输不产生阻碍。因此，在d≤1.2 nm时，电池可以获得优异的电性能；但当d逐渐增加(1.2＜d≤2.2 nm)，多数载流子的隧穿受到阻碍，电池的电性能会逐渐下降；当d超过临界厚度2.2 nm(d＞2.2 nm)时，多数载流子的隧穿将无法实现，光生载流子会大量在界面处发生复合，Jsc值急剧下降，导致电池的光电转换效率值也急剧下降。

为了进一步验证d的取值对TOPCon-n-PERT电池背表面钝化特性的影响，本文设计了TOPCon-n-PERT电池的背表面对称结构来进行实验。在保证温度、流量等参数不变的情况下，仅通过改变氧化时间来控制d值，分别得到d为0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 nm时的背表面隧穿氧化层，然后进行多晶硅薄膜的沉积与磷掺杂，研究不同d值对磷掺杂浓度分布的影响。根据测试结果，绘制了不同d值时磷掺杂浓度分布曲线和i-Voc测试结果，如图5所示。

图5 不同d值时的磷掺杂浓度分布及i-Voc情况Fig. 5 Phosphorus-doped concentration distribution and i-Voc situation with different d values

由图5可知，随着d值的增加，电池背表面的磷掺杂结深呈递减趋势，而i-Voc随着d值的增加呈先增加后减小的趋势；当d=1.2 nm时，背表面的i-Voc值达到最大，为735 mV，此时背表面的钝化效果达到最优。此结果与根据前文中图4得到的模拟结果一致，因此为了使电池的电性能达到最优，d的设计值取1.2 nm。

2.2 背表面饱和电流密度

基于前文分析的J0e对电池电性能参数影响的理论，同样针对背表面饱和电流密度J0r对电池光电转换效率及Voc的影响进行模拟计算，结果如图6所示。

图6 J0r对TOPCon-n-PERT电池光电转换效率及Voc的影响Fig. 6 Influence of J0r on photoelectric conversion efficiency and Voc of TOPCon-n-PERT solar cell

由图6可知，随着J0r的增加，电池的光电转换效率及Voc值均呈现逐渐下降的趋势；当J0r由10-13A/cm2减小到10-14A/cm2时，电池的光电转换效率及Voc值显著增加；当J0r降至10-15A/cm2时，电池前表面的复合损失将成为主要损失，电池的光电转换效率及Voc值受限于前表面的复合损失，增加幅度也逐渐减少，电池的光电转换效率会稳定在24.5%，Voc可以达到698 mV。这一结果与前文所述J0e对电池光电转换效率及Voc的影响趋势一致。

基于上述模拟结果，采用同一批次的硅片并分成3组，将这3组硅片经双面抛光后分别双面制备隧穿氧化层与磷掺杂多晶硅薄膜叠层结构(即TOPCon结构)、磷掺杂多晶硅薄膜及隧穿氧化层这3种膜层，然后对这3种膜层进行i-Voc和J0r测试，测试结果如图7所示。

图7 不同结构太阳电池的i-Voc和J0rFig. 7 i-Voc and J0r of solar cells with different structures

由图7可知，这3种膜层结构中TOPCon结构使J0r的值最低，为2.5 fA/cm2，这说明该结构具有较好的钝化效果；采用隧穿氧化层时J0r的值为110 fA/cm2；而采用磷掺杂多晶硅薄膜时J0r的值可达到1020 fA/cm2，该值远高于采用隧穿氧化层时与采用TOPCon结构时获得的J0r值，这说明该膜层的钝化效果最差。

依据上述研究成果，分别制备了n-PERT及TOPCon-n-PERT电池，并对这2种电池的电性能进行了测试，测试结果如图8所示。

图8 n-PERT电池和TOPCon-n-PERT电池的电性能对比Fig. 8 Comparison of electrical performance of n-PERT solar cells and TOPCon-n-PERT solar cells

从图8中可以看出，从平均值的角度来看，TOPCon-n-PERT电池的Voc平均值较n-PERT电池的平均值高29.2 mV，光电转换效率平均值较n-PERT电池的平均值高0.99%；从最高值的角度来看，TOPCon-n-PERT电池的光电转换效率最高值比n-PERT电池的最高值高1.04%，Voc最高值比n-PERT电池的最高值高30.5 mV。综上分析可知，采用TOPCon结构对n-PERT电池Voc的提升较为明显，同时在降低复合速率后Jsc也有所提升；在当前工艺下，TOPCon-n-PERT电池结构可实现1%的光电转换效率提升。

3 结论

本文通过Quokka3软件模拟研究了TOPCon-n-PERT电池发射极的饱和电流密度J0e、发射极-金属接触电阻率ρ、背表面隧穿氧化层厚度d及背表面饱和电流密度J0r对电池电性能的影响，并结合具体实验对模拟结果进行了验证，得到以下结论：

1)J0e和J0r值的增加会使电池的光电转换效率和Voc值逐渐减小；

2)ρ的增加会导致FF值大幅下降，当ρ由10-4Ω·cm2增至10-2Ω·cm2时，电池的光电转换效率由原来的24.5%降至22.8%，下降了1.7%；

3)对于背表面隧穿氧化层与掺杂多晶硅薄膜的叠层结构，随着隧穿氧化层厚度的逐渐增加，背表面的隐开路电压i-Voc值呈现先增加后减小的趋势，且当隧穿氧化层的厚度为1.2 nm时背表面的钝化特性达到最优值，实验测得的i-Voc值可达735 mV。