摘 要：利用Quokka2軟件對以準單晶硅片為襯底的太陽電池進行模擬仿真，研究硅片厚度對不同氧含量、體壽命的準單晶硅太陽電池轉換效率以及功率損耗的影響。與直拉單晶硅相比，準單晶硅成本較低，硅片內缺陷較多、氧含量較低。通過將準單晶硅片應用于鈍化發(fā)射極和背面電池（PERC）以及叉指背電極接觸電池（IBC），比較硅片在不同電池結構下的光伏性能。結果表明：隨著硅片厚度從150 μm降到70 μm，Shockley-Read-Hall（SRH）復合損耗也隨之降低，最高可達1.14 mW/cm2，但同時短路電流密度的下降也有0.95 mA/cm2，相互影響下電池轉換效率仍有一定的提升。薄片化準單晶硅PERC太陽電池轉換效率可達23.04%；薄片化準單晶硅IBC太陽電池轉換效率可達23.73%。

關鍵詞：太陽電池；厚度控制；數(shù)值模擬；準單晶硅；功率損耗分析

中圖分類號：TM914.4" " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

在“雙碳”目標的指引下，光伏產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展，降低電池生產(chǎn)成本、提高效益成了企業(yè)主要關注的目標。在太陽電池生產(chǎn)過程中硅片成本占電池成本的60%，因此硅片產(chǎn)業(yè)開始了薄片化的進程［1］。在減薄硅片厚度的同時使用價格較低的準單晶硅片能有效降低晶硅電池生產(chǎn)成本。準單晶硅片是通過定向凝固的方法得到的，相比較直拉單晶硅片，生產(chǎn)所需能耗更低、耗時更短，過程中引入的氧雜質較少，但同時晶界、位錯密度等較高，體壽命較低［2-4］。為明晰硅片厚度、品質對太陽電池光伏性能的影響，國內外學者進行了大量研究。

張巍等［5］研究硅片厚度對使用體壽命較大的N型硅片為襯底的叉指背電極接觸電池（interdigitated back contact， IBC）光伏性能的影響，結果表明對于厚度更薄、體壽命更高的襯底，必須發(fā)展更好的光捕獲技術來抵消短路電流密度下降帶來的影響；呂鐿等［6］通過實驗和理論兩個方面研究準單晶硅片在主流鈍化發(fā)射極和背面電池（passivated emitter and rear cell， PERC）中的應用，通過改變后表面結構和加入選擇性發(fā)射極（selective emitter， SE）技術，提高了電池對長波光的吸收，同時降低了發(fā)射極飽和電流；Sai等［7］從光學和電學角度研究硅片厚度對異質結太陽電池光伏性能的影響，通過在硅片背部加入介電抗反射涂層和后反射金字塔結構，能有效緩解硅片減薄帶來的短路電流密度下降；劉成法等［8］將最初為直拉單晶硅片開發(fā)的隧穿氧化層鈍化接觸技術（tunnel oxide passivating contacts， TOPCon）應用在準單晶硅片上，結果表明該工藝可直接應用于鑄造的準單晶硅片，且在正面和背面都具有良好的鈍化效果。

盡管前人圍繞晶硅太陽電池厚度對光學性能、電學性能的影響進行了廣泛研究，但對于使用低成本準單晶硅片的太陽電池在薄片化趨勢下的應用前景研究較少。本文通過研究使用體壽命較低、氧含量較低的準單晶硅片對PERC、IBC電池轉換效率、開路電壓、短路電流密度以及功率損耗的影響，進而分析厚度減薄的準單晶硅片在新型電池結構下能否適用。

1 模型及參數(shù)設定

1.1 物理模型

本文使用Quokka2軟件建立太陽電池的單元模型并對其進行三維模擬，同時通過數(shù)值方法求解帶電載流子輸運問題。該軟件對太陽電池的數(shù)值模擬研究已被大量文獻報道［9-11］。本文模擬以工業(yè)水平的準單晶硅片為襯底的PERC、IBC太陽電池。其二維模型如圖1所示，兩種電池均采用p型襯底，且IBC電池發(fā)射極、基區(qū)鈍化性能與PERC電池一致，以便比較電池結構對轉換效率方面的影響。硅片厚度根據(jù)當下工業(yè)中使用的以及未來發(fā)展方向在70～150 μm內取值。不同厚度下電池的襯底光電流密度通過OPAL2［12］求解得出，分別為41.90、41.77、41.61、41.30、40.92 mA/cm2。表1給出了PERC、IBC太陽電池模擬所采用的輸入?yún)?shù)值。輸入?yún)?shù)如前單元寬度、背單元寬度、飽和電流密度、硅片電阻率、結深等是根據(jù)研究文章中發(fā)表的數(shù)值選擇的［6，13-14］。硅片體壽命在50～600 μs范圍內代表不同缺陷含量的準單晶硅片，氧含量在1×1016～30×1016 atom/cm3范圍內取值代表不同程度氧污染的準單晶硅片。

1.2 數(shù)值模型

載流子傳輸模型可描述太陽電池中帶電載流子的輸運，電子和空穴的準費米勢[φFn]和[φFp]分別由式（1）、式（2）給出［15］。

[▽·（σn▽φFn）=q（G-R）] （1）

[▽·（σp▽φFp）=-q（G-R）] （2）

式中：[σn]——電子電導率，S/cm；[q]——基本電荷量，C；[G]——產(chǎn)生率，cm-3·s-1；[R]——復合率，cm-3·s-1；[σp]——空穴電導率，S/cm。

載流子根據(jù)復合發(fā)生的位置可分為表面復合和體內復合［16］。文中所使用的體內復合模型中主要考慮了輻射、俄歇和Shockley-Read-Hall（SRH）復合對載流子體壽命的影響，在晶硅電池中SRH復合所占比重最大，由式（3）給出。

[RSRH=np-n2i，effτp0（n1+n）+τn0（p1+p）] （3）

式中：[n]——電子濃度，cm-3；[p]——空穴濃度，cm-3；[ni，eff]——有效本征載流子濃度，cm-3；[τp0]——空穴壽命，s；[τn0]——電子壽命，s。

表面復合包含金屬接觸面和非接觸面復合，界面處或進入界面的復合電流由[J01/J02]模型給出。

[Jrec，J0=J01npn2i，eff-1+J02npn2i，eff-1] （4）

式中：[J01]——二極管D1飽和電流密度，mA/cm2；[J02]——二極管D2飽和電流密度，mA/cm2。

在p型材料中求解硼-氧復合對載流子的影響可通過式（5）、式（6）［17］表示：

[τn0，BO=4.02024×1045N-0.824AN-1.748t，0m] （5）

[τp0，BO=10τn0，BO] （6）

式中：[NA]——襯底摻雜濃度，cm-3；[Nt，0]——氧濃度，atom/cm3；[m]——相關系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 硅片厚度、品質對PERC電池影響

本部分討論硅片厚度、品質對PERC太陽電池光伏性能的影響。硅片厚度按照目前工業(yè)生產(chǎn)中使用的以及未來發(fā)展方向，分別選取150、130、110、90、70 μm。硅片品質主要考慮體少子壽命以及氧含量。對于晶體硅太陽電池，少子壽命是決定其性能的重要參數(shù)［18］。按照實際的工業(yè)生產(chǎn)準單晶硅片參數(shù)選取體壽命為50、100、150、300、600 μs，氧含量為1×1016、5×1016、10×1016、20×1016和30×1016 atom/cm3。厚度、體壽命對PERC電池轉換效率、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）的影響如圖2所示。

從圖2中可看出在相同厚度下，電池轉換效率隨硅片體壽命的增加而增大。對于體壽命較大的襯底（300、600 μs），轉換效率隨硅片的厚度減小而降低；體壽命較小的襯底（50、100、150 μs），轉換效率在硅片厚度為110 μm處達到最大值。這種現(xiàn)象的原因主要可通過開路電壓[Voc]、短路電流密度Jsc的變化來解釋。其中Voc的變化可由一個理想二極管模型來解釋［19］：

[Voc=kT/qlnnNA/n2i] （7）

式中：[k]——玻爾茲曼常數(shù)，J/K；[ni]——本征載流子濃度，cm-3。

對于體壽命較高的硅片，Voc隨厚度的變化較小，當襯底體壽命較低時，Voc隨厚度的變化明顯。主要是體壽命較小的P型襯底內存在著更多的缺陷中心，少子在輸運過程中更易被俘獲，造成器件內部產(chǎn)生的電子在輸運過程中復合。因此對于較厚的襯底很少有電子可到達正面發(fā)射極，這導致Voc值較低。隨著硅片厚度的降低，[Jsc]從40.96 mA/cm2降低到40.01 mA/cm2，短路電流密度的下降可通過式（8）、式（9）來解釋［20］。

[Jsc=Jsc，int-ΔJopt-ΔJrec] （8）

[ΔJopt=Jsc，int-qhcλI（λ）fAbs（λ）dλ] （9）

式中：[Jsc]——短路電流密度，mA/cm2；[Jsc，int]——固有短路電流密度，mA/cm2；[ΔJopt]——光學損耗，mA/cm2；[ΔJrec]——復合損耗，mA/cm2；[h]——普朗克常數(shù)，J·s；[c]——光速，m/s；[λ]——波長，μm。

較厚的硅片有利于吸收更多不同波長的光子，在相同面積下產(chǎn)生更大的光電流。而硅片減薄對其吸收長波光線的能力有所減弱，導致短路電流密度的下降。準單晶硅片相較與直拉單晶硅片，內部缺陷較多，體少子壽命較低。但在硅片減薄的進程下，因內部缺陷對電池轉換效率的影響在降低，體少子壽命較低的硅片在硅片減薄后開路電壓提升明顯，轉換效率的損失減小，因此薄片化能推進準單晶硅片在太陽電池中的應用。圖3是硅片體壽命為150 μs時，厚度-氧含量對電池轉換效率、短路電流密度和開路電壓的影響圖。

對于P型硅片，硼-氧復合（B-O）也是導致電池轉換效率下降的一大原因。硼摻雜的PERC電池因B-O缺陷而具有光致衰減現(xiàn)象［21］。

從圖3中可看出氧含量對PERC電池轉換效率有較大影響，根據(jù)硅片厚度的不同，為0.2％～0.3％。氧含量對電池轉換效率的影響主要通過[Voc]的變化。為控制P型硅片的電阻率一般通過摻入含量為1×1016～10×1016 atom/cm3的硼雜質，當硅片內氧含量增加時更易與硼雜質接觸形成B-O復合體，缺陷濃度隨之增加［22］。B-O復合體在生成后作為缺陷中心會俘獲少子，降低了少子在輸運的過程中被收集的概率進而降低電池的[Voc]。同時硅片厚度越厚，氧含量對[Voc]影響越大，在150 μm厚度下為5.72 mV，在70 μm下為3.42 mV。準單晶硅片相較與直拉單晶硅片，生產(chǎn)過程中引入的氧雜質含量較少，與硼結合形成的B-O復合體也較少，有助于降低光致衰減對太陽電池轉換效率的影響。

2.2 硅片厚度、品質對IBC電池影響

本節(jié)討論硅片厚度、品質對IBC太陽電池轉換效率的影響。硅片厚度、體少子壽命和氧含量的取值與上一部分相同。IBC與PERC太陽電池不同的是其發(fā)射極和基區(qū)均在背面，這導致硅襯底中的光生載流子從產(chǎn)生、擴散到被電場分離和收集的過程增加了橫向輸運，同時由發(fā)射極和基區(qū)組成的單元電池為對稱結構。因此研究了單元電池半寬對光伏性能的影響。圖4是單元電池半寬對IBC電池光伏性能和載流子傳輸路徑的影響。

從圖4a中可看出在電池厚度相同時，單元電池寬度越窄，轉換效率越高。在電池寬度一定時，隨著電池厚度的增加轉換效率的降低愈發(fā)顯著。主要原因與IBC電池發(fā)射極、基區(qū)均在背面有關。由于光的吸收特性，大部分的能量在前表面附近被吸收，同時激發(fā)出載流子，IBC電池前表面產(chǎn)生的載流子需要穿過襯底遠距離擴散到背面電極，因此對于體壽命較低的準單晶硅電池，減少載流子所需輸運距離尤為重要。圖4c是110 μm厚度下電池單元半寬分別為100、500 μm時電子電流的傳輸路徑圖。從圖4c中可看出當單元寬度增加時，載流子的輸運距離明顯增大。降低電池單元寬度，能有效提高準單晶硅IBC太陽電池的轉換效率。結合圖4b、圖4c可看出隨著單元電池寬度的增加，短路電流密度也隨

之減少，以110 μm厚度的電池為例，短路電流密度從40.41 mA/cm2降低到38.27 mA/cm2。主要原因是隨著單元電池寬度的增加，載流子在硅片內輸運的過程中需要走過的路程增加，損耗也隨之增大進而降低了電池的短路電流密度。

圖5是IBC電池厚度-體壽命、厚度-氧含量的影響圖。對比圖2、圖5可看出相較于PERC電池，IBC電池對硅片體壽命要求更高，同時在體壽命相同的情況下硅片厚度對電池轉換效率的影響也更大。當硅片厚度在150 μm時，使用體壽命大于300 μs的硅片IBC電池轉換效率才高于PERC電池。而當硅片厚度在70 μm時，使用體壽命大于100 μs的硅片時IBC電池轉換效率就更高。因此針對不同厚度、體壽命的硅片可靈活選擇電池類型來進行工業(yè)生產(chǎn)。對比圖3、圖5可看出IBC電池對氧含量的敏感性也更高，根據(jù)硅片厚度的不同對轉換效率的影響在0.5％～1.1％之間，準單晶硅片的低含氧量對減少IBC電池光衰方面的影響幫助很大。IBC電池厚度降低對轉換效率的提升更加明顯。在體壽命為150 μs時硅片厚度從150 μm降到70 μm后轉換效率提高了0.61％，而PERC電池為0.22％。厚度減薄能有效提高IBC電池轉換效率，有助于提高準單晶硅片在IBC電池中的應用。

2.3 PERC、IBC電池損耗分析

本節(jié)討論基于準單晶硅片的PERC、IBC太陽電池的功率損耗，進一步分析影響電池轉換效率的機理。使用自由能損失分析（free energy loss analysis， FELA）［23］能以通用功率損耗單位mW/cm2來直觀地比較電阻損耗和復合損耗對轉換效率的影響。

圖6是硅片體壽命在150 μs下，PERC、IBC電池隨厚度變化的損耗圖，對比圖6中PERC與IBC的整體損耗可看出準單晶硅PERC電池的最大功率損失為1.5 mW/cm2，而IBC電池功率損耗則在2.6～3.7 mW/cm2之間。表明PERC電池的設計及工藝已經(jīng)相對完善，轉換效率的理論值與實際已經(jīng)相差不大，繼續(xù)提升較困難。而IBC電池實際與理論轉換效率仍有較大差距，仍有較大的提升空間。同時硅片厚度的變化對PERC電池功率損耗影響不大，均在1.46～1.51 mW/cm2內，主要原因是隨著硅片的減薄，載流子因為襯底中的缺陷造成的SRH復合功率損耗降低，但同時在硅片減薄后，載流子更易與前表面接觸進而造成發(fā)射極復合功率損耗的增加。因此在硅片薄片化的進程下，提高前表面的鈍化水平，降低前表面的復合變得更加重要［24］。準單晶硅IBC太陽電池損耗主要集中在電子電阻損耗和SRH損耗，隨著硅片的減薄載流子被收集所需的距離減少，SRH損耗從1.72 mW/cm2降到0.78 mW/cm2，同時IBC電池全背接觸的結構導致電子電阻損耗較高，硅片減薄后對該部分的損耗也有明顯的降低［25］。在薄片化下，IBC電池復合、電阻損耗的降低直觀反映到轉換效率的提升上。這也是IBC電池隨厚度降低，理論轉換效率降低而實際效率卻隨之提高的原因。

圖7是硅片厚度在110 μm下，PERC、IBC電池隨硅片體壽命變化的損耗圖?？煽闯鲭S著體壽命的增加，PERC、IBC電池的SRH復合損耗明顯降低，但同時PERC電池也因為有更多的載流子在前表面發(fā)生復合，未將這一部分減少的SRH損耗轉換為有效的功率提升。表明在使用體壽命較高的硅片后對硅片前表面鈍化提出了更高的要求。硅片體壽命增加對IBC電池理論轉換效率的提升不大，但能有效降低電池SRH復合損耗以及電子電阻損耗。因此提高硅片體壽命有效提高了IBC電池的實際轉換效率。對比PERC、IBC電池損耗可看出IBC電池的功率損耗對硅片體壽命更加敏感，體壽命較低時復合損耗能達到2.4 mW/cm2，遠大于PERC電池的0.7 mW/cm2。

圖8是厚度為110 μm、體壽命150 μs下，PERC、IBC電池隨硅片氧含量變化的損耗圖。從圖8中可看出氧含量的增加對PERC電池損耗的影響集中在SRH復合以及前表面復合中。氧與硼結合形成的B-O復合體也是一種缺陷中心，會俘獲輸運中的少數(shù)載流子，加劇了電池內部的SRH復合，進而影響電池的轉換效率。隨著氧含量的變化PERC的SRH損耗從0.44 mW/cm2提高到0.59 mW/cm2，而IBC的SRH損耗從1.13 mW/cm2提高到1.68 mW/cm2，可見IBC電池對硅片氧含量也更加敏感。

3 結 論

本文以薄片化為切入點對準單晶硅太陽電池在PERC、IBC結構下分別進行模擬研究，得出以下主要結論：

1）對于內部缺陷較多的準單晶硅片，薄片化能有效通過降低載流子從生成到被收集所需的輸運距離來減少SRH復合損耗，從150 μm減薄到70 μm后IBC電池SRH復合損耗可降低1.14 mW/cm2，PERC電池為0.2 mW/cm2。同時短路電流密度從40.96 mA/cm2降到40.01 mA/cm2。隨著硅片厚度減薄，復合損耗的降低對IBC電池轉換效率的影響大于短路電流密度的下降，因此在70 μm時轉換效率最高為23.02%，而對于PERC電池，復合損耗下降帶來的轉換效率提升相比短路電流密度下降帶來的效率損失無明顯優(yōu)勢，在110 μm時轉換效率最高為22.69%。

2）使用低體壽命準單晶硅片（50、100、150 μs）的IBC電池功率損耗分別為4.54、3.55、3.18 mW/cm2。而使用低體壽命準單晶硅片（50、100、150 μs）的PERC電池功率損耗分別為1.50、1.49、1.49 mW/cm2。因此IBC電池對準單晶硅片體壽命要求更高，對于110 μm厚度的硅片體壽命至少要大于150 μs時，電池結構改進帶來的功率提升才能超過高損耗帶來的影響。在600 μs體壽命下，準單晶硅太陽電池在PERC結構下轉換效率最高可達23.04%，在IBC結構下可達23.73%。

3）硅片氧含量對電池功率影響也較大。相較于直拉單晶硅，準單晶硅片的低氧含量在PERC電池上可帶來的功率提升在0.3～0.4 mW/cm2，在IBC電池上為0.5～1.1 mW/cm2，可見IBC電池對硅片氧含量也更加敏感，準單晶硅片的低含氧量有利于在IBC電池上應用。

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STUDY ON PHOTOVOLTAIC PERFORMANCE OF QUASI-SINGLE CRYSTALLINE SILICON CELLS UNDER THINNING

Ma Shaobo1，Li Jin2，Qu Li2， Ma Run2， Wang Zhongliang1

（1. School of Mathematics and Statistics， Ningxia University， Yinchuan 750021， China；

2. School of Materials and New Energy， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract：Quokka2 software was used to simulate solar cells with quasi-single crystalline silicon as substrate， and the effect of silicon thickness on the conversion efficiency and power loss of quasi-single crystalline silicon solar cells with different oxygen content and bulk lifetime was studied. Compared with Czochralski monocrystalline silicon， quasi-single crystalline silicon has lower cost， more defects and lower oxygen content. By applying quasi-single crystalline silicon to passivated emitter and back contact cells （PERC） and interdigitated-back contact cells （IBC）， the photovoltaic performance of quasi-single crystalline silicon wafers in different cell structures was compared. The results show that the Shockley-Read Hall （SRH） composite loss also decreases up to 1.14 mW/cm2 with the thickness of the silicon wafer dropping from 150 μm to 70 μm， but the short circuit current decreases by 0.95 mA/cm2 at the same time， and the cell conversion efficiency is still improved to some extent under the mutual influence. Under thinning， the conversion efficiency of quasi-single crystalline PERC solar cell can reach 23.04%. The conversion efficiency of quasi-single crystalline IBC solar cell can reach 23.73%.

Keywords：solar cells； thickness control； numerical simulation； quasi-single crystalline silicon； power loss analysis