收稿日期：2022-11-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61904154）；四川省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFG0229）；成都市技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目（2022-YF05-00384-SN）

通信作者：俞 ?。?986—），男，博士、副研究員，主要從事光伏新能源及交叉學(xué)科方面的研究。jianyu@swpu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1689 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0475-05

摘 要：通過Afors-Het軟件模擬建立TOPCon太陽(yáng)電池模型，系統(tǒng)分析隧穿氧化SiO2層厚度、n+ poly-Si層摻雜濃度、背金屬電極功函數(shù)以及SiO2/n+ poly-Si側(cè)的能帶偏移量對(duì)TOPCon太陽(yáng)電池性能的影響。結(jié)果表明：SiO2/n+ poly-Si疊層鈍化結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)較好的電子選擇性傳輸性能，當(dāng)SiO2層厚度為1.1 nm、n+ poly-Si層摻雜濃度為1×1020 cm-3時(shí)，是最佳工藝窗口，且顯示出改善電子選擇性傳輸層對(duì)于TOPCon太陽(yáng)電池效率提升的巨大潛力。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池；鈍化；電子特性；模擬平臺(tái)；TOPCon

中圖分類號(hào)：TK513"""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

2013年，隧穿氧化層鈍化接觸（tunnel oxide passivated contact，TOPCon）太陽(yáng)電池在光伏領(lǐng)域興起［1-3］，其主要特點(diǎn)是采用SiO2/n+ poly-Si鈍化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而鈍化硅表面，可極大地提升效率。TOPCon太陽(yáng)電池是一種使用超薄隧穿氧化層和摻雜多晶硅層作為鈍化層結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池，具有良好的接觸性能。2017年，4 cm2的TOPCon電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.7%［4］。TOPCon電池結(jié)構(gòu)，由于其重?fù)诫s的多晶硅（poly-Si）層與n型Si之間費(fèi)米能級(jí)有差異，引起界面處的能帶彎曲，使電子隧穿后有足夠的能級(jí)可占據(jù)，更易隧穿；而空穴占據(jù)的價(jià)帶邊緣處于poly-Si的禁帶，不易隧穿從而起到電子選擇性通過的作用，抑制載流子復(fù)合，增加背表面的鈍化效果［5-7］。

TOPCon太陽(yáng)電池通過n型poly-Si的場(chǎng)效應(yīng)鈍化，改善背接觸問題，顯著降低表面的少子復(fù)合速率，而背表面的摻雜濃度分布對(duì)其鈍化特性起到關(guān)鍵作用。2021年，研究人員發(fā)現(xiàn)poly-Si層厚度為100 nm，摻雜濃度為（2～3）×1020 cm-3，且具有中等的“穿透擴(kuò)散”剖面時(shí)，TOPCon電池背表面具有優(yōu)異的鈍化水平［8］，其原因是重?fù)诫s的poly-Si表面排斥少數(shù)載流子，提供較好的場(chǎng)效應(yīng)鈍化效果。目前，n型TOPCon電池的背面采用超薄氧化層和重?fù)诫spoly-Si的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)改善界面特性，形成良好的鈍化接觸，提升電池性能［9-10］，但鈍化效果、界面接觸特性仍未達(dá)到最佳，距離實(shí)現(xiàn)理論最高效率還有差距。

基于此，本文著重研究隧穿氧化SiO2層厚度、n+ poly-Si層摻雜濃度、背金屬電極功函數(shù)以及SiO2/n+ poly-Si側(cè)的能帶偏移量對(duì)TOPCon電池性能的影響，以期為實(shí)現(xiàn)理論最高效率提供參考。

1 模型構(gòu)建及模擬參數(shù)設(shè)置

本文采用Afors-Het軟件對(duì)TOPCon太陽(yáng)電池進(jìn)行模擬計(jì)算，首先建立太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型，得到太陽(yáng)電池的能帶圖，然后進(jìn)行太陽(yáng)電池的性能表征模擬，如電流-電壓（I-V）曲線、量子效率（quantum efficiency，QE）等。通過Afors-Het建立一維太陽(yáng)電池模型，模擬的TOPCon太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TOPCon太陽(yáng)電池中n型硅襯底、擴(kuò)散層以及n型poly-Si層通過半導(dǎo)體模型建立，SiOx層則通過界面模型建立。電池邊界模型為金半接觸；金屬功函數(shù)設(shè)定為平帶模型；金屬功函數(shù)數(shù)值在研究金屬功函數(shù)影響時(shí)被設(shè)定。電池模型建立的主要相關(guān)變量如表1所示，其中介電常數(shù)、電子親和勢(shì)、禁帶寬度、光學(xué)帶隙、電子熱速率、空穴熱速率等按Si的性質(zhì)設(shè)定，不作為變量。Afors-Het中設(shè)置自變量為SiO2層厚度、poly-Si層摻雜濃度、背面電極功函數(shù)、電子選擇性傳輸層的價(jià)帶偏移量，每次模擬只改變一個(gè)自變量［11-12］。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 SiO2層厚度對(duì)電池性能影響

在TOPCon太陽(yáng)電池中，SiO2層具有較寬的帶隙，電子以遂穿方式通過SiO2層，且阻礙空穴傳輸［13-14］。此外，通過物理和化學(xué)的方法制備SiO2鈍化層，降低硅片表面載流子復(fù)合速率，提高電池開路電壓。目前SiO2最佳厚度范圍是1～2 nm。研究模擬了SiO2厚度變化時(shí)的J-V性能，結(jié)果如圖2所示。SiO2層厚度從0.6 nm增加到1.4 nm，開路電壓提升30 mV，這表明SiO2層越厚鈍化效果越好，但當(dāng)SiO2厚度達(dá)到1.4 nm時(shí)，短路電流密度降低近70%，填充因子降低60%，這是因?yàn)镾iO2層本身導(dǎo)電性較差，且電子已無(wú)法以隧穿的方式通過較厚的SiO2層，進(jìn)而導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加，當(dāng)串聯(lián)電阻過大時(shí)也會(huì)使短路電流密度降低，J-V曲線變?yōu)橹本€。當(dāng)SiO2層厚度增加到1.4 nm時(shí)，電池的短路電流密度急劇降至13 mA/cm2。

2.2 poly-Si層摻雜濃度對(duì)電池性能影響

TOPCon太陽(yáng)電池采用n型poly-Si作為背接觸材料，理論上重?fù)诫s的n型半導(dǎo)體與n型Si接觸，其費(fèi)米能級(jí)也更接近導(dǎo)帶底，甚至進(jìn)入導(dǎo)帶，使硅襯底表面能帶向下彎曲，形成背表面場(chǎng)及背面場(chǎng)效應(yīng)鈍化［15］。poly-Si層的場(chǎng)效應(yīng)鈍化效果主要受摻雜濃度的影響。有效控制內(nèi)部缺陷密度是改善電池復(fù)合速率的重要途徑［16］。如圖3所示，當(dāng)poly-Si層的摻雜濃度為1×1016 cm-3時(shí)，開路電壓僅為640 mV，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的鈍化作用。摻雜濃度增加，能帶彎曲程度增大。當(dāng)摻雜濃度增加到1×1020 cm-3時(shí)，poly-Si層鈍化效果得到改善，理論開路電壓提升120 mV，填充因子達(dá)到86%，短路電流密度提升1 mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率從18.0%提升至26.5%。這是因?yàn)閜oly-Si層摻雜濃度增加，硅基底表面能帶越往下彎曲，形成對(duì)空穴的較高勢(shì)壘，阻礙空穴傳輸，有利于電子傳輸，電子和空穴的復(fù)合速率降低，因此提升了場(chǎng)效應(yīng)鈍化效果。

2.3 背面電極功函數(shù)對(duì)電池性能影響

模擬n型poly-Si摻雜濃度對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響時(shí)采用平帶模型，即電極功函數(shù)隨poly-Si層費(fèi)米能級(jí)一同變化。但實(shí)際上金屬電極的功函數(shù)應(yīng)是固定的，且金屬電極的不同功函數(shù)對(duì)器件性能影響較大［17-18］，因此模擬金屬電極功函數(shù)對(duì)電池的性能影響。如圖4所示，當(dāng)電極功函數(shù)從4.6 eV降到4.4 eV時(shí)，開路電壓提升70 mV。其原因是電極具有高功函數(shù)時(shí)，硅基底表面能帶向上彎曲，在一定程度上屏蔽了poly-Si層的場(chǎng)效應(yīng)鈍化效果。電極功函數(shù)降低到4.4 eV以下，對(duì)能帶彎曲已無(wú)影響，因此開路電壓不再增加。同時(shí)，短路電流密度幾乎不受電極功函數(shù)影響。綜上，電極功函數(shù)過高，會(huì)降低poly-Si層的鈍化效果［19-20］。當(dāng)背面電極功函數(shù)超過4.4 eV后，電池性能急劇下降，這是由于電極的高功函數(shù)造成硅基底表面能帶向上彎曲，能帶彎曲越大，載流子越難傳輸，導(dǎo)致接觸特性變差，進(jìn)而填充因子下降。

2.4 電子選擇性傳輸層的價(jià)帶偏移量對(duì)電池性能影響

當(dāng)n型Si和電子選擇性傳輸層之間無(wú)界面鈍化層時(shí)，電子選擇性傳輸層不同價(jià)帶偏移量（[ΔEV]）對(duì)太陽(yáng)電池性能影響不同。模擬過程中通過改變帶隙，相當(dāng)于改變價(jià)帶的位置，帶隙從1.12 eV增加到1.69 eV，相當(dāng)于價(jià)帶的位置從5.07 eV增加到5.65 eV，電子選擇性傳輸層與n型硅襯底產(chǎn)生價(jià)帶偏移量會(huì)影響空穴在界面處的復(fù)合。價(jià)帶偏移量對(duì)電池的電性能影響如圖5所示，[ΔEV]增加可提高電池的開路電壓和短路電流密度。當(dāng)[ΔEV]從0.00 eV增加到0.56 eV，開路電壓從625 mV增加到732 mV，這是由于[ΔEV]增加使得空穴在界面處傳輸更困難，起到阻止空穴傳輸而有利于電子通過的作用，在界面處載流子復(fù)合減弱，提高了開路電壓。由量子效率測(cè)試可知，增加[ΔEV]提高了長(zhǎng)波段光譜響應(yīng)，因此電池的電流密度得到提升，這是因?yàn)殡娮觽鬏攲逾g化效果提升，載流子復(fù)合降低，長(zhǎng)波段光被有效吸收。

期望電子選擇性傳輸層的效果應(yīng)有利于電子提取和阻礙空穴通過，這不僅和[ΔEV]有關(guān)，還和電子傳輸層的功函數(shù)有關(guān)。較低的功函數(shù)使得硅表面能帶向下彎曲，有利于電子傳輸，加上較大的[ΔEV]阻礙空穴通過，降低了表面復(fù)合，提高開路電壓（[Voc]）和短路電流密度（[Jsc]）。圖6模擬了[ΔEV]和功函數(shù)共同對(duì)[Voc]和[Jsc]的影響。從模擬結(jié)果可知，當(dāng)電子傳輸層的功函數(shù)高于4.4 eV，此時(shí)硅表面能帶已向上彎曲，電子傳輸勢(shì)壘增加，電子積累導(dǎo)致載流子表面復(fù)合加劇。但電子傳輸層具有較大的[ΔEV]，這意味著在表面的空穴濃度非常低，因此這種具有較高功函數(shù)和較大[ΔEV]的電子傳輸層也能起到電子選擇性傳輸作用。

在TOPCon太陽(yáng)電池背面采用重?fù)诫spoly-Si和SiO2起到了很好的鈍化效果，模擬結(jié)果表明，在無(wú)SiO2鈍化層下，增加電子選擇性傳輸層的價(jià)帶偏移量可有效提高開路電壓，但在實(shí)際中不易改變poly-Si層帶隙，因此提出雙電子選擇性傳輸層概念，即在電池模型中的poly-Si層之后增加一層電子選擇性層（如圖7所示）。模擬結(jié)果表明，這同樣能提高開路電壓，且在有鈍化層的前提下，增加一層寬帶隙層，開路電壓有2.4 mV的提升，進(jìn)一步降低了載流子復(fù)合，增強(qiáng)了鈍化效果。

3 結(jié) 論

本文通過Afors-Het軟件建立TOPCon太陽(yáng)電池模型，模擬分析了氧化硅層厚度、電子傳輸層摻雜濃度、背電極功函數(shù)和電子傳輸層帶隙等對(duì)TOPCon太陽(yáng)電池的性能影響，為其性能提升策略提供了合理參考。結(jié)果表明：

1）在TOPCon太陽(yáng)電池中，SiO2/n+ poly-Si疊層鈍化結(jié)構(gòu)起到電子選擇性傳輸層作用，降低界面載流子復(fù)合速率，從而提高了開路電壓。

2）在不考慮其他參數(shù)的情況下，隨著SiO2厚度的增加，TOPCon電池的效率先增大后減小，當(dāng)氧化層厚度為1.1 nm時(shí)，電池性能最佳。

3）當(dāng)poly-Si層為重?fù)诫s時(shí)，即摻雜濃度為1×1020 cm-3時(shí)，poly-Si層鈍化效果得到明顯改善。當(dāng)背面電極功函數(shù)超過4.4 eV后，電池性能急劇下降。

4）當(dāng)采用單層電子選擇性傳輸層而無(wú)鈍化層時(shí)，電子選擇性傳輸層的功函數(shù)或帶隙在一定范圍內(nèi)電池的開路電壓可達(dá)到732 mV，這說明單層電子選擇性傳輸層有良好的電子選擇性傳輸作用。

5）SiO2/n+ poly-Si疊層鈍化結(jié)構(gòu)已具有很好的電子選擇性傳輸性能，在n-poly-Si層與電極之間增加低功函數(shù)和寬帶隙的電子選擇性傳輸層，可進(jìn)一步提高開路電壓，表明改善電子選擇性傳輸層對(duì)于TOPCon太陽(yáng)電池效率的提升有巨大潛力。

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RESEARCH ON ELECTRON SELECTIVE CONTACT OF

TOPCon SOLAR CELLS

Ye Haoran1，He Jialong1，Chen Yang1，Su Rong2，Chen Tao1，Yu Jian1

（1. School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；

2. Tongwei Solar （Chengdu） Co.， Ltd.， Chengdu 610200， China）

Abstract：Through Afors-Het simulation software， the TOPCon solar cell model is established and the effects of tunneling through the oxide SiO2 layer thickness， n+ poly-Si layer doping concentration， back-metal electrode work function and energy band offset of the SiO2/n+ poly-Si side on the performance of TOPCon solar cells are systematically analyzed. The simulation results show that the SiO2/n+ poly-Si stacked passivation structure can achieve better electron selective transport performance. It is the best process window when the thickness of the SiO2 layer is 1.1 nm and the doping concentration of the n+ poly-Si layer is 1×1020 cm-3. It also shows the great potential of improving the electron selective transport layer for the efficiency improvement of TOPCon solar cells.

Keywords：solar cells； passivation； electronic properties； simulation platform； TOPCon