p型衬底晶硅太阳电池的数值模拟

p型衬底晶硅太阳电池的数值模拟

0发射极在晶硅太阳电池传统太阳电池制备过程中，有两个主要步骤：一是通过扩散和形成n型发射极和硅盘底形成pn结，另一步是制备氮硅涂层和电池表面，以降低太阳电池前表面的填充率。一般的,发射极制结的好坏很大程度上决定了太阳电池的性能。发射极掺杂浓度、方块电阻、结深等的变化都会对电池性能造成影响。高效晶硅太阳电池制作选择性发射极优化的发射极方块电阻约为150Ω/□,而目前产业化晶硅太阳电池一般将发射极的方块电阻选为40Ω/□,二者之间存在较大差异。选择此值,更多是出于制作工艺的考虑,这对于提高电池效率是否是最优值仍然值得研究。特别的,目前已有的研究所针对的晶硅太阳电池所具有的电阻率一般都是最优化的1.0Ω·cm,但是由于近年来硅材料急剧短缺,所能获得的硅片质量产生了很大波动,硅片电阻率往往比上述优化值大很多。硅片电阻率的变化也有可能带来对发射极制备要求的变化。所以,从理论上深入研究发射极扩散浓度、方块电阻、结深等对晶硅太阳电池性能的影响规律以及这种影响规律与硅衬底电阻率之间的依赖关系,对实际太阳电池的制备具有重要意义。本文采用PC1D数值计算软件对此进行详尽的模拟研究,并对其中蕴含的作用机制进行分析,得到常规晶硅太阳电池发射极的扩散制结标准。1太阳电池的制备PC1D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重要作用,并逐渐成为模拟典型光伏器件的标准软件。本研究中所模拟的太阳电池结构如图1所示,这种太阳电池按常规晶硅电池制备工艺制成。迎光面采用碱性腐蚀液制备金字塔织构,采用POCl3扩散制备发射极,之后在上面淀积氮化硅钝化层,兼起减反射作用,背面采用丝印烧结工艺制备铝背场。模拟过程中,依据一般扩散工艺,认为磷原子在发射极中的浓度分布满足余误差(Erfc)分布,浓度的峰值在发射极表面,铝原子在背场中也服从余误差分布,浓度的峰值在背场表面。硅片结构参数(比如带隙、载流子迁移率、折射率、吸收系数等)采用软件中的默认值。所采用的其它参数除特殊说明外,均取表1中的设定值。模拟光照条件为AM1.5,功率密度100mW/cm2。2分析与讨论的结果2.1掺杂结深对发射极结深的影响图2给出了在不同的发射极峰值浓度下,发射极结深对太阳电池效率的影响。可以看出,在相同的发射极峰值浓度下,电池效率随结深的增加逐渐下降,超过一定结深后,下降趋势加剧。发射极峰值掺杂浓度越高,这种变化就越明显。这是由于光生载流子在发射极内的寿命较短且离表面近,容易受到表面复合中心的影响而使寿命进一步降低。发射极内掺杂浓度越高,光生载流子寿命越短,复合概率增大,电池电流减小;而发射极结深越深,被发射极吸收的光就越多,这种影响也就越大。图3中所示电池短路电流密度的变化很好地说明了这一点。这种光生载流子复合的增加还会导致电池开路电压的降低,所以,从图3中还可以看出,尽管发射极掺杂浓度的适当增加有利于提高pn结区的空间电场而得到较高的开路电压,但掺杂浓度过高反而会使开路电压下降,除非发射极结深很浅,减弱了上述复合会造成的负面影响。而在相同的发射极峰值掺杂浓度下,开路电压随结深的增加而下降则是复合增加和空间电场减弱共同作用的结果。所以,从上面的分析可以看出,掺杂重而结深浅的发射极是得到高电池效率所优选的。但是,从图2中可以看出,在很高的掺杂浓度下,所需要的结深只有几十纳米,如此薄的发射极很难采用传统扩散工艺来制备。所幸,图2中的结果同样表明,尽管所能得到的电池最大效率随发射极峰值掺杂浓度的下降而下降,但这种下降并不太明显。下降的原因是pn结区空间电场变弱,下降不明显的原因是光生载流子复合的概率也减小了。所以,这使得我们可以采用相对掺杂较轻而结深较深的发射极来得到还可以接受的电池效率。然而,为了保证前电极可以实现欧姆接触,发射极的掺杂浓度不能太轻。结合图2中的模拟结果,可以认为发射极的扩散峰值浓度介于1×1019～5×1019cm-3之间是优选的,可接受的结深则依据具体扩散浓度而发生变化,如图2所示。2.2发射极自适应行为与结深相比,发射极方块电阻是更加容易测量的性能参数。因此,实际生产中更多的是采用测量方块电阻的办法来作为检测发射极扩散质量的标准。所以,图4进一步给出了在不同的发射极峰值掺杂浓度下,太阳电池转换效率对发射极方块电阻的依赖关系。从中可以看出,发射极方块电阻在100Ω/□以上后,电池效率基本稳定在最大值,并且这基本与发射极的峰值掺杂浓度无关。2.3发射极不同掺杂浓度对电池性能的影响前面的分析已经提到,发射极状况对太阳电池性能的影响与在前表面上发生的复合有关,这种复合使发射极中的光生载流子的寿命变的更短。图5给出了前表面复合速率在不同发射极状况下对太阳电池性能的影响。可以看出,前表面复合速率变大,电池效率降低。尽管发射极峰值掺杂浓度变大,电池效率也会下降,但发射极峰值掺杂浓度越大,前表面复合速率对电池性能的影响就越不明显,这主要归因于pn结空间电荷区电场的增强。从图5中还可以进一步看出,在相同的发射极掺杂峰值浓度下,前表面复合速率越大,得到较高效率电池所需要的方块电阻就越大,这是因为大的方块电阻对应于浅的结深,发射极越浅,被发射极吸收的光就越少,从而降低了光生载流子受前表面影响而发生复合的概率。但是前面已经提到,制备掺杂重结深浅的发射极在实际太阳电池制备中难以实现。所以,降低前表面复合影响的措施是要尽可能的降低前表面复合速率,而不是减小发射极结深。如果前表面复合速率可以降低到前面模拟中所取的500cm/s以下,则发射极可选取的最小方块电阻就可以比100Ω/□小。2.4发射极对太阳电池性能的影响尽管上文中的模拟过程中,衬底电阻率选用的是最佳值1.0Ω·cm,但目前的实际生产中遇到更高电阻率硅片的可能在逐渐增大。在图6中给出了发射极状况对太阳电池性能的影响与衬底电阻率之间的关系。可以看出,衬底电阻率的增加导致电池效率降低,但发射极状况对太阳电池性能的影响规律却并没有发生变化,对于电阻率变大的硅片,在各种发射极峰值掺杂浓度下,可取的方块电阻仍然为在100Ω/口以上。所以上述优化的结果对这些硅片仍适用。2.5扩散制结标准综合上述分析,图7针对实际发射极制结过程中可能得到的某些具体结深,给出了可以接受的发射极掺杂峰值浓度和发射极方块电阻,优选的处于阴影所限定的范围内,二者之间的联系由图中所示的曲线决定。可选择的扩散制结标准为:发射极的扩散峰值浓度介于1×1019～5×1019cm-3之间,方块电阻在100Ω/□以上。比如,对于0.5μm的常见结深,如果发射极的掺杂峰值浓度达到1×1019cm-3以上,则需要将发射极的方块电阻控制在100～300Ω/□之间。3发射极的优化针对传统p型衬底晶硅太阳电池,通过PC1D数值计算模拟了发射极峰值扩散浓度、方块电阻、结深等对电池性能的影响规律以及这个规律与硅衬底电阻率之间的依赖关系,得到了发射极的扩散制结标准。为了得到高的太阳电池效率和保证实现电极欧姆接触,对于磷原子浓度梯度符合余误差分布的发射极,其峰值扩散浓度优选的应该介于1×1019～5×1019cm-3之间,方块电阻在100Ω/□以上。比如,对于0.5μm的常见结深,如果发射极的峰值掺杂浓度达到1×1019cm-3以上,则需要将发射极的方块电阻控制在100