肖友鵬 高超 王濤 周浪

(南昌大學光伏研究院,南昌 330031)

Xiao You-Peng Gao Chao Wang Tao Zhou Lang?

(Institute of Photovoltaic,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

1 引 言

太陽電池可看成由吸收太陽光產(chǎn)生自由電子和空穴的光子吸收層和將光生自由電子和空穴輸運到太陽電池外部的接觸層兩個基本單元組成.提高硅太陽電池的效率需要降低復合電流,提升光子吸收層即晶硅的品質,盡量減少晶硅中的雜質和缺陷,使得硅太陽電池總的復合僅限于本征體復合機制[1].2016年,日本Kaneka公司制備的面積為180 cm2的叉指背接觸硅異質結太陽電池轉換效率高達26.33%[2],離硅太陽電池29.4%理論效率極限[3]又進了一步.為了更加接近硅太陽電池的理論效率極限,關鍵是進一步降低金屬接觸處的復合損失.載流子選擇性接觸被看成是接近硅太陽電池理論效率極限的最后障礙之一[4],這種接觸可以實現(xiàn)低少子復合和有效多子輸運.這里少子指的是接觸處的少子,不是要收集的載流子,不是體材料中的少子;多子指的是需要收集的載流子,多子收集損失僅限于歐姆損失,即多子接觸電阻必須很低[5].

圖1是硅太陽電池載流子選擇性接觸物理模型示意圖,其中EFn和EFp分別為電子和空穴的準費米能級,準費米能級分裂即(EFn-EFp)決定了硅太陽電池能夠獲得的隱含開路電壓(iVoc).準費米能級梯度?EFn和?EFp是形成電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp的熱力學驅動力,并通過Jn=nμn?EFn=σn?EFn/q和Jp=pμp?EFp=σp?EFp/q表達出來[6],其中n和p分別為電子和空穴濃度,μn和μp分別為電子和空穴遷移率,σn和σp分別為電子和空穴的電導率.當電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp同時到達空穴選擇性接觸時,空穴電導率σp對空穴來說是高的或者說是空穴低阻,空穴電流密度Jp輕松通過,相反電子電導率σn對電子來說是低的或者說是電子高阻,電子電流密度Jn受到阻擋.當電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp同時到達電子選擇性接觸時則是電子電流密度Jn輕松通過,空穴電流密度Jp受到阻擋.因此載流子選擇性接觸應當只對一種導電類型的載流子具有選擇性,只讓一種導電類型的載流子通過,這意味著接觸處的電導率對一種導電類型載流子要高而對一種導電類型載流子要低,或者說電導率的不對稱.換句話說,硅太陽電池不同的接觸不僅負責收集不同導電類型的載流子,也充當著一種半透膜,從而一種接觸輸運電子阻擋空穴,另一種接觸輸運空穴阻擋電子[6,7].

圖1 (網(wǎng)刊彩色)硅太陽電池載流子選擇性接觸示意圖Fig.1.(color online)Schematic of the carrier selective contacts in silicon solar cells.

晶硅表面存在著大量的缺陷,從而在晶硅禁帶中引入大量缺陷能級,當金屬直接與晶硅接觸時,這些缺陷能級不可避免地會充當有效的復合中心,產(chǎn)生高的復合電流.同時金屬與晶硅的功函數(shù)匹配,對電子和空穴的電導率都高,因此這種接觸對載流子沒有選擇性.

為了鈍化晶硅表面的缺陷能級,通常在硅片上沉積或生長介質層,如SiO2,SiNx和Al2O3等.盡管這些介質層能夠給硅片表面提供優(yōu)秀的鈍化性能,降低復合活性,但由于此類材料與硅的導帶和價帶都沒有對齊,沒有表現(xiàn)出對電子和空穴高的電導率,因此這種接觸對載流子也沒有選擇性.

載流子選擇性接觸的核心是電導率的不對稱[8],電導率的不對稱可以通過調整遷移率和載流子濃度來實現(xiàn).硅中電子和空穴的遷移率具有相同的數(shù)量級,因此只有通過調整載流子濃度來實現(xiàn)電導率的不對稱[9].調整載流子濃度最簡單的方式是摻雜,在硅吸收層和金屬界面之間引入一層薄的重摻雜層,從而在單一的半導體材料中產(chǎn)生不同的電子和空穴的電導率,即通常所說的發(fā)射極或背面場,如此電導率只對一種導電類型的載流子來說是高的,這是一種與金屬接觸的典型方法.然而這種方法以增加俄歇復合為代價,而且摻雜通常需要熱擴散和高溫激活,是一種比較昂貴的制程[10].

Yablonovich等[11]指出一個理想的太陽電池應建立兩個異質結結構,應該將吸收層置于兩個寬帶隙半導體之間.利用感應能帶彎曲或異質結的能帶排列以使得電子和空穴濃度嚴重不對稱從而導致電導率不對稱,來實現(xiàn)對載流子的選擇性.如果兩種材料的導帶對齊而價帶沒有對齊,意味著這是一種電子選擇性接觸,而這種電子的選擇性是由兩種材料界面處的空穴濃度減少來實現(xiàn)的.同樣,如果兩種材料的價帶對齊而導帶沒有對齊,意味著這是一種空穴選擇性接觸.

載流子選擇性接觸如此重要,促使我們基于一維太陽電池模擬軟件wxAMPS,對硅太陽電池的能帶結構和載流子濃度以及電導率進行數(shù)值模擬,討論載流子選擇性接觸的物理機制和設計原則.

2 器件結構與模擬參數(shù)

分析載流子選擇性接觸的復雜性在于它們的特性與電壓和光照相關.不過一個設計良好的硅太陽電池,在大部分工作條件下其固有性能應當相對保持不變,從而可以利用暗態(tài)下硅太陽電池的特性探究載流子選擇性接觸的物理機制.我們選擇了擴散同質結硅太陽電池、非晶硅薄膜硅異質結太陽電池和氧化物薄膜硅異質結太陽電池結構進行數(shù)值模擬,三者的器件結構分別如圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)所示.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)模擬器件結構 (a)擴散同質結硅太陽電池;(b)非晶硅薄膜硅異質結太陽電池;(c)氧化物薄膜硅異質結太陽電池Fig.2.(color online)Structures of silicon solar cell:(a)Diffused homojunction solar cell;(b)silicon heterojunction solar cell with amorphous silicon thin f i lms;(c)silicon heterojunction solar cell with metal oxide thin f i lms.

一維模擬軟件wxAMPS是在著名太陽電池模擬軟件AMPS的基礎上改進求解算法而開發(fā)的一款新型模擬軟件[12],模擬所涉及的材料特性參數(shù)[13?17]如表1所列.

表1 硅太陽電池模擬參數(shù)設置Table 1.Parameters of silicon solar cells.

3 模擬結果與討論

3.1 擴散同質結硅太陽電池

圖3為暗態(tài)下擴散同質結硅太陽電池的能帶圖,這里(p+)c-Si和(n+)c-Si就是所謂的發(fā)射極和背面場.圖4顯示的是暗態(tài)下擴散同質結硅太陽電池載流子濃度空間分布,高的p型和n型摻雜分別使得發(fā)射極一端空穴濃度p升高和背面場一端電子濃度n升高,即分別增加了發(fā)射極一端空穴的電導率σp(=pqμp)和背面場一端電子的電導率σn(=nqμn),從而分別實現(xiàn)空穴選擇性接觸和電子選擇性接觸.可以看到,在擴散同質結硅太陽電池中光子吸收層即(n)c-Si和載流子選擇性接觸即(p+)c-Si和(n+)c-Si由同種材料組成.

圖3 暗態(tài)下擴散p-n同質結硅太陽電池能帶圖Fig.3.Energy diagram for the diffused p-n homojunction silicon solar cell in the dark.

擴散同質結硅太陽電池是在晶硅襯底上擴散摻雜出一個相反摻雜類型的區(qū)域并與襯底組成p-n同質結,p-n結被認為是太陽電池工作的基本要素,暗態(tài)下p-n結空間電荷區(qū)建立的內建電場被認為是光照下太陽電池形成電流的驅動力.如果p-n結空間電荷區(qū)的內建電場不存在,很難想象太陽電池能夠工作,也就是說如果沒有內建電場的存在帶電載流子就不能分離.實際上,形成電流的驅動力是準費米能級梯度,電子和空穴的分離和選擇性輸運到太陽電池的兩端是因為器件的不同區(qū)域電導率的不同或者說電導率的不對稱,而不是內建電場,因此Würfel等[8]和Bullock等[18]認為p-n結并不是太陽電池所必須的,以金屬氧化物MoOx為空穴收集層的硅異質結太陽電池就是典型的例子.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)暗態(tài)下擴散p-n同質結硅太陽電池載流子濃度空間分布Fig.4.(color online)Spatial distribution of the carrier concentration for the diffused p-n homojunction silicon solar cell in the dark.

3.2 非晶硅薄膜硅異質結太陽電池

非晶硅薄膜硅異質結太陽電池是具有載流子選擇性接觸的經(jīng)典例子,其顯著的優(yōu)點是能夠取得高達750 mV的開路電壓[19],只比高品質晶硅吸收層本征體復合決定的開路電壓上限低約10 mV[3].取得如此高的開路電壓,一方面得益于本征氫化非晶硅的優(yōu)秀化學鈍化效應,另一方面也得益于摻雜氫化非晶硅提供的場鈍化效應.圖5為暗態(tài)下非晶硅薄膜硅異質結太陽電池的能帶圖,其中(p)a-Si為發(fā)射極,(n)a-Si為背面場.對于空穴選擇性接觸,價帶帶階和向上的能帶彎曲保證了晶硅表面高的空穴濃度,對于電子選擇性接觸,導帶帶階和向下的能帶彎曲保證了晶硅表面高的電子濃度,如圖6所示,因此載流子的選擇性發(fā)生在晶硅中感應p-n同質結和高-低同質結處,摻雜氫化非晶硅薄膜不僅使得太陽電池的前部和背部具有了選擇性,而且a-Si:H/c-Si界面處的能帶彎曲也參與其中[20].實際上,通過摻雜可以調整a-Si:H/c-Si界面處的價帶帶階和導帶帶階,從而調整載流子選擇性.非晶硅薄膜的硅異質結太陽電池晶硅中沒有外來的重摻雜效應,而是在晶硅吸收層中感應出一個同質結,這個感應同質結位于晶硅表面,并且被本征氫化非晶硅有效鈍化[21].載流子選擇性接觸促使在晶硅吸收層內高的光生載流子產(chǎn)生率、低的少子復合率和從晶硅吸收層中對電子和空穴的有效取出.低的少子復合率不僅來源于鈍化表面缺陷以降低復合活性,還使一種導電類型載流子想要到達太陽電池一側的金屬變得非常困難,從而可以保證光生載流子在復合前被收集[22].

圖5 暗態(tài)下非晶硅薄膜硅異質結太陽電池能帶圖Fig.5.Energy diagram for the silicon heterojunction solar cell with amorphous silicon thin f i lm in the dark.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)暗態(tài)下非晶硅薄膜硅異質結太陽電池載流子濃度空間分布Fig.6.(color online)Spatial distribution of the carrier concentration for the silicon heterojunction solar cell with amorphous silicon thin f i lm in the dark.

非晶硅薄膜硅異質結太陽電池設計有兩種載流子選擇性接觸:一種是收集晶硅吸收層中的光生空穴;另一種是收集晶硅吸收層中的光生電子.受光面載流子選擇性接觸的設計面臨更大的挑戰(zhàn),因為要受到金屬柵線處橫向載流子收集的功率損失和非晶硅薄膜光子吸收的支配.而在電池背面,至少對于單面受光硅異質結太陽電池,接觸設計可以簡化為一維問題,而且不用過多考慮能量大于晶硅吸收層光學帶隙的光子吸收[23].非晶硅薄膜硅異質結太陽電池主要的挑戰(zhàn)是本征氫化非晶硅緩沖層、摻雜非晶硅層和透明導電膜之間的相互影響.本征氫化非晶硅緩沖層應當抑制晶硅表面的少子復合同時保證優(yōu)秀的多子輸運,上面摻雜非晶硅層能夠提供有益的場效應鈍化,同時不能對化學鈍化產(chǎn)生負面沖擊.同樣重要的是如何優(yōu)化摻雜非晶硅薄膜的摻雜濃度和厚度去屏蔽摻雜非晶硅層和透明導電層之間的功函數(shù)失配形成的肖特基勢壘[24].

非晶硅薄膜硅異質結太陽電池是一種具有載流子選擇性接觸的高效太陽電池,不過其有三個主要缺點:1)(p)a-Si摻雜效率低;2)(p)a-Si的禁帶寬度在1.7—1.8 eV之間,會不可避免地帶來光學損失;3)a-Si的溫度穩(wěn)定性差,不能與p-n擴散同質結硅太陽電池的組件制備流程相兼容,實際上這正是金屬氧化物薄膜硅異質結太陽電池取得發(fā)展的主要驅動力[25].

3.3 金屬氧化物薄膜硅異質結太陽電池

著名光伏研究機構EPFL于2015年發(fā)表了一種利用高功函數(shù)金屬氧化物MoOx薄膜作為空穴收集層即發(fā)射極、以(n)a-Si作為背面場的硅異質結太陽電池,效率達到了22.5%[26].圖7為暗態(tài)下金屬氧化物薄膜硅異質結太陽電池的能帶圖,可以看到MoOx,c-Si和TiOx都為n型半導體.MoOx(x＜3)是一種寬帶隙半導體,氧空位在MoOx能帶中形成缺陷帶并且使薄膜表現(xiàn)出半金屬性、n型特征[27,28].高功函數(shù)的MoOx在(n)c-Si中形成空穴反型層是界面費米能級對齊的結果.在兩種材料接觸前,兩者之間存在一個大的化學勢差,這種能量失配是費米能級統(tǒng)一的驅動力.當MoOx與(n)c-Si接觸時,電子從(n)c-Si價帶轉移進入MoOx的氧空位缺陷帶,接著電子離開(n)c-Si表面,價帶邊逐漸靠近費米能級EF并且在(n)c-Si表面感應能帶向上彎曲從而出現(xiàn)(p+)c-Si空穴反型層[29].金屬氧化物MoOx與(n)c-Si接觸感應向上的能帶彎曲進入(n)c-Si吸收層形成感應同質p-n結,如果設計良好,感應同質p-n結的整流特性與在吸收層表面的p型摻雜形成的同質p-n結相似,在(n)c-Si表面附近有高的空穴濃度,如圖8所示,形成空穴選擇性接觸.低功函數(shù)的金屬氧化物TiOx[30]與(n)c-Si接觸時形成小的導帶帶階,電子能夠輕松通過,同時形成大的價帶帶階,阻擋空穴的輸運,即在(n)c-Si表面附近有高的電子濃度,如圖8所示,從而是一種電子選擇性接觸.

圖7 暗態(tài)下金屬氧化物薄膜硅異質結太陽電池能帶圖Fig.7.Energy diagram for the silicon heterojunction solar cell with metal oxides thin f i lm in the dark.

免摻雜的金屬氧化物取代高摻雜發(fā)射極和背面場是硅太陽電池研發(fā)過程中的創(chuàng)新,其他能形成空穴選擇性接觸的金屬氧化物還有WOx[31]和V2Ox[32]等,能形成電子選擇性接觸的金屬氧化物還有CsOx[18]等.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)暗態(tài)下金屬氧化物薄膜硅異質結太陽電池載流子濃度空間分布Fig.8.(color online)Spatial distribution of the carrier concentration for the silicon heterojunction solar cell with metal oxides thin f i lm in the dark.

4 結 論

硅太陽電池中載流子選擇性接觸可以通過擴散摻雜制備同質結、利用異質結的能帶排列或感應能帶彎曲來創(chuàng)造.基于一維太陽電池模擬軟件wxAMPS,我們模擬了暗態(tài)下擴散同質結硅太陽電池、非晶硅薄膜硅異質結太陽電池和氧化物薄膜硅異質結太陽電池的能帶結構和載流子濃度的空間分布.模擬結果表明:就阻擋一種導電類型的載流子同時傳導另一種導電類型的載流子這一特性而言,異質結載流子選擇性接觸的物理機制與擴散同質結相同,都是在晶硅表面附近形成載流子濃度空間分布的不對稱從而導致電導率的不對稱,形成對電子的高阻和空穴的低阻,或者對空穴的高阻和電子的低阻,進而讓空穴輕松通過同時阻擋電子,或者讓電子輕松通過同時阻擋空穴.非晶硅薄膜硅異質結太陽電池已經(jīng)取得了非常高的轉換效率,不過非晶硅薄膜帶隙較窄且需摻雜,使用免摻雜的金屬氧化物薄膜代替摻雜非晶硅薄膜,為制備硅異質結太陽電池打開了更廣闊的材料空間,同時也使得如原子層沉積等薄膜沉積技術得以加速發(fā)展.

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