a-Si:H（p）/c-Si（n）异质结太阳电池的模拟优化

赵晓霞，田宏波，王伟，，宗军，，宫元波，杨文魁，宿世超

（1.国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209；2.国家电投集团新能源科技有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

当前，随着全球能源危机和环境问题的加剧，全社会对可再生能源的应用日益重视[1]。作为可再生能源重要组成部分的光伏发电，只有持续降本增效，才能在能源市场上更具吸引力。光伏电池是光伏发电系统的核心，因此，对光伏电池来说，需要在降低生产成本的同时不断提高电池效率[2]。硅异质结太阳电池是在单晶硅衬底上沉积非晶硅薄膜形成的一种高效硅基太阳电池，具有转换效率高、开路电压高、温度系数低、低温工艺制备及抗衰减等优势[3]，在行业内备受关注[4]～[6]。目前，硅异质结电池效率的世界纪录是由日本Kaneka公司于2016年创造的，其研发的叉指背接触硅异质结电池效率达到26.63%[7]。在硅异质结电池的研发中，由于涉及众多的结构变量诸如功函数、光学带隙和非晶硅的掺杂浓度等等，从实验上透彻地研究各参数对电池性能的影响是比较困难的，因而需要借助模拟软件对一些基本参数进行系统优化，了解其对电池性能的影响，从而获得电池效率的改进方向。

本文利用AFORS-HET对a-Si:H（p）/c-Si（n）异质结电池进行模拟优化，分析了硅衬底电阻率、本征非晶硅薄膜厚度、发射极材料特性以及透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）薄膜功函数对电池输出性能的影响，为后续硅异质结电池的研发和生产提供科学依据。

1 电池结构及参数设置

本文模拟所用材料参数的初始值见表1。

表1 模拟中所用材料主要参数的初始值Table 1 Initial value key parameters for simulated structure

模拟的光照条件为AM1.5，100 mW/cm2。模拟的电池结构如图1所示，衬底180μm的n型单晶硅，正面为金字塔绒面结构，背面采用Ag电极，不考虑掺杂非晶硅与本征非晶硅以及本征非晶硅与晶硅衬底之间的界面态。

图1 模拟太阳电池的结构示意图Fig.1 Schematic structure of simulated solar cell

2 结果分析

2.1 晶硅衬底电阻率对电池性能的影响

硅异质结电池所用n型单晶硅衬底的电阻率通常在0.2～7.0Ω·cm，图2模拟了该范围内电阻率对电池性能参数的影响。

图2 n型单晶硅衬底电阻率对硅异质结电池性能的影响Fig.2 Influence of resistivity of n type silicon wafers on cell performance

整体上看，随着衬底电阻率的上升，电池的开路电压（Open Circuit Voltage，Voc）、短路电流（Short Circuit Current Density，Jsc）、填充因子（Fill Factor，FF）和转换效率均呈现了逐渐降低的趋势。当n型单晶硅衬底电阻率低于0.53Ω·cm时，其掺杂浓度高于1×1016cm-3，随电阻率的提升，掺杂浓度的降低，n-c-Si与p-a-Si:H的能带弯曲减弱，电池Voc，Jsc和FF明显降低；当电阻率达到1.0Ω·cm并继续提升时，Voc和Jsc基本无大变化，FF由于串阻的升高而持续下降。在Voc，Jsc和FF的综合影响下，转换效率呈现出先快速而后缓慢下降的趋势。

图3给出了3种不同电阻率衬底情况下模拟得到的硅异质结电池的外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）曲线。可以看到，当衬底的电阻率逐渐上升时，电池在短波段的光谱响应逐渐减弱，而长波段的光谱响应则逐渐增强。这是由于电阻率较高时，掺杂浓度较低，内建电场强度较弱导致短波段光生载流子的收集效率较低；另一方面，电阻率较高时，载流子的扩散长度相对较大，因而长波段的光生载流子收集效率较高。

图3 不同电阻率衬底硅异质结电池EQE曲线Fig.3 EQE curves of HJT solar cells with different wafer resistivity

2.2 本征非晶硅薄膜厚度对电池性能的影响

本征非晶硅薄膜由于能够有效钝化晶硅表面的悬挂键，降低界面处载流子的复合，是硅异质结电池获得高开路电压的重要原因之一。本文模拟了本征非晶硅薄膜厚度对电池性能的影响，为实验上控制非晶硅薄膜的沉积从而提高硅异质结电池性能提供一定的指导。图4给出的是本征非晶硅薄膜厚度对硅异质结电池性能参数的影响。

图4 本征非晶硅厚度对硅异质结电池性能的影响Fig.4 Influence of the thickness of intrinsic a-Si:H on cell performance

随本征非晶硅薄膜厚度的增加，开路电压整体呈现上升的趋势。这是由于当厚度较低时，对晶硅衬底表面悬挂键的饱和不够充分，表面载流子的复合较严重，随着厚度的增加，钝化效果得到提升，Voc增加。在厚度进一步增加时，由于钝化已经较为充分，Voc仅略有提升。从短路电流来看，由于非晶硅内部较高的缺陷态密度，其吸收短波长光子产生的光生载流子对电流几乎没有贡献，所以随着厚度的增加，Jsc逐渐下降。

图5为不同厚度本征非晶硅的硅异质结电池的EQE曲线。

图5 不同厚度本征非晶硅的硅异质结电池的EQE曲线Fig.5 EQE curves of HJT solar cells with different thicknesses of intrinsic a-Si:H

从图5可知，电池短波段尤其是600 nm以下波段的光谱响应随着本征非晶硅薄膜厚度的增加而不断降低。填充因子方面，由于本征非晶硅的电导率非常低，薄膜厚度的增加将导致电池串联电阻的增大，影响载流子的输运及收集。在Voc，Jsc和FF的共同作用下，电池效率呈先上升后下降趋势。为保证良好的钝化性能，同时尽量降低因寄生吸收和低电导率而导致的短路电流和填充因子的降低，本征层厚度控制在5 nm附近较为合适。

2.3 发射极材料特性对电池性能的影响

p型非晶硅薄膜与n型单晶硅衬底形成p-n异质结，利用内建电场实现载流子的有效分离，是硅异质结电池的核心组成。本文模拟了p型非晶硅薄膜厚度和掺杂浓度对硅异质结电池性能的影响，指出高效硅异质结电池对发射极材料特性的要求。

2.3.1 发射极厚度

图6给出了p型非晶硅薄膜厚度对硅异质结电池性能参数的影响。

图6 p型非晶硅薄膜厚度对硅异质结电池性能的影响Fig.6 Influence of the thickness of p-a-Si:H film on cell performance

由图6可知，随p-a-Si:H薄膜厚度的增加，Voc，Jsc和转换效率均呈现下降趋势。在当前相对较高的掺杂水平下，薄膜厚度较低时，电池较高的Voc表明p-a-Si:H与n-c-Si之间较强的内建电场可有效分离光生载流子，但较高的掺杂浓度也意味着较高的缺陷态密度和较高的光生载流子复合概率，因而当p型非晶硅薄膜厚度增加时，薄膜内部复合中心的增加将加剧电池光生载流子的复合，导致Voc降低。p型非晶硅薄膜厚度的增加对Jsc的影响最为显著，与本征非晶硅薄膜类似，p型非晶硅薄膜吸收短波长光子产生的光生载流子同样不会对电流产生贡献，因而当薄膜厚度增加时，寄生吸收增加，Jsc直线下降。

图7为不同发射极厚度的硅异质结电池的EQE曲线。

图7 不同发射极厚度的硅异质结电池的EQE曲线Fig.7 EQE curves of HJT solar cells with different thicknesses of p-a-Si:H film

由图7可知，随p-a-Si:H薄膜厚度的增加，电池短波段光谱响应明显降低。FF在较大厚度范围内仅存在小幅波动，可能由于当前参数设置的条件下，厚度增加对串阻的影响相对其他串阻影响因素来说更加微弱，所以FF的变化非常微小。由此可见，对前发射极硅异质结电池来说，在保证内建电场强度的前提下，控制p型非晶硅薄膜厚度对提升电池性能非常重要。

2.3.2 发射极掺杂浓度

图8为p型非晶硅薄膜掺杂浓度对硅异质结电池性能参数的影响。整体上看，随掺杂浓度的升高，电池的各项性能参数都呈现先上升而后基本不变的趋势。在当前的器件参数条件下，当p型非晶硅薄膜掺杂浓度低于7×1019cm-3时，电池各项性能参数都极差。当掺杂浓度达9×1019cm-3后，随浓度的进一步增加，Voc和Jsc基本保持在较高的水平不变。

图8 p型非晶硅薄膜掺杂浓度对硅异质结电池性能的影响Fig.8 Influence of p-a-Si:H film on cell performance

图9为不同掺杂浓度发射极的硅异质结电池的EQE曲线。由图可知，掺杂浓度分别为9×1019，2×1020cm-3的EQE曲线几乎是重合的。

图9 各掺杂浓度发射极的硅异质结电池的EQE曲线Fig.9 EQE curves of HJT solar cells with different doping densities of p-a-Si:H

图10是不同掺杂浓度条件下，硅异质结电池的能带结构图。

图10 各掺杂浓度发射极硅异质结电池能带结构示意图Fig.10 The band diagram of HJT solar cells with different doping densities of p-a-Si:H film

由图10可知，低掺杂浓度情况下，能带弯曲较弱，不利于光生载流子的有效收集，正如图9所示长波段的光生载流子其能量不足以跨越势垒，因而光谱响应很差；当掺杂浓度较高时，能带弯曲更为强烈，不仅有利于p-a-Si:H对空穴的收集，也对向p-a-Si:H一侧扩散的电子起到反射作用，有效降低载流子的复合几率。如前所述，更高的掺杂浓度也意味着更高缺陷态密度的引入，因此实验中，在保证较好内建电场的情况下，应避免过高掺杂，控制薄膜内缺陷密度。

2.4 TCO薄膜功函数对电池性能的影响

TCO薄膜是硅异质结电池中载流子输运的关键材料，其材料特性直接影响着电池的性能。本文模拟了前表面TCO薄膜功函数对电池性能的影响，阐明了载流子输运对薄膜功函数的要求，为TCO薄膜的制备调控提供指导。

图11给出了前表面TCO薄膜功函数对硅异质结电池性能参数的影响。由图11可以看到，当前表面TCO功函数低于5.2 eV时，随TCO功函数的增加，电池Voc，FF和转换效率均呈现了先较快上升而后区域平缓的趋势；当前表面TCO功函数高于5.2 eV时，电池Voc，FF和转换效率基本都维持稳定；整个范围内短路电流变化的幅度则非常小。

图11 前表面TCO薄膜功函数对硅异质结电池性能的影响Fig.11 Influence of work function of TCO film on cell performance

图12为不同TCO功函数条件下，硅异质结电池的能带结构图。

图12 不同前表面TCO功函数的硅异质结电池的能带结构示意图Fig.12 The band diagram of HJT solar cells with different work function of TCO films

当前模拟条件下，TCO与p型非晶硅发射极之间形成平带结构时，TCO薄膜的功函数为5.32 eV；当TCO薄膜功函数低于5.32 eV时，p型非晶硅的能带向下弯曲，对空穴的输运形成阻碍，导致Voc和FF降低；反之，当TCO薄膜功函数高于5.32 eV时，有利于空穴的输运。因此，对与p型非晶硅发射极相接触的前表面TCO薄膜来说，理论上其功函数应尽可能地高，在本模拟中，TCO功函数应至少大于5.2 eV。

3 结论

本文通过AFORS-HET软件模拟了TCO/a-Si:H（p）/a-Si:H（i）/c-Si（n）/a-Si:H（i）/a-Si:H（n）/Ag结构的硅异质结电池中硅衬底电阻率、本征非晶硅薄膜厚度、发射极材料特性以及TCO功函数对电池性能的影响。结果表明：在其它参数不变的条件下，硅衬底电阻率越低，转换效率越高；发射极非晶硅薄膜厚度对短路电流有较大影响，发射极掺杂浓度低于7×1019cm-3时，电池各项性能参数都极差；TCO薄膜功函数应大于5.2 eV，以保证载流子的输运收集。