TOPCon太阳电池电子选择性接触研究

收稿日期：2022-11-04

基金项目：国家自然科学基金（61904154）；四川省重点研发计划（2022YFG0229）；成都市技术创新研发项目（2022-YF05-00384-SN）

通信作者：俞 健（1986—），男，博士、副研究员，主要从事光伏新能源及交叉学科方面的研究。jianyu@swpu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1689 文章编号：0254-0096（2024）02-0475-05

摘 要：通过Afors-Het软件模拟建立TOPCon太阳电池模型，系统分析隧穿氧化SiO2层厚度、n+ poly-Si层掺杂浓度、背金属电极功函数以及SiO2/n+ poly-Si侧的能带偏移量对TOPCon太阳电池性能的影响。结果表明：SiO2/n+ poly-Si叠层钝化结构能实现较好的电子选择性传输性能，当SiO2层厚度为1.1 nm、n+ poly-Si层掺杂浓度为1×1020 cm-3时，是最佳工艺窗口，且显示出改善电子选择性传输层对于TOPCon太阳电池效率提升的巨大潜力。

关键词：太阳电池；钝化；电子特性；模拟平台；TOPCon

中图分类号：TK513"""""""""""""""""""""""""""""" 文献标志码：A

0 引 言

2013年，隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact，TOPCon）太阳电池在光伏领域兴起［1-3］，其主要特点是采用SiO2/n+ poly-Si钝化结构，进而钝化硅表面，可极大地提升效率。TOPCon太阳电池是一种使用超薄隧穿氧化层和掺杂多晶硅层作为钝化层结构的太阳电池，具有良好的接触性能。2017年，4 cm2的TOPCon电池实验室转换效率达到25.7%［4］。TOPCon电池结构，由于其重掺杂的多晶硅（poly-Si）层与n型Si之间费米能级有差异，引起界面处的能带弯曲，使电子隧穿后有足够的能级可占据，更易隧穿；而空穴占据的价带边缘处于poly-Si的禁带，不易隧穿从而起到电子选择性通过的作用，抑制载流子复合，增加背表面的钝化效果［5-7］。

TOPCon太阳电池通过n型poly-Si的场效应钝化，改善背接触问题，显著降低表面的少子复合速率，而背表面的掺杂浓度分布对其钝化特性起到关键作用。2021年，研究人员发现poly-Si层厚度为100 nm，掺杂浓度为（2～3）×1020 cm-3，且具有中等的“穿透扩散”剖面时，TOPCon电池背表面具有优异的钝化水平［8］，其原因是重掺杂的poly-Si表面排斥少数载流子，提供较好的场效应钝化效果。目前，n型TOPCon电池的背面采用超薄氧化层和重掺杂poly-Si的复合结构来改善界面特性，形成良好的钝化接触，提升电池性能［9-10］，但钝化效果、界面接触特性仍未达到最佳，距离实现理论最高效率还有差距。

基于此，本文着重研究隧穿氧化SiO2层厚度、n+ poly-Si层掺杂浓度、背金属电极功函数以及SiO2/n+ poly-Si侧的能带偏移量对TOPCon电池性能的影响，以期为实现理论最高效率提供参考。

1 模型构建及模拟参数设置

本文采用Afors-Het软件对TOPCon太阳电池进行模拟计算，首先建立太阳电池结构模型，得到太阳电池的能带图，然后进行太阳电池的性能表征模拟，如电流-电压（I-V）曲线、量子效率（quantum efficiency，QE）等。通过Afors-Het建立一维太阳电池模型，模拟的TOPCon太阳电池结构如图1所示。

TOPCon太阳电池中n型硅衬底、扩散层以及n型poly-Si层通过半导体模型建立，SiOx层则通过界面模型建立。电池边界模型为金半接触；金属功函数设定为平带模型；金属功函数数值在研究金属功函数影响时被设定。电池模型建立的主要相关变量如表1所示，其中介电常数、电子亲和势、禁带宽度、光学带隙、电子热速率、空穴热速率等按Si的性质设定，不作为变量。Afors-Het中设置自变量为SiO2层厚度、poly-Si层掺杂浓度、背面电极功函数、电子选择性传输层的价带偏移量，每次模拟只改变一个自变量［11-12］。

2 模拟结果与分析

2.1 SiO2层厚度对电池性能影响

在TOPCon太阳电池中，SiO2层具有较宽的带隙，电子以遂穿方式通过SiO2层，且阻碍空穴传输［13-14］。此外，通过物理和化学的方法制备SiO2钝化层，降低硅片表面载流子复合速率，提高电池开路电压。目前SiO2最佳厚度范围是1～2 nm。研究模拟了SiO2厚度变化时的J-V性能，结果如图2所示。SiO2层厚度从0.6 nm增加到1.4 nm，开路电压提升30 mV，这表明SiO2层越厚钝化效果越好，但当SiO2厚度达到1.4 nm时，短路电流密度降低近70%，填充因子降低60%，这是因为SiO2层本身导电性较差，且电子已无法以隧穿的方式通过较厚的SiO2层，进而导致串联电阻增加，当串联电阻过大时也会使短路电流密度降低，J-V曲线变为直线。当SiO2层厚度增加到1.4 nm时，电池的短路电流密度急剧降至13 mA/cm2。

2.2 poly-Si层掺杂浓度对电池性能影响

TOPCon太阳电池采用n型poly-Si作为背接触材料，理论上重掺杂的n型半导体与n型Si接触，其费米能级也更接近导带底，甚至进入导带，使硅衬底表面能带向下弯曲，形成背表面场及背面场效应钝化［15］。poly-Si层的场效应钝化效果主要受掺杂浓度的影响。有效控制内部缺陷密度是改善电池复合速率的重要途径［16］。如图3所示，当poly-Si层的掺杂浓度为1×1016 cm-3时，开路电压仅为640 mV，无法实现良好的钝化作用。掺杂浓度增加，能带弯曲程度增大。当掺杂浓度增加到1×1020 cm-3时，poly-Si层钝化效果得到改善，理论开路电压提升120 mV，填充因子达到86%，短路电流密度提升1 mA/cm2，转换效率从18.0%提升至26.5%。这是因为poly-Si层掺杂浓度增加，硅基底表面能带越往下弯曲，形成对空穴的较高势垒，阻碍空穴传输，有利于电子传输，电子和空穴的复合速率降低，因此提升了场效应钝化效果。

2.3 背面电极功函数对电池性能影响

模拟n型poly-Si掺杂浓度对太阳电池性能的影响时采用平带模型，即电极功函数随poly-Si层费米能级一同变化。但实际上金属电极的功函数应是固定的，且金属电极的不同功函数对器件性能影响较大［17-18］，因此模拟金属电极功函数对电池的性能影响。如图4所示，当电极功函数从4.6 eV降到4.4 eV时，开路电压提升70 mV。其原因是电极具有高功函数时，硅基底表面能带向上弯曲，在一定程度上屏蔽了poly-Si层的场效应钝化效果。电极功函数降低到4.4 eV以下，对能带弯曲已无影响，因此开路电压不再增加。同时，短路电流密度几乎不受电极功函数影响。综上，电极功函数过高，会降低poly-Si层的钝化效果［19-20］。当背面电极功函数超过4.4 eV后，电池性能急剧下降，这是由于电极的高功函数造成硅基底表面能带向上弯曲，能带弯曲越大，载流子越难传输，导致接触特性变差，进而填充因子下降。

2.4 电子选择性传输层的价带偏移量对电池性能影响

当n型Si和电子选择性传输层之间无界面钝化层时，电子选择性传输层不同价带偏移量（[ΔEV]）对太阳电池性能影响不同。模拟过程中通过改变带隙，相当于改变价带的位置，带隙从1.12 eV增加到1.69 eV，相当于价带的位置从5.07 eV增加到5.65 eV，电子选择性传输层与n型硅衬底产生价带偏移量会影响空穴在界面处的复合。价带偏移量对电池的电性能影响如图5所示，[ΔEV]增加可提高电池的开路电压和短路电流密度。当[ΔEV]从0.00 eV增加到0.56 eV，开路电压从625 mV增加到732 mV，这是由于[ΔEV]增加使得空穴在界面处传输更困难，起到阻止空穴传输而有利于电子通过的作用，在界面处载流子复合减弱，提高了开路电压。由量子效率测试可知，增加[ΔEV]提高了长波段光谱响应，因此电池的电流密度得到提升，这是因为电子传输层钝化效果提升，载流子复合降低，长波段光被有效吸收。

期望电子选择性传输层的效果应有利于电子提取和阻碍空穴通过，这不仅和[ΔEV]有关，还和电子传输层的功函数有关。较低的功函数使得硅表面能带向下弯曲，有利于电子传输，加上较大的[ΔEV]阻碍空穴通过，降低了表面复合，提高开路电压（[Voc]）和短路电流密度（[Jsc]）。图6模拟了[ΔEV]和功函数共同对[Voc]和[Jsc]的影响。从模拟结果可知，当电子传输层的功函数高于4.4 eV，此时硅表面能带已向上弯曲，电子传输势垒增加，电子积累导致载流子表面复合加剧。但电子传输层具有较大的[ΔEV]，这意味着在表面的空穴浓度非常低，因此这种具有较高功函数和较大[ΔEV]的电子传输层也能起到电子选择性传输作用。

在TOPCon太阳电池背面采用重掺杂poly-Si和SiO2起到了很好的钝化效果，模拟结果表明，在无SiO2钝化层下，增加电子选择性传输层的价带偏移量可有效提高开路电压，但在实际中不易改变poly-Si层带隙，因此提出双电子选择性传输层概念，即在电池模型中的poly-Si层之后增加一层电子选择性层（如图7所示）。模拟结果表明，这同样能提高开路电压，且在有钝化层的前提下，增加一层宽带隙层，开路电压有2.4 mV的提升，进一步降低了载流子复合，增强了钝化效果。

3 结 论

本文通过Afors-Het软件建立TOPCon太阳电池模型，模拟分析了氧化硅层厚度、电子传输层掺杂浓度、背电极功函数和电子传输层带隙等对TOPCon太阳电池的性能影响，为其性能提升策略提供了合理参考。结果表明：

1）在TOPCon太阳电池中，SiO2/n+ poly-Si叠层钝化结构起到电子选择性传输层作用，降低界面载流子复合速率，从而提高了开路电压。

2）在不考虑其他参数的情况下，随着SiO2厚度的增加，TOPCon电池的效率先增大后减小，当氧化层厚度为1.1 nm时，电池性能最佳。

3）当poly-Si层为重掺杂时，即掺杂浓度为1×1020 cm-3时，poly-Si层钝化效果得到明显改善。当背面电极功函数超过4.4 eV后，电池性能急剧下降。

4）当采用单层电子选择性传输层而无钝化层时，电子选择性传输层的功函数或带隙在一定范围内电池的开路电压可达到732 mV，这说明单层电子选择性传输层有良好的电子选择性传输作用。

5）SiO2/n+ poly-Si叠层钝化结构已具有很好的电子选择性传输性能，在n-poly-Si层与电极之间增加低功函数和宽带隙的电子选择性传输层，可进一步提高开路电压，表明改善电子选择性传输层对于TOPCon太阳电池效率的提升有巨大潜力。

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RESEARCH ON ELECTRON SELECTIVE CONTACT OF

TOPCon SOLAR CELLS

Ye Haoran1，He Jialong1，Chen Yang1，Su Rong2，Chen Tao1，Yu Jian1

（1. School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；

2. Tongwei Solar （Chengdu） Co.， Ltd.， Chengdu 610200， China）

Abstract：Through Afors-Het simulation software， the TOPCon solar cell model is established and the effects of tunneling through the oxide SiO2 layer thickness， n+ poly-Si layer doping concentration， back-metal electrode work function and energy band offset of the SiO2/n+ poly-Si side on the performance of TOPCon solar cells are systematically analyzed. The simulation results show that the SiO2/n+ poly-Si stacked passivation structure can achieve better electron selective transport performance. It is the best process window when the thickness of the SiO2 layer is 1.1 nm and the doping concentration of the n+ poly-Si layer is 1×1020 cm-3. It also shows the great potential of improving the electron selective transport layer for the efficiency improvement of TOPCon solar cells.

Keywords：solar cells； passivation； electronic properties； simulation platform； TOPCon