郭 麗， 陳 麗， 魯貴林， 張?jiān)迄i， 李 牛

(山西潞安太陽能科技有限責(zé)任公司，山西 長治 046011)

引 言

目前，PERC太陽能電池技術(shù)已經(jīng)成為太陽能行業(yè)高效量產(chǎn)的主流技術(shù)。PERC工藝是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上增加氧化鋁及激光開槽兩個(gè)環(huán)節(jié)，產(chǎn)線便可實(shí)現(xiàn)升級總體提升1%左右。因此，PERC工藝的市場潛力較大。但目前PERC電池的轉(zhuǎn)換效率提升處于瓶頸期，如何優(yōu)化各工藝參數(shù)使效率有效提升是關(guān)鍵。普通方法通過做大量實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，其成本高，耗時(shí)也長，另一種方法就是通過模擬實(shí)現(xiàn)，這種方法可大大節(jié)省生產(chǎn)成本，且方案多、見效快，并且可以從模擬結(jié)果中找到一種較優(yōu)的方案，從而指導(dǎo)生產(chǎn)、減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。因此，研究這種方法對PERC太陽能電池具有一定的實(shí)際意義。

本文采用PC1D軟件，它是利用完全耦合的非線性方程模擬半導(dǎo)體器件中電子和空穴的準(zhǔn)一維輸運(yùn)過程的一種太陽能電池仿真軟件。它屬于半導(dǎo)體器件模擬軟件，因其優(yōu)越性已經(jīng)被許多太陽能電池行業(yè)的研究開發(fā)人員所利用。本文通過調(diào)節(jié)PC1D軟件模擬PERC電池參數(shù)，以期找到與光電轉(zhuǎn)換效率提升有關(guān)的電阻率、方阻、金屬遮光率等參數(shù)。

1 PC1D模型的建立與仿真

本文采用P型太陽能電池單晶硅片，通過制絨、擴(kuò)散、拋光、正面鍍減反射膜、背面鈍化層、激光開槽及絲網(wǎng)印刷的工藝步驟，運(yùn)用PC1D仿真光伏器件對PERC電池進(jìn)行建模。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 PERC電池仿真結(jié)構(gòu)模型

模擬過程中，發(fā)射極磷源擴(kuò)散濃度分布及鋁背場鋁漿分布均選擇余誤差分布(Erfc)。在保持其中一個(gè)變量變化情況下，看其對電池性能影響。模擬主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如介電常數(shù)、帶隙寬度、激發(fā)條件及內(nèi)部模型的載流子遷移率等均采用軟件中硅襯底默認(rèn)值，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 PERC太陽能電池模擬過程采用主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 襯底材料體電阻率對電池輸出特性的影響

襯底材料體電阻率的變化不僅影響電池的串聯(lián)電阻Rs，還影響著填充因子FF，進(jìn)而影響硅片的導(dǎo)電性能與電池轉(zhuǎn)換效率。通過使用上述太陽能結(jié)構(gòu)參數(shù)，對電阻率在1 Ω·cm～2 Ω·cm范圍內(nèi)的電阻率進(jìn)行模擬，得到不同電阻率下的電池轉(zhuǎn)換效率。從圖2中可以看出電阻率在1.4 Ω·cm時(shí)，電學(xué)性能開始變差，這是因?yàn)?，電阻率與載流子的遷移率及基區(qū)摻雜濃度成反比，即載流子遷移率越慢，復(fù)合就會(huì)越快，少數(shù)載流子壽命就會(huì)縮短。電阻率越高會(huì)導(dǎo)致電池開路電壓降低，電池的轉(zhuǎn)換效率也因此減小。結(jié)合目前生產(chǎn)實(shí)際情況，經(jīng)過優(yōu)化后體電阻率選擇1 Ω·cm～1.4 Ω·cm。

圖2 電阻率隨效率變化

2.2 不同發(fā)射極結(jié)深下發(fā)射極方塊電阻對電池效率的影響

發(fā)射極電阻值的直觀可視性是光伏太陽能電池工藝的重要參數(shù)之一，其檢測手段是通過使用四探針方阻測試儀完成方阻測量。圖3中給出了5種不同結(jié)深下發(fā)射極方塊電阻對電池轉(zhuǎn)換效率的影響。從圖3中可知，在結(jié)深相同的前提下，隨著發(fā)射極方塊電阻的增加，效率呈上升趨勢且速度逐漸減慢變緩；當(dāng)結(jié)深增大時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)斜率增大、速度變緩的情況，直到方塊電阻阻值超過110 Ω·sqare-1～130 Ω·sqare-1時(shí)，隨著方塊電阻繼續(xù)增大，電池轉(zhuǎn)換效率維持穩(wěn)定不再升高，反而結(jié)深較高時(shí)，還會(huì)有效率下降的現(xiàn)象。這說明提高PERC電池轉(zhuǎn)換效率適合采用高方阻淺結(jié)工藝，擴(kuò)散推進(jìn)的時(shí)間和溫度、氮?dú)饬髁慷疾灰走^高。這是因?yàn)?，淺結(jié)高方阻降低了太陽能電池片表面少數(shù)載流子Auger復(fù)合速度[1]，提高了PERC電池短波段的光譜吸收,但這對正極銀漿有特殊的要求[2]。當(dāng)方阻再增大時(shí)，盡管降低了表面雜質(zhì)復(fù)合中心，改善了短波響應(yīng)，但由于電極柵線處的歐姆接觸差，串阻高，隨之電池的轉(zhuǎn)換效率也較低。經(jīng)過優(yōu)化并結(jié)合工藝實(shí)際情況選擇結(jié)深0.3 μm，方阻110 Ω·sqare-1～130 Ω·sqare-1。

圖3 不同發(fā)射極結(jié)深下發(fā)射極方塊電阻對電池效率的影響

2.3 不同摻雜濃度下的前表面復(fù)合速率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響

電池表面復(fù)合速率影響著電池的暗電流，進(jìn)而影響電池轉(zhuǎn)換效率。圖4中模擬了PERC電池在不同摻雜濃度條件下，前表面復(fù)合速率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響情況。結(jié)果顯示，在相同的峰值摻雜濃度下，電池的轉(zhuǎn)換效率隨著正表面復(fù)合速率的增大而降低，同時(shí)，隨著峰值摻雜濃度增大電池轉(zhuǎn)換效率也呈下降趨勢，但在500 cm/s～4 000 cm/s時(shí)效率是相對穩(wěn)定的。這說明降低復(fù)合速率對PERC電池的轉(zhuǎn)換效率影響不大，由于少數(shù)載流子減少，復(fù)合中心增多，電池的效率自然下降；但隨著發(fā)射極峰值濃度增大，方阻越大，結(jié)深越深，使得更多的少數(shù)載流子被復(fù)合，少子壽命降低，轉(zhuǎn)換效率隨之下降，進(jìn)一步說明PERC電池適合低摻雜低表面復(fù)合速率的工藝條件。經(jīng)過優(yōu)化并結(jié)合目前工藝實(shí)際情況選擇復(fù)合速率4 000 cm/s效果最佳。

圖4 不同摻雜濃度下的前表面復(fù)合速率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響

2.4 鋁背場結(jié)深對電池的影響

絲網(wǎng)印刷工藝在電池背面印刷時(shí)會(huì)形成鋁背場，鋁背場有吸雜、鈍化、降低少數(shù)載流子表面復(fù)合的作用，因此背場質(zhì)量、背場的結(jié)深就決定了摻雜質(zhì)量及電池的性能[3]。本文模擬了背表面摻雜濃度在3×1 018 cm-3時(shí)背表面復(fù)合速率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響情況。從第16頁圖5可以看出，當(dāng)背表面復(fù)合速率為10 cm/s～1 000 cm/s時(shí)，其對電池轉(zhuǎn)換效率影響相對較弱；但背表面速率繼續(xù)增大到10 000 cm/s時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率下降的速度加快。這說明復(fù)合速率越快復(fù)合中心越多，少子壽命就越低，背電場質(zhì)量也就相對較差。但隨著結(jié)深增加，當(dāng)背表面復(fù)合速率大于10 000 cm/s時(shí)，轉(zhuǎn)換效率是遞增的，這與閆麗[4]與竇智[5]的研究相一致。這是因?yàn)?，鋁背場與P型硅形成高低結(jié)，結(jié)深越深則少數(shù)載流子越難越過高低結(jié)到達(dá)背表面進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)而提高開路電壓與填充因子。加上背場背反射器的作用，把入射在背場的光線再次折返回電池內(nèi)部，電池效率隨之增加。

圖5 鋁背場結(jié)深對電池的影響

因此，結(jié)合實(shí)際情況，對電池參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后背表面復(fù)合速率小于1 000 cm/s效果較好。

2.5 不同前表面的金屬電極遮光率下串阻的影響

在PC1D中，不同電池金屬比例可以用所有主柵線和所有副柵線投影在硅片表面的面積之和除以電池總表面積表示。電池的串聯(lián)電阻主要由電池材料的體電阻、電極電阻和電極與半導(dǎo)體之間的接觸電阻構(gòu)成。在太陽能電池中，電極柵線的增大能有效地降低串聯(lián)電阻同時(shí)收集更多的電流，但柵線過大又會(huì)增加遮光面積影響電流的收集。因此如何權(quán)衡這兩者，尋找最優(yōu)電極柵線遮光率以達(dá)到串聯(lián)電阻最小是十分有必要的。本文選擇了現(xiàn)工業(yè)量產(chǎn)中幾種可實(shí)現(xiàn)的金屬遮光率進(jìn)行研究。從圖6可以看出，在相同的金屬遮光率下，光電轉(zhuǎn)換效率隨著串聯(lián)電阻的增加呈現(xiàn)線性下降趨勢；金屬遮光率越高光電轉(zhuǎn)換效率越小，這是因?yàn)?，串?lián)電阻越大，PERC電池收集到的電流用于內(nèi)能發(fā)熱損耗越多，光電轉(zhuǎn)換效率自然也會(huì)下降；金屬遮光率主要是受電極柵線遮光影響，電極柵線比例過大，會(huì)降低電池片的光線的吸收和電流的收集，進(jìn)而影響光電轉(zhuǎn)化效率[6]。經(jīng)過優(yōu)化的金屬電極遮光率為2.5%～3.0%時(shí)，效果最佳。

圖6 不同串聯(lián)電阻條件下的金屬化遮光率對光電轉(zhuǎn)換效率影響

2.6 量子效率曲線特性

從圖7、表2中可以看出，優(yōu)化后量子效率在小于1 050 nm波段，效果明顯優(yōu)于未優(yōu)化時(shí)，但在大于1 050 nm時(shí)兩者無差別。說明PERC電池經(jīng)過各個(gè)工藝參數(shù)優(yōu)化后光的利用率增加，電池光生載流子數(shù)目增多，電池內(nèi)部激發(fā)了更多的電子空穴對。但波長大于1 050 nm時(shí)，優(yōu)化前、后量子效率相差不大，說明對PERC電池各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，背鈍化效果依然不太理想，長波響應(yīng)差，長波利用率低，但中長波和短波利用率還是比較明顯的。

圖7 PERC電池優(yōu)化前、后量子效率曲線

表2 優(yōu)化前、后PERC電池相關(guān)電性能參數(shù)

Isc/AUoc/VFF/%EFF/%優(yōu)化前8.5250.632 779.57%17.59%優(yōu)化后10.0120.683 081.40%22.53%

各參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后整體效率提升4.94%，且選擇的參數(shù)均考慮了經(jīng)濟(jì)效益并結(jié)合了工業(yè)可行的因素分析，對PERC電池的研究和生產(chǎn)還是有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

本文通過PC1D軟件對PERC電池建立太陽能電池模型，并利用該模型對電池性能的各個(gè)工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并改善，研究得出：

1) 襯底材料電阻率越高電池的轉(zhuǎn)換效率越差，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況選擇電阻在1 Ω·cm～1.4 Ω·cm范圍時(shí)，PERC電池的載流子遷移速率相對較快，復(fù)合較少，少子壽命也相對較高。

2) 發(fā)射區(qū)結(jié)深與方塊電阻的關(guān)系說明PERC電池轉(zhuǎn)換效率適合采用高方阻淺結(jié)工藝，高的電池轉(zhuǎn)換效率要求結(jié)深選擇0.3 μm，方阻110 Ω·sqare-1～130 Ω·sqare-1；不同摻雜濃度下，電池的轉(zhuǎn)換效率隨著正表面復(fù)合速率的增大而降低，高的電池轉(zhuǎn)換效率要求復(fù)合速率小于4 000 cm/s。

3) 光陷阱區(qū)根據(jù)模擬結(jié)果顯示：相同的金屬遮光率下光電效率隨著串聯(lián)電阻的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢；金屬遮光率越高光電轉(zhuǎn)換效率越小。經(jīng)過優(yōu)化并結(jié)合現(xiàn)工業(yè)量產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)的金屬遮光率選擇2.5%～3.0%，效果最佳。

4) 絲網(wǎng)印刷模擬情況中鋁背場部分：當(dāng)背表面復(fù)合速率為10 cm/s～1 000 cm/s時(shí)，背表面復(fù)合速率對電池轉(zhuǎn)換效率影響相對較弱；當(dāng)背表面速率繼續(xù)增大到10 000 cm/s時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率下降的趨勢加快；當(dāng)背表面復(fù)合速率大于10 000 cm/s時(shí)，轉(zhuǎn)換效率是遞增的，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，背面復(fù)合速率需小于1 000 cm/s。

根據(jù)量子效率分析可知，優(yōu)化后的PERC電池增加了短波與中長波波段光譜響應(yīng)，并有效地利用入射光，最終提供了一種適應(yīng)工業(yè)量產(chǎn)的、經(jīng)濟(jì)可行的PERC電池工業(yè)優(yōu)化方案，其可將太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至22.53%，對于行業(yè)發(fā)展還是有一定的指導(dǎo)意義。