毕业论文——背面点接触晶体硅太阳电池的研究

背面点接触晶体硅太阳电池的研究【摘要】进一步提高光电转换效率，降低成本是太阳电池今后的发展方向。晶体硅太阳电池理论的效率限制在25%左右，为了使晶体硅太阳电池的效率向理论极限进一步靠近，通常有几种方法：提高电池表面与背面的钝化效果；引入陷光结构，增加阳光在电池内的光程；通过减反射层降低表面对太阳光的反射；改进发射极与基极的电极构造，降低串联电阻以及正面栅线遮光面积等等。若给常规太阳电池引入背反射器（rear mirror），一方面可以将入射到电池背面的阳光反射回电池，进行二次吸收，提高电池对阳光的利用率，同时可以将晶体硅电池无法吸收的红外光反射回大气，避免电池升温过快；另一方面可以对电池背面进行钝化，降低电池的表面态密度，从而减少载流子背面复合速率，提升电池的开路电压与短路电流。由于背反射器一般为介质层不导电，必须使背电极穿过介质层与p型硅衬底接触才能制作成电池。但是电极穿越介质层面积不能太大否则会降低背反射器的作用。由此背面引入了规则分布的点电极。本文通过模拟软件PC1D对背面点接触晶体硅电池进行了模拟，采用丝网印刷点电极制作了太阳电池与模拟结果进行对比。首先，利用PC1D模拟了太阳电池背反射率对电池输出参数的影响。发现在常规电池厚度（180m）下，随着背反射率的提高，太阳电池的表现变好，各项输出参数有明显提升。之后利用PC1D模拟了不同点电极图样对电池参数的影响，发现电池转换效率随着面积比f的增大而增大。当f增加到0.1时效率的提升趋于缓慢。当f由0.3提升到0.9时电池效率仅仅提高了0.2%。其次，利用丝网印刷技术制作了常规太阳电池和背面点接触太阳电池。对比发现,相同制造工艺下背点接触电池表现不如常规电池，效率的下降高于模拟结果。主要原因是通过烧结，电极用的Al未能和Si衬底形成良好的欧姆接触，导致背点接触电池串联电阻大，并联电阻小。电池制作工艺需要进一步改善。【关键词】：晶体硅太阳电池；背反射器；SiN；背面点接触Abstract The photovoltaic industry requires a higher light-electricity transform efficiency and a lower cost to make it more competitive among new energy. The theoretical limit of efficiency in solar cells is around 25%. To make the products efficiency approach to the theoretical limit, there are several ways: improving the passivation technology in front and rear surface of the cell; incorporating light-trapping structure to increase the light route length to the cell; through the anti-reflection layer to decrease the reflectance of solar cells; ameliorating the emitter and base construct to reduce the series resistance and the shadow brought by the front electrode. If a rear mirror is incorporated into the solar cell, the cell will have a better performance. On the first condition the incident light will be reflected back to the cell by the rear surface. Thus will raise the absorbing rate and increase the efficiency of the cell. It can also reflect the infrared light which can not absorbed by the cell back to the air, reducing the raising velocity of the cell temperature. On the other hand the rear mirror material will act as a passivation layer to decrease the back surface recombination velocity, in order to increase the short circuit current and the open circuit voltage. In most condition the rear mirror is a dielectric layer which insulates the electrons and holes. So that we must make the base electrode through the dielectric layer in order to contact with the p-Si. Considering the contact area must take up a low percent of the cell square, we design a rear point electrode in order. In this thesis we use PC1D to simulate the rear point contact solar cell performance. Then we use screen printing technique manufacturing a set of solar cells to compare with the simulate results. Firstly, we use PC1D simulate the influence of the rear surface light reflection ratio to the cell performance. The result shows that under the normal thickness (180m), along with the raise of the rear reflection ratio, the cell has a better performance and each output parameter raises obviously. Then we simulate the influence of different electrode distribution to the cell performance, and the result shows the efficiency will rise with the square ratio f. When f increases to 0.1, the raise of efficiency tend to be slow; when f raises from 0.3 to 0.9, the efficiency only raise 0.2%. In succession we use the screen printing technique manufacturing two groups of solar cells. One is the normal structure cells and the other is the rear point contact cells. Through the comparison, we found that the point contact cells have a worse performance than the normal cells by the same manufacturing arts. The main reason is the electrode material Al could not have a ideal ohm contact with the p-Si under layer. So the cells series resistance is relative high, and the shunt resistance is relative low. The manufacture arts should be improved in the later experiment.Keywords: crystalline silicon solar cells; rear mirror; SiN; rear point contact 目录摘要 IAbstract II一、 绪论11.1 太阳电池的基本原理 11.1.1 光的反射与折射11.1.2 半导体中的光吸收11.1.3 PN结中的光生伏特效应21.1.4 太阳电池基本参数31.2 高效晶体硅太阳电池的现状 61.3 太阳电池背反射器的介绍111.4 背点接触太阳电池的介绍12二、 背面点接触晶体硅太阳电池的软件模拟132.1 模拟软件PC1D的介绍 132.2 背反射器的模拟 132.3 背面点接触的模拟 19三、背面点接触晶体硅太阳电池的实验研究273.1太阳电池的结构设计27 3.1.1 背反射器的结构设计 27 3.1.2 点电极的图样设计 293.2实验步骤303.3 电池性能测试与分析 32四、总结与展望36参考文献 37致谢38III第一章 绪论1.1 太阳电池基本原理与半导体太阳电池相关的光电转换大致包括三个物理过程:(1)光在空气半导体界面上的反射与折射;（2)光子激发产生电子空穴对;(3)非平衡载流子的扩散和漂移，并被势场分离1。1.1.1光的反射与折射一束单色光入射到半导体表面后，其中一部分将被反射，反射光与入射光强度之比称反射系数R,其余部分透射入半导体内。显然，透射系数 （1.1）对半导体这类光吸收材料，折射率可写为 （1.2）其中，n为普通折射率，k为消光系数，, n, k都是入射光波长的函数。当光垂直入射到折射率和消光系数分别为n, k的介质上时，反射系数与n, k的关系: （1.3）在硅太阳电池感兴趣的波长范围内(3001100nm)，由于n 3.5，相当于R 30%。对非垂直入射情况，也有类似结果。1.1.2 半导体中的光吸收半导体受到光照时，价带中的电子受光子激发而跃迁到导带，同时在价带中留下一个空穴。这一过程称半导体的本征吸收过程。发生本征吸收的条件是光了能量大于或等于半导体禁带宽度，即。因而不同半导体材料都存在各自的吸收限: （1.4）波长大于。的光则无法被吸收。对硅而言，这一吸收限。半导体内亦存在其它形式的光吸收过程，如杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收等等。对一般太阳电池而言，感兴趣的主要是本征吸收。由于光吸收作用，射入半导体内的光强随射入深度而衰减。在dx距离内被吸收的光强为。其中定义为吸收系数。这样在半导体内深度为x处的光强与x=0处光强的关系为 （1.5）吸收系数与消光系数k有如下关系： （1.6）对于GaAs一类直接带隙半导体而言，由于本征吸收过程不需声子参与，因而吸收系数较大。而对Si一类间接带隙半导体而言，其本征吸收过程一般需声了参与，跃迁发生几率较低，因而吸收系数也较小。1.1.3 PN结的光生伏特效应图1.1 PN结的光生伏特效应当p-n结处于平衡状态时，在p-n结处有一个耗尽区，其中存在着势垒电场，该电场的方向由n区指向p区。如图1.1（a)所示，电池被太阳照射时，能量大于或等于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中。在n区、耗尽区、p区中激发出光生电子空穴对。光生电子空穴对在耗尽区中产生后，立即被势垒电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被推进p区。在n区中，光生电子空穴对产生后，光生空穴(少子)便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引做漂移运动，越过耗尽区进入p区，光生电子(多子)则被留在n区。p区中的光生电子(少子)同样的先因为扩散、后因为漂移而进入n区，光生空穴(多子)留在p区。如此，在p-n结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势如图1.1（b)所示，这就是光生伏特效应。当光电池接上负载后，光电流从p区经负载流至n区；负载中即得到功率输出。当外电路开路时，光生伏特电动势Vo即为光照射时的开路电压。太阳能电池接上负载之后，则被结分开的光生载流子中就有一部分把能量消耗于降低p-n结势垒，也即用于建立工作电压，而剩余光生载流子则用于产生光生电流。1.1.4 太阳电池基本参数太阳电池实际上就是一个大面积光电二极管，在阳光照射下可以产生直流电，其能量转换可用理想化等效电路模型（图1.2）来说明。图中IL是入射光产生的恒流源的强度，恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子。Is是二极管饱和电流，RL是负载电阻。图1.2 太阳电池理想化等效电路模型其理想I-V特性为 （1.7）式中q 为电子电量，k 是波尔兹曼常数，T 是绝对温度。一般太阳电池典型的I-V曲线见图1.3。其中纵坐标最大值为短路电流Isc，横坐标最大值为开路电压Voc。除去这两个，太阳电池的基本参数还有填充因子FF和电池效率Eta2。图1.3 一般太阳电池的I-V曲线1.1.4.1短路电流当太阳电池的输出电压为0，即外接电路短路时，流经太阳电池体内的电流为短路电流Isc。短路电流来自于电池对光生载流子的收集，对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流，所以短路电路的大小和以下几个因素相关联：（1）太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电流密度概念Jsc，即单位面积上流过的电流，单位为A/cm2。（2）入射光强度及光谱分布。（3）太阳电池对光的吸收和反射。（4）电池对电子的收集能力。主要取决于表面钝化效果及少子寿命。硅太阳电池在AM1.5光谱下的最高Jsc为46 mA/cm2，实验室的电池能达到42 mA/cm2，商业电池一般在2835 mA/cm2之间。1.1.4.2 开路电压当太阳电池外接电路开路时，课得到太阳电池的有效最大电压，即开路电压Voc。在开路状态下，流经太阳电池的净电流为0。在上式中，令I=0，得到 （1.8）上式说明Voc主要与以下两个变量有关：（1）光生电流IL，但由图1.3可以看出，IL的大小改变有限，所以其对Voc的影响较小。（2）饱和电流Is。Is和电池的复合机制有关。所以通常Voc可以用来检测太阳电池的复合。1.1.4.3 填充因子Voc和Isc是太阳电池所能达到的最大电压和电流值，但是，从I-V特性曲线上可以看出，此时的输出功率为0。填充因子则表示最大功率点处功率与VocIsc的比值，见图1.4。 （1.9）图1.4 填充因子FF示意图填充因子FF可以用来检测I-V曲线的方正程度。太阳电池的电压越高意味着FF就越大，相比之下一个较为圆滑的I-V曲线所占面积更小，使得FF相应变小。要计算FF，一般有经验公式： （1.10）其中voc定义为“归一化Voc”： （1.11）1.1.4.4 转换效率转换效率是太阳电池之间进行相互比较的一个最常用的参数，其定义为电池自身输出能量与从太阳处接受到能量的比值： （1.12）太阳电池的效率取决于入射光谱、光强和电池温度，为了能客观反映电池的表现，测试转换效率的条件必须小心地控制。一般地面上的太阳电池测试条件为大气质量（AM）1.5，气温25。对于实际太阳电池，影响转换效率的主要因素一个是串联电阻RS，主要包括正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分；另外一个是并联电阻RSH，主要原因是电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的。由于光生电动势使p-n结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流。1.2 高效晶体硅太阳电池的现状由于常规太阳电池工艺简单，成本较低，适合大规模工业化生产，因此目前市场上占主导地位的产品仍然是常规丝网印刷单p-n结晶体硅太阳电池，占有率达80%以上。其基本结构如图1.5。图 1.5 常规晶体硅太阳电池结构图常规晶体硅太阳电池基本工艺如下3：（1） 通过化学腐蚀来消除由于切片造成的硅片表面的损伤，同是还可以制作绒面金字塔结构，减少光反射。常用NaOH腐蚀硅片。（2） 以POCl3作为扩散源在P型硅上扩散。（3） 等离子体刻蚀掉边缘p-n结防止短路。（4） 在氢氟酸溶液中溶解掉硅表面的磷硅玻璃。（5） 用PECVD技术在硅片表面沉积一层SiNx减反射膜，同时起到表面钝化和体钝化的效果。（6） 在太阳电池正面和背面分别印刷上电极以及Al背场，并经过低温烘烤和高温烧结，最终制成太阳电池。但是常规晶体硅太阳电池的光电转换效率在17%18%左右，距离25%的效率极限依然有一段距离。为了进一步提高电池效率，实验室以及市场上出现了一些新型高效晶体硅电池，现就这些高效晶体硅电池作一些概述。1.2.1 刻槽埋栅电极单晶硅电池刻槽埋栅电极单晶硅太阳电池因其埋栅电极的独特结构，使电极阴影面积由常规电池的1015下降至24，短路电流可上升12，同时槽内采用重扩散，使金属硅界面的面积增大，接触电阻降低，从而使填充因子提高104。其基本结构如图1.6：图1.6 刻槽埋栅太阳电池结构图其基本工艺如下3：（1） 硅片清洗，表面制绒，去损伤层。（2） 对前表面进行轻度扩散制作n型硅。（3） 前表面沉积SiNx减反射膜。（4） 激光刻槽，形成栅线图案。（5） 去除激光槽内氧化物并清洗。（6） 对激光槽内进行高温重扩散。（7） 背面蒸镀一层Al，并热处理形成背面高低结。（8） 在前背面制作电极。（9） 激光刻边。 埋栅电池具有高效的原因是5：（1）绒面、减反射膜和背面反射器的结合使阳光充分被利用；（2）栅指电极只占电池表面积24，遮光率很小，提高短路电流密度；（3）栅指电极排列紧密减小发射极电阻；（4）淡磷扩散避免形成“死层”，增加对短波的吸收；（5）埋栅电极处实行重掺杂使接触电阻降低，有利于欧姆接触；（6）埋栅电极深入到硅衬底内部增加对基区光生电子的收集；（7）浓磷扩散降低浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高开路电压。1.2.2 HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer）电池a-Si:H/c-Si异质结电池已经成为最有市场前景的太阳电池之一，目前许多研究机构和企业正在开展a-Si:H/c-Si异质结电池的研究。Sanyo的HIT电池(结构如图1.7所示),实验室转换效率已达到21.5%6。图 1.7 HIT太阳电池结构图HIT电池制作过程大致如下5：利用PECVD在表面织构化后的n型CZ-Si片（200 m，1cm ）的正面沉积很薄的本征-Si:H层和p型-Si:H，然后在硅片的背面沉积薄的本征-Si:H层和n型-Si:H层；利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜（TCO），用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极。值得注意的是所有的制作过程都是在低于200 的条件下进行，这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。1.2.3 IBC( Interdigitated back contact) 太阳电池IBC电池属于背结电池，其p-n结位于电池背表面,发射区电极和基区电极也相应地位于电池背面（图1.8）。电池选用n 型衬底材料,前后表面均覆盖一层热氧化膜，以降低表面复合。利用光刻技术,在电池背面分别进行磷、硼局部扩散,形成叉指状交叉排列的p 区、n 区,以及位于其上方的p + 区、n + 区7。IBC太阳电池由于前表面没有电极遮挡，可吸收更多的光线，而且更能实现良好的表面钝化，减少表面复合速率。图 1.8 早期IBC太阳电池结构示意图 1.2.4 EWT ( Emitter wrap through) 太阳电池EWT电池属于前结电池，但与IBC电池一样，发射区电极和基区电极位于电池背面。其依靠电池中的无数导电小孔来收集载流子,并传递到背面的发射区电极上。导电孔的制作,早期主要采用光刻和湿法化学腐蚀法,目前最常用的是激光钻孔。孔内进行重磷扩散以降低接触电阻及接触复合。Fraunhofer ISE 采用SiO2钝化及光刻技术,在Fz-Si 衬底上制作出效率为21.4 %的EWT 电池(6cm2 ) ,成为EWT 电池的最高效率保持者8。EWT太阳电池结构见图1.9。图 1.9 EWT太阳电池结构示意图1.2.5 PERL（Passivated emitter，rearlocally diffused）太阳电池PERL电池是由澳大利亚新南威尔士大学研究的高效电池。其一直保持着单晶硅太阳电池转换效率世界纪录，高达24.7%9。其电池结构如图1.10所示：图 1.10 PERL 太阳电池结构示意图PERL电池的制造工艺有如下优点5：（1）正面采光面为倒金字塔结构，结合背电极反射器，形成了优异的光陷阱结构；（2）在正面上蒸镀了MgF2/ZnS双层减反射膜，进一步降低了表面反射；（3）正面与背面的氧化层均采用TCA工艺（三氯乙烯工艺）生长高质量的氧化层，降低了表面复合；（4）为了和双层减反射膜很好配合，正面氧化硅层要求很薄，但是随着氧化层的减薄，电池的开路电压和短路电流又会降低。为了解决这个矛盾，相对于以前的研究，增加了“alneal”工艺，即在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370 的合成气氛中退火30 min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中OH-离子发生反应产生了原子氢，在Si/SiO2的界面处对一些悬挂键进行钝化。（5）电池的背电场通过定域掺杂形成，掺杂的温度和时间至关重要，对实现定域掺杂的接触孔的设计也非常重要，因为这关系到能否在整个背面形成背电场以及体串联电阻的大小。1.3 太阳电池背反射器的介绍背反射器是在硅太阳电池背表面用金属材料制作一个反射面，对透射过电池基体到达背表面的光线起一个反射作用。其目的有两方面：（1）当光线到达太阳电池以后，一部分被吸收，转换为电能输出，还有相当一部分在电池厚度范围内不能被吸收，而透过电池被白白的浪费掉了。因此在背面制作一个反射器，将到达背面的光线反射回电池内，可以增加光线在电池中的光程，如图1.11所示。这样增加了光线在电池中的吸收，从而提高电池转换效率。（2）光线透过率随着波长的增加而增加，在到达电池背表面的光线中，又很大的一部分是红外线，这种光线能量低，不能产生光生载流子，而是被电池的背接触吸收后转变为热能，从而使电池温度升高，造成开路电压下降。如果有背反射器把红外线反射回去，就可以减轻这一有害的影响10。图1.11 太阳电池陷光结构因为晶体硅是间隙带材料，光吸收系数小，太阳电池厚度减小时，由于透射光引起的损失随着厚度的减小而增大,对于间接禁带材料硅来说,这种损失比直接禁带材料的大，但硅片减薄时,怎样保证光的吸收也是一个难题。可以考虑在太阳背面设计发射器，将透射光反射回太阳电池内部，进行再吸收，从而提高光的吸收，达到提高太阳电池效率的目的。由于硅对于长波的吸收系数小，因而对厚度小的基片透射损失大。理论计算指出：背场电池最佳的基片厚度为一般来说，我国的P-Si太阳电池，电子扩散长度Ln为120250m，或者更小，因此WP的最佳厚度为50150m11。1.4 背面点接触太阳电池的介绍本文所研究的背面点接触晶体硅电池源自于PERC（Passivated emitter and rear cell）结构（见图1.12）。PERC相较于PERL太阳电池取消了背面定域掺杂，工艺上更简单，但在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用电阻率低于0.5 cm以下的硅材料。实验中将PERC的局部背接触结构移植到常规晶体硅太阳电池上，使背面电极接触只占整个背表面的很小部分,其余部分则覆以钝化层，钝化层上印刷Al作为背反射面。常规晶体Si太阳电池采用“全Al 背场”结构。尽管这种结构有很多优点,但由于烧结形成的Al-Si 合金背表面在减少复合和背反射效果方面的局限，限制了电池效率的进一步提高。而背面点接触结构在保持了背面场效应的同时，减少了背面Al-Si接触面积, 使金属与半导体界面的高复合速率区域大大减少, 由于背面浓掺杂区域的大面积减少(一般浓区面积仅占全背面积的12% ) , 也大大降低了背面的表面复合。尽管背面点接触结构增加了串联电阻, 填充因子FF也有所下降, 但提高了开路电压Voc和短路电流密度Jsc, 综合效果仍使转换效率提高12%12 。图 1.12 PERC 太阳电池结构示意图第二章 背面点接触太阳电池软件模拟2.1 模拟软件PC1D的介绍PC1D模拟软件利用完全耦合的非线性方程模拟单晶半导体器件中电子和空穴的准一维传输过程，并着重于光伏器件的模拟。该程序在硅太阳电池物理特性研究方面起着重要作用，并逐渐成为模拟典型光伏器件的标准软件13。本次模拟采用PC1D第五版，该版本采用良好的可视化工具，当对表面进行织化，掺杂，分层和增加外部单元时，示意图会有相应的改变，使电池设计变得直观。其自带的批处理功能可以在其它器件参数不变的情况下，定量地改变某几个参数，便于观测不同变量对电池特性的表征。本次模拟采用的模型是P型Si衬底太阳电池，对其前表面进行织化，在N型Si表面分别覆盖钝化层SiO2和减反膜SiNx,在电池背表面同样外延钝化层SiO2和背反射器SiNx，最底部是Al背场。电池模型见图2.1。图2.1 PC1D模型示意图2.2 对背反射器的模拟背反射率的改变对太阳电池有很大的重要性。假设体内光学吸收可以忽略，射入太阳电池内的一束光会经过多次内部反射直到它被背反射器吸收或者由太阳电池前表面逸溢出。设每次反射都有8%的光由前表面逸出，那么一束光在消逝前都会经过多次反射。如果背反射率Rb是95%的话，在三次反射后大约有14%的光会被背反射器吸收：（1-0.953）。如果Rb是90%，在三次反射后大约有27%的光会被背反射器吸收。如果Rb是80%，在三次反射后背反射器对光的吸收会达到49%。由此可见，Rb上非常小的变化会对反射回的光强造成很大影响15。由此可见，不同的背反射率会对入射太阳电池的光程产生很大的影响，从而影响到太阳电池最终的效率。PC1D针对太阳电池内表面的不同，有两种反射类型供选择：镜面反射和漫反射。不同的反射型对光程的影响很大。对前表面单层减反膜而言，其对1200nm光线的反射率大概在20%左右，如果背反射器采用镜面反射，从背表面反射回来的光有80%会逸出前表面。若背反射器采用郎伯散射，则逸出前表面的光会缩减到8%左右，只有采用镜面反射情况下的十分之一。因此模拟时设置内背表面反射型为漫反射。其它模拟参数见表2.1。表2.1：PC1D模拟环境DeviceRegionDevice area: 148.6 cm2Thickness: 180 mFront surface texture depth: 5 mDielectric constant: 11.9No surface chargeCarrier mobilities from internal modelFront surfaceoptically coated:Broadband: 7 %Band gap: 1.124 eVOuter thickness: 60 nmindex: 2.03Intrinsic cons.at 300K:110-10 cm-3Refractive index from si.inrmiddle thickness: 10 nmindex: 1.46Absorption coeff. from si300.absFree carrier absorption enabledinner thickness: 0 nmP-type background doping：1.05310-16 cm-3No exterior rear reflectance1st front diff：N-type, 2.310-20 cm-3 peak续表2.1Internal reflectanceFront surfaceFirst: 75%Subsequent: 92%speculaNo 2nd front diffusionNo rear diffusionBulk recombintation：n=p=50.28sRear surfaceFirst: 变量Subsequent：变量diffusFront-surface recom.：S model, Sn=Sp=10000 cm/sRear-surface recom.：S model, Sn=800, Sp=10000 cm/sEmitter contact: 110-3 Base contact：4.5210-3 Internal conductor: 0.07 S两个变量的范围见图2.2。其中RrIntRefl1代表外层介质的背反射率，RrIntRefl2代表衬底介质的背反射率，两者都从70%变化到100%。图2.2 PC1D模拟采用的背反射率变化范围模拟结果导入Origin作图，见图2.3。图2.4为在scan-qe模式下模拟的内量子效率与入射波长的关系。（a）背反射率对转换效率Eta的影响 （最大点Eta=16.41%，衬底与外层介质的反射率都为100%）（b）背反射率对填充因子FF的影响 （最大点FF=0.785，衬底与外层介质的反射率都为70%）（c）背反射率对开路电压Voc的影响 （最大点Voc=0.618V，衬底与外层介质的反射率都为100%）（d）背反射率对短路电流Isc的影响 （最大点Isc=5.064A，衬底与外层介质的反射率都为100%）图2.3 背反射率对太阳电池输出性能参数的影响图2.4 背反射率两极值点的内量子效率从以上模拟可以看出，当分别改变外层介质反射率和衬底介质反射率时，转换效率Eta，填充因子FF，开路电压Voc，短路电流Isc的变化趋势相同，故可把外层介质反射率与衬底介质反射率统一为背反射率。当背反射率逐渐增加，转换效率Eta，开路电压Voc，短路电流Isc也随之变大，三者的最大值都出现在背反射率为100%处。在背反射率从70%增加到100%的过程中，转换效率提高了约0.39%，说明了若在太阳电池背表面增加一款高反光率的背反射器，能有效地提升太阳电池的效率。量子效率是指每个入射光子产生的电子空穴对的数目。当价带中的电子吸收了能量大于禁带宽度的光子就能够跃迁到导带中，与此同时在价带中留下空穴，统称为光生载流子，由此产生的附加导电现象称为光电导，对应的量子效率为内量子效率。由图2.2.3可以看出，具有高背反射率的太阳电池的长波相应优于低背反射率的电池，在1100nm以后才有较大的下落。由于晶体硅的长波吸收限制为1100nm，背反率的提高使得太阳电池对10001100nm的阳光的利用率更高，这也是背反射器提高电池效率的一个原因。2.3 背面点接触太阳电池的模拟背面点接触太阳电池与常规太阳电池在结构上的不同在于电池背面Al-Si接触面积的大小与形状，在Al、Si无法接触的地方是SiN介质层，其具有较低的表面复合速率。又由于正面电极与电池的接触面积不变，背面的接触面积却变小，可以想象载流子运动模型将不像常规电池那样垂直电池运动，而是从正面到背面沿着一个逐渐变窄的半圆锥体游走。可想而知由此带来的在模拟参数上的改变体现在串联电阻和背表面复合速率上。本次模拟的目的是找出不同的背电极图型对电池效率的影响。图2.5中将背点接触太阳电池的背表面朝上进行说明。W 为电池从基级到射级的厚度，r 为点电极的半径，p 为两个点电极之间的周期长度，由此可得电极面积与背表面的总面积之比。Spass是钝化区域的表面复合速率（SRV），Smet是点电极接触区域的表面复合速率。这些背表面参数 r,p, Spass, Smet 以及背面少子扩散长度 L 影响着饱和电流从而影响串联电阻。这里引用H.Plagwits 和 R.Brendel 的二极管饱和电流模型15进行估算。图2.5 背面钝化点接触太阳电池 （2.1） （2.2） （2.3）式中 D 为少子扩散系数，电子扩散系数Dn=33.5cm2/s，空穴扩散系数Dp=12.4 cm2/s。基区电阻率取1.4cm,与实验室所用p型硅衬底的电阻率相同。取Spass=20cm/s, Smet=5105cm/s。电池厚度取180m。分别取不同的半径r ：0.050.5 mm，电极间距p：0.15 mm代入上式计算出背面少子符合速率Sn和基区电阻R，导入Origin7.5版做出三维彩色映射表面图，结果见图2.6：（a） 不同点电极间距和半径对背复合速率Sn的影响 图2.6（a）中有一处凹陷，位置在p=0.5，r=0.2附近。在经过数据的仔细校对后发现相应p、r对应的Sn并未下降，猜测为Origin通过矩阵作图时产生的错误。此点并不影响对整个Sn走势的判断。（b）不同点电极间距和半径对基区电阻R的影响图2.6 点电极间距和半径对电池电学性能的影响 要使得电池效率提高，应该使背面符合速率Sn变小，串联电阻R变小。由计算结果可以看出，在三维分布图内Sn和R的变化趋势恰恰相反，猜想在图中某处应该有区域使得电池的转换效率得到峰值。将Sn与R代入PC1D对电池输出参数进行模拟，结果见图2.7。（a）不同点电极间距和半径对转换效率Eta的影响（b）不同点电极间距和半径对填充因子FF的影响（c）不同点电极间距和半径对开路电压Voc的影响（d）不同点电极间距和半径对短路电流Isc的影响图2.7 点电极间距和半径对太阳电池输出性能的影响 由图2.7（a）可以看出，点电极半径r和间距p之间应该存在某种比例关系使得太阳电池的转换效率有最大值。若r增大并且p减小，则电池背面将由点电极变为全Al接触，此时因为背面复合变得严重，所以引起电池的背面符合速率Sn增加，开路电压Voc下降。若r减小并且p增大，则背面电极面积将变小，电池对光生载流子的收集能力下降，导致串联电阻R增大，短路电流Isc减小。说明电池的性能与背点电极的覆盖面积有关。下面将变量换为点间距p、电极面积与电池面积之比f。分别取f=0.01、0.03、0.08、0.1、0.3、0.9，计算出Sn和R后导入PC1D模拟，结果参照图2.8。（a）不同点电极间距和面积比对转换效率Eta的影响（b）不同点电极间距和面积比对填充因子FF的影响（c）不同点电极间距和面积比对开路电压Voc的影响（d）不同点电极间距和面积比对短路电Isc的影响图2.8 点电极间距和面积比对太阳电池输出性能的影响由模拟结果2.8（a）可以看出，不同面积比f对应着不同的效率最大值点。随着f的增大，效率极大值点往点间距p增大的方向移动。当f0.08时，电池效率随p的变化起伏不大；f0.08时，电池效率随p的增大急剧下降。为了使效率最大化，可以选择的点电极分布图样有很多。不同参数的硅片有着不同的模拟结果，若p型Si衬底的厚度或者电阻率发生改变，则应重新计算绘图。由图2.8（b）可以看出，f越小，电池的填充因子FF越小。因为接触面积的减小直接导致电池的串联电阻变大，I-V曲线靠近Voc端的斜率变小，使得FF减小。当p增大时，导致电池的横向电阻增大，同样使得填充因子FF减小。图2.8（c）和（d）则说明背点接触电池的开路电压和短路电流会高于常规全Al背场电池。在同样的模型下，常规电池的效率为15.45%，背点接触电池效率最大值超过16%。说明虽然背点接触电池的FF有所下降，但是最终的转换效率仍要高于常规电池。作为常规全Al背场太阳电池，其背面为Al-Si全接触，一方面会使得在高温烧结时电池片弯曲，降低电池与阳光接触面积造成效率损失，同时使电池变得易碎，降低了成品率；另一方面由于在生产中电极浆料为Al、Ag混合料，相对昂贵，常规电池背电极面积较大意味着增加了制作成本。根据模拟结果，可以选择电极面积比f在0.1左右的设计。参照电极分布对背面暗电流的影响16。 （2.4）其中J100为背表面全部电极覆盖时的暗电流。从上式可以看出，在f相同的情况下，选择大间距、大触电的设计带来的暗电流较小。本次模拟并未考虑钝化层作为背反射器对电池带来的影响。若电极面积减小，背反射率会相应增加。由图2.3（a）可以看出，若背反射率增加了20%，则电池转换效率会提升0.3%左右。说明小f的电极设计在对入射光的利用上有优势。第三章 背面点接触晶体硅太阳电池的实验研究3.1 背点接触太阳电池的结构设计3.1.1背反射器的结构设计为了降低太阳电池成本，节省硅原料，现今太阳电池所使用的硅片正在向薄片化发展，譬如本次实验所使用的硅片厚度已经达到180m。对于现有工艺，太阳电池的薄片化会带来一些问题。首先是缩短了太阳光在电池内的光程，透射光的损失由于硅片厚度减小而增大。对于间接带隙的硅来说，损失要大于直接带隙材料。为了减小透射光带来的损失，必须增大光线在电池体内的路径。例如，使吸收层的折射率大于其上下层织构材料以及加强背反射，使没有吸收的光再次返回电池吸收层，进行二次吸收。电池的厚度越薄，背反射器的作用越明显。背反射器可以增加电池对长波长光的吸收，提高短路电流。而且还能把到达背面的波长大于太阳电池光谱响应截止波长的光反射出去，可以降低电池的热效应。其次，因为现阶段太阳电池的背面基本采用铝背场，能起到一个P+层的作用，免去了去背结的工艺，阻止少数载流子向背表面的迁移，降低了背表面的复合速度。但是当硅片较薄时，由于铝和硅的热膨胀系数的不同，在烧结之后硅片会产生弯曲，硅片变得易碎，降低了生产线的成品率。因此，更换其他的背表面钝化介质膜也是现今研究的热点方向。有研究表明,许多介质膜可以有很好的背面钝化效果，诸如，氮化硅，非晶硅，热生长的二氧化硅，二氧化硅叠层等等17。传统的高效电池主要采用热生长的二氧化硅作为背面钝化介质膜，然后采用光刻工艺和蒸发工艺来制作前后表面的电极，虽然这种电池的效率高达24，但由于设备成本非常昂贵及工艺的复杂性，并不适合大规模的生产。由于上述原因，人们发展了低温PECVD钝化技术。目前已经投入大规模生产的PECVD SiN膜技术可以避免上述高温工艺缺点，使电池工艺简单、成本下降。在PECVD沉积Si3N4时，由于反应产生的气体中含氢，一部分氢会保留在Si3N4薄膜中。在高温过程中，这部分氢会从Si3N4中释放，扩散到