选择性发射极太阳电池结构及性能研究

选择性发射极太阳电池结构及性能研究

0太阳电池的结构和杂区太阳电池组件建成，拆卸方便，占目前业务市场的大部分。为不断提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本,至今已开发出许多不同的结构和制备技术。背面场(BSF)太阳电池在背面接触引入同型重掺杂区,等效于背面有很低复合速度(sn<100cm/s)的常规结构的太阳电池。低的sn可增强对低能光子的光谱响应,从而增加短路电流密度;而短路电流的增加、背接触处p-n结复合电流的减小及附加势能(qϕp)均可有效增加开路电压。常规BSF单晶Si太阳电池一般采用高掺杂浅扩散pn结制作工艺,各处的结深和表面杂质浓度几乎一致。但是扩散和金属化两道重要工序相互制约,扩散通常要求低掺杂以减少载流子复合,而金属化则要求重掺杂以形成良好的欧姆接触(因此要求达到扩散后表面薄层电阻为40Ω/□左右的重掺杂),使太阳电池的光电转换效率受到了限制。选择性发射极技术通过在电极接触区进行高浓度掺杂,而在光吸收区进行低浓度掺杂,能较好地克服上述问题。1结构与模拟的结构设计1.1选择性发射极太阳电池在选择性发射极太阳电池的不同区域,掺杂浓度、表面浓度和扩散结深是不同的。图1给出了常规BSF太阳电池和选择性发射极太阳电池的结构示意图。相对于常规BSF太阳电池,选择性发射极结构可减少光生少子的表面复合、提高光生载流子的收集率、减小扩散死层的影响,从而改善扩散层的整体性能、降低太阳电池的串联电阻。因此选择性发射极太阳电池可提高器件的开路电压、短路电流和填充因子,获得较高的光电转换效率。选择性发射极结构有两个特征:①在电极栅线下及其附近区域形成高掺杂深扩散区;②在其他区域(活性区)形成低掺杂浅扩散区。这样便在低掺杂和高掺杂区交界处获得一个横向n+/n高低结,在电极栅线下获得一个n+/p结,而在非电极区形成与常规BSF太阳电池一样的p/n结。因此,与常规BSF太阳电池相比,选择性发射极太阳电池在电极栅线处多了一个横向n+/n高低结和一个横向n+/p结。在这些扩散结中也存在内建电场,有利于n+区和n区的空穴向p区汇集,p区的电子向n区和n+区汇集。1.2金属接触的模拟在太阳电池顶部设计选择性发射极有望提高电池的光谱响应和光电转换效率,但前电极和高掺杂发射区的工艺复杂性限制了其工业化生产。理论上选择性发射极可制作在n型和p型Si衬底上。对于主要基于扩散电流的太阳电池,p型Si是首选;对于典型的B掺杂衬底,n型Si显示出一些特殊优势,如对含Fe化合物及其他金属杂质的弱敏感性。采用n型Si衬底时,还必须考虑诸如发射极金属接触的设计等问题。在常规太阳电池设计中,单一的B扩散被用来制作发射极,栅格状的Ag而非Al作为前金属接触的首选,以避免烧结过程中产生比发射极深的尖楔。M.Tucci等人提出了一种采用等离子体干法刻蚀技术,处理通过丝网印刷金属网格时已接触好的、高掺杂的单一发射极的解决方案。金属网格可作为光刻掩膜版,网格外面的区域可通过等离子体刻蚀去除,但结果导致发射极厚度降低,体电阻随之增大。低掺杂区的发射极用a-Si∶H/SiNx层钝化。在金属接触下面的高掺杂区接触电阻降低。本工作首先用MEDICI对M.Tucci等人制作的选择性发射极c-Si太阳电池进行模拟,获得了符合实验结果的光电转换效率,从而验证了器件模型和模拟方法的正确性。在此基础上进一步研究发射极参数对电池性能的影响,以扩展实验参数的范围,更好地指导实际器件的制作。1.3器件纵向掺杂首先在实验基础上建立二维器件结构模型。衬底为300μm厚的p型Si,电阻率为1Ω·cm,因此换算成掺杂浓度约为1.2×1016cm-3。有源区最高掺杂浓度为6×1020cm-3。在器件纵向(y轴)坐标上,0.3μm以上为ARC(antireflectivecoa-ting)。因此,在图2所示的掺杂浓度(N)随器件深度(xj)变化的模拟结果中,器件纵向从0.3μm处开始才有相应的掺杂(对应于M.Tucci等人实验中从0.0μm开始的掺杂分布)。在器件横向(x轴)坐标上,器件的总宽度设为10μm,横向扩散率设为0.3。2太阳电池结构热价对厚度的影响计算得到的太阳电池功率(P)与发射区厚度(d)的关系如图3所示,由功率可求得光电转换效率(本文入射功率采用AM1.5条件下的100mW/cm2)。在1.3μm(对应于M.Tucci等人实验中的1.0μm)处光电转换效率为9.43%,与实验结果基本吻合。在此基础上,拓展了发射区厚度的取值范围(图3),研究对应不同厚度的转换效率,从而给出更全面的信息。结果表明,转换效率开始时随发射区厚度增加而增大,从0.35μm时的3.15%增加到0.6μm时的最大值9.89%,之后缓慢减小到1.6μm时的9.30%。重掺杂区域作为“死区”,需通过刻蚀减小发射区厚度,增强光电流。另一方面,当发射区太薄时,太阳电池的填充因子主要受增加的串联电阻影响。因此,发射区厚度存在一个最佳值。对于前面建立的器件模型,由图3可知发射区厚度最佳值即为0.6μm。考察发射区厚度为0.6μm时,不同掺杂浓度对器件特性的影响,结果示于图4。由图4(a)可见,开始时转换效率随n+区掺杂浓度的增加不断增大,当掺杂浓度约为6×1020cm-3时其值保持在9.90%附近。因此,基于扩散与金属化过程的折中,考虑该浓度可视为n+区最佳掺杂值。再考察非电极区掺杂浓度对太阳电池性能的影响。从图4(b)可以看出,由于n区浓度的上升,在扩散与金属化两个过程中,影响更偏向于金属化过程,因此导致转换效率从开始的10.2%降低到8.96%。图5给出了上述结构的太阳电池的能带图。由图可知,p+-p高低结的接触势垒高度即为qVp+p;p-n结的接触势垒高度则为qVpn;n+-n结的接触势垒高度是qVn+n;其中q是电子电荷,EF为本征费米能级,EC和EV分别为导带底和价带顶。n区与n+区掺杂浓度的变化直接影响着qVpn和qVn+n。实际制备太阳电池时需要考虑的影响转换效率的两个指标为发射极方块电阻与少子寿命。前文对厚度、掺杂浓度的分析主要解决了第一个问题。对基于pn结构的太阳电池来说,非平衡光生载流子的产生与复合情况对光电转换效率有重要影响。少子寿命越长,越可能被pn结电场分离形成光电流,同时由于暗电流的降低可增加太阳电池的开路电压,因此还需要考虑在器件模型中降低各种复合,提升载流子寿命,以进一步提高电池性能。实际工作中除了采用P吸杂、Al吸杂和P-Al联合吸杂等方式减少载流子复合中心来提高少子寿命外,选择性发射极技术还通过在电极接触区和非电极区控制适当的掺杂,来实现发射区厚度及少子浓度等参数的优化,从而较好地解决了常规BSF工艺中扩散和金属化工序的要求相冲突的问题。图6给出了在优化掺杂和少子寿命等参数后得到的转换效率与发射区厚度的关系,可发现电池性能得到了显著提升,最大转换效率达到了19.16%。3织构化电池的制备工艺优化提高电基于一款实际制作的选择性发射极太阳电池,对其通过扩展、优化关键参数进行了模拟研究。结果表明,器件设计时需综合考虑各种参数,如发射极厚度和掺杂浓度等,二者取值都存在一个最佳范围。在实际制备过程中还应尽量减少内部缺陷,提升少