周 濤，陸曉東，吳元慶，李 媛

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背表面場結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙面太陽電池電流特性的影響

周 濤，陸曉東，吳元慶，李 媛

（渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

針對正面光照、背面光照及雙面光照三種不同光照條件，利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件全面系統(tǒng)地分析了背表面場結(jié)構(gòu)參數(shù)對P型雙面單晶硅太陽電池內(nèi)量子效率(IQE)和短路電流密度(SC)的影響。仿真結(jié)果表明：在300~700 nm短波段范圍，雙面光照情況下的IQE主要由BSF結(jié)構(gòu)對背面光照光生載流子的影響決定。在700~1200 nm長波段范圍，雙面光照情況下的IQE主要由BSF結(jié)構(gòu)對正面光照光生載流子的影響決定。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度一定時，隨著BSF表面濃度的增大，雙面光照情況下SC的變化特點(diǎn)與背面光照情況一致。BSF結(jié)構(gòu)的變化對正面光照情況下SC的影響較小（DSC=0.26×10–3A/cm2），而BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對背面光照情況下SC的影響較大（DSC=10.59×10–3A/cm2），BSF結(jié)構(gòu)對背面光照光生載流子的影響是導(dǎo)致雙面光照SC出現(xiàn)大幅變化的主要因素。

雙面太陽電池；背表面場；表面濃度；擴(kuò)散深度；內(nèi)量子效率；短路電流密度

提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率是長期以來人們一直努力解決的問題[1-2]。目前，可進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)的高效晶硅太陽電池主要包括：日本三洋公司研制的帶本征薄層異質(zhì)結(jié)（Heterro-Junction with Intrinsic Thin-Layer，HIT）太陽電池、美國Sunpower公司研制的插指背結(jié)背接觸（Interdigitated Back Contact，IBC）太陽電池以及荷蘭能源研究中心研制的雙面太陽電池[1]。其中，雙面太陽電池相比于另外兩種高效太陽電池可以更好地折中低成本與高效率之間的矛盾[3-5]。雙面太陽電池具有雙面發(fā)電設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)簡單且與常規(guī)產(chǎn)業(yè)化P型太陽電池的制備工藝完全兼容的特點(diǎn)。

背表面場（Back Surface Field，BSF）是用于改善太陽電池輸出特性的一種常見的電學(xué)增效結(jié)構(gòu)。BSF在電池背面所形成的高低結(jié)結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生光生少子勢壘，對光生少子具有一定的反射作用，從而降低了光生少子在電池背表面的復(fù)合損耗，提高了光生少子的收集效率[6]。BSF的制備方法主要包括熱擴(kuò)散法（電池厚度小于150 μm）和絲網(wǎng)印刷法（電池厚度大于150 μm）[7]。與常規(guī)單面太陽電池BSF結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)不同，對于雙面太陽電池，需兼顧BSF對電池正面輸出特性（正面光照）和背面輸出特性（背面光照）的影響。因此，從理論上深入研究并優(yōu)化雙面電池BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)，對雙面電池效率的提高具有重要意義。截至目前，關(guān)于太陽電池BSF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化的文獻(xiàn)報道大都針對于常規(guī)單面光照太陽電池，針對于雙面太陽電池BSF結(jié)構(gòu)的研究尚報道較少[6,8-10]?；诖耍疚睦肨CAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對P型雙面單晶硅太陽電池的電學(xué)性能和BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真研究。由于量子效率是影響太陽電池短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵內(nèi)在因素，因此，本文針對正面（發(fā)射區(qū)一側(cè)）光照、背面（BSF一側(cè)）光照及雙面光照三種不同情況，詳細(xì)地分析了BSF表面濃度和擴(kuò)散深度對雙面電池內(nèi)量子效率和短路電流密度的影響。從提高電池內(nèi)量子效率和短路電流密度角度，對BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文仿真結(jié)果可為雙面太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備提供有意義的參考信息。

1 雙面太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算模型的選擇

P型雙面單晶硅太陽電池二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為[2, 8, 11-14]：單元電池（上、下表面相鄰電極中點(diǎn)間的距離）尺寸為1000 μm；雙面電池上、下表面采用Si3N4減反射膜，厚度均為75 nm。BSF（P）表面濃度和擴(kuò)散深度為變量，表面濃度變化范圍為6×1018~5×1019cm–3，擴(kuò)散深度變化范圍為0.2~1.4 μm，BSF雜質(zhì)分布為高斯分布。雙面電池上、下表面非金屬接觸區(qū)域復(fù)合速率為1×103cm/s，金屬接觸區(qū)域復(fù)合速率為1×107cm/s；P型單晶硅片厚度為170 μm，摻雜濃度為1.36×1016cm–3，少子壽命為20 μs（與實(shí)際用于太陽電池制造的單晶硅片質(zhì)量相接近）。發(fā)射區(qū)（N）表面濃度為2×1019cm–3，發(fā)射結(jié)結(jié)深為0.4 μm。上、下柵電極半寬度均為50 μm；假設(shè)上、下柵電極與電池為理想的歐姆接觸。

在仿真計(jì)算過程中，對泊松方程、載流子連續(xù)方程及載流子輸運(yùn)方程利用完全耦合的方法進(jìn)行求解。泊松方程和載流子連續(xù)性方程為器件特性的仿真提供了大體框架，但還需要更具體的方程來描述其他一些重要的物理模型。載流子復(fù)合率和遷移率是影響載流子輸運(yùn)的兩個重要參數(shù)，其模型選擇對仿真結(jié)果影響較大。遷移率模型考慮了與溫度、摻雜濃度相關(guān)的遷移率模型和與平行（橫向）電場相關(guān)的遷移率模型[15-16]。默認(rèn)器件工作溫度為300 K。復(fù)合模型考慮了與摻雜濃度相關(guān)的SRH復(fù)合和俄歇復(fù)合[17-19]。模擬測試條件為: 25℃，AM1.5G光譜，入射光垂直電池上、下表面入射，光強(qiáng)為1000 W/m2。

圖1 雙面單晶硅太陽電池單元結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 正面光照情況

圖2(a)~(b)為仿真得到的在正面光照情況下，BSF結(jié)構(gòu)對電池內(nèi)量子效率(Internal Quantum Efficiency，IQE)的影響。由圖2可見：當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較淺（BSF=0.2 μm）時，在300~480 nm短波段范圍內(nèi)，IQE幾乎不受BSF表面濃度影響。而在480~1200 nm波段范圍內(nèi)，隨著BSF表面濃度的增大，IQE隨之增大。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深（BSF=1.0 μm）時，BSF表面濃度的變化對IQE的影響較小，僅在長波段（＞800 nm）范圍，BSF表面濃度的變化對IQE有一定影響。隨著BSF表面濃度的增大，IQE呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)。

IQE呈現(xiàn)上述變化特點(diǎn)的原因?yàn)椋河捎?00~480 nm短波段入射光在電池內(nèi)部的吸收深度較淺，在正面光照情況下，該波段入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子在輸運(yùn)、收集的過程中，主要受到重?fù)诫s發(fā)射區(qū)俄歇復(fù)合損耗和體內(nèi)缺陷引發(fā)的Shockley-Read-Hall復(fù)合損耗的影響。因此，該短波段IQE受BSF結(jié)構(gòu)的影響較小。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較淺時，BSF對長波段入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子的復(fù)合損耗影響較小，而由BSF形成的P~P+高低結(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了光生電子勢壘，提高了基區(qū)內(nèi)部光生少子電子的收集效率。電子勢壘越高，越有利于光生電子的收集，電子勢壘高度隨著BSF表面濃度的增大而增大[6]，因此，對于淺擴(kuò)散的BSF結(jié)構(gòu)，隨著BSF表面濃度的增大，IQE隨之增大。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深，且表面濃度較低（BSF≤1×1019cm–3）時，隨著BSF表面濃度的增大，P~P+高低結(jié)所產(chǎn)生的電子勢壘是影響IQE的主要因素。隨著BSF表面濃度的增大，電子勢壘提高，IQE隨之增大。當(dāng)BSF表面濃度較高（BSF＞1×1019cm–3）時，重?fù)诫sBSF對光生載流子的復(fù)合損耗是影響IQE的主要因素。隨著BSF表面濃度的增大，BSF對光生載流子的復(fù)合損耗加劇，IQE隨之降低。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深時，BSF P~P+高低結(jié)對光生電子收集效率的提高在一定程度上補(bǔ)償了由BSF重?fù)诫s導(dǎo)致的光生載流子復(fù)合損耗的增加，從而使得BSF表面濃度的變化對IQE的影響較小。

圖2(c)為仿真得到的BSF表面濃度和擴(kuò)散深度對正面光照太陽電池短路電流密度(SC)的影響。由圖2(c)可見：當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較淺（BSF=0.2~0.6 μm）時，隨著BSF表面濃度的增大，SC隨之增大。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深（BSF=0.8~1.4 μm）時，隨著BSF表面濃度的增大，SC呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)，隨著BSF擴(kuò)散深度的增大，最大電流密度SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度降低。當(dāng)BSF=0.8 μm時，SC(MAX)對應(yīng)的BSF表面濃度為2×1019cm–3；當(dāng)BSF=1.0 μm時，SC(MAX)對應(yīng)的BSF表面濃度為1×1019cm–3；當(dāng)BSF=1.4 μm時，SC(MAX)對應(yīng)的BSF表面濃度為9×1018cm–3。原因?yàn)椋寒?dāng)BSF擴(kuò)散深度較淺時，其對光生載流子復(fù)合損耗的影響較小。而隨著BSF表面濃度的增大，P~P+高低結(jié)所形成的電子勢壘對基區(qū)光生少子電子的反射作用增強(qiáng)，從而提高了電池SC。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深時，隨著BSF表面濃度的增大，其對光生載流子復(fù)合損耗的影響逐漸加劇，當(dāng)其成為影響SC的主要因素時，電池SC開始下降。綜合考慮BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)對光生載流子的影響，當(dāng)BSF表面濃度為5×1019cm–3且擴(kuò)散深度為0.2 μm時，正面光照太陽電池SC最大，SC(MAX)為41.45×10–3A/cm2。

2.2 背面光照情況

圖3(a)~(b)為仿真得到的在背面光照情況下，BSF結(jié)構(gòu)對IQE的影響。由圖3可見：當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較淺（BSF=0.2 μm）且BSF表面濃度BSF≤3×1019cm–3時，隨著BSF表面濃度的增大，IQE隨之增大。當(dāng)BSF表面濃度BSF＞3×1019cm–3時，在300~450 nm短波段范圍內(nèi)，隨著BSF表面濃度的增大，IQE隨之顯著降低。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深（BSF=1.0 μm）時，在300~800 nm波段范圍，隨著BSF表面濃度的增大，IQE隨之顯著降低。

IQE呈現(xiàn)上述變化特點(diǎn)的原因?yàn)椋涸诒趁婀庹涨闆r下，當(dāng)BSF擴(kuò)散深度BSF=0.2 μm，且摻雜濃度BSF≤3×1019cm–3時，BSF對背面入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子的復(fù)合損耗影響較小。同時，隨著BSF表面濃度的增大，P~P+高低結(jié)所產(chǎn)生的電子勢壘高度隨之增大，對光生少子電子的反射作用增強(qiáng)，因此，隨著BSF表面濃度的增大，IQE隨之增大。對于BSF表面濃度較高（BSF＞3×1019cm–3）的情況，當(dāng)BSF擴(kuò)散深度BSF=0.2 μm，對于300~450 nm的短波段入射光，其吸收深度處于BSF擴(kuò)散深度范圍內(nèi)，隨著BSF表面濃度的增大，BSF對該波段入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子復(fù)合損耗的影響較顯著，導(dǎo)致該波段IQE隨著BSF表面濃度的增大顯著降低。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度較深（BSF=1.0 μm）時，對于300~800 nm波段范圍的入射光，其吸收深度處于BSF擴(kuò)散深度范圍內(nèi)，隨著BSF表面濃度的增大，BSF對該波段入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子復(fù)合損耗的影響較顯著，導(dǎo)致該波段IQE隨著BSF表面濃度的增大顯著降低。

圖3(c)為仿真得到的BSF表面濃度和擴(kuò)散深度對背面光照太陽電池SC的影響。由圖3(c)可見：當(dāng)BSF擴(kuò)散深度BSF=0.2 μm時，隨著BSF表面濃度的增大，SC隨之增大。SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度為5×1019cm–3，SC(MAX)為39.41×10–3A/cm2。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度BSF=0.4~1.0 μm時，隨著BSF表面濃度的增大，SC呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)。隨著BSF擴(kuò)散深度的增大，SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度降低，同時SC(MAX)減小。當(dāng)BSF=0.4 μm時，SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度為2×1019cm–3，SC(MAX)為39.03×10–3A/cm2。當(dāng)BSF=0.6 μm時，SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度為1×1019cm–3，SC(MAX)為38.8×10–3A/cm2。當(dāng)BSF=0.8 μm時，SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度為1×1019cm–3，SC(MAX)為38.82×10–3A/cm2。當(dāng)BSF=1.0 μm時，SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度為8×1018cm–3，SC(MAX)為38.79×10–3A/cm2。當(dāng)BSF擴(kuò)散深度BSF=1.2~1.4 μm時，隨著BSF表面濃度的增大，SC隨之減小。當(dāng)BSF=1.2 μm時，最大短路電流密度為38.7×10–3A/cm2，當(dāng)BSF=1.4 μm時，最大短路電流密度為38.65×10–3A/cm2。原因分析與2.1部分類似。綜合考慮BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)對光生載流子的影響，當(dāng)BSF表面濃度為5×1019cm–3且擴(kuò)散深度為0.2 μm時，背面光照太陽電池SC最大，SC(MAX)為39.41×10–3A/cm2。

2.3 雙面光照情況

圖4(a)~(b)為仿真得到的在雙面光照情況下，BSF結(jié)構(gòu)對IQE的影響?？梢姡弘p面光照情況下的IQE是正、背面光照情況下IQE的綜合反映。在300~700 nm短波段范圍內(nèi)，雙面光照情況下IQE曲線與背面光照情況下短波段IQE曲線的變化特點(diǎn)相類似，表明對于雙面光照太陽電池，在短波段范圍內(nèi)，IQE主要由BSF結(jié)構(gòu)對背面入射光激發(fā)的光生載流子的影響決定。在700~1200 nm長波段范圍內(nèi)，雙面光照情況下IQE曲線與正面光照情況下長波段IQE曲線的變化特點(diǎn)類似，表明對于雙面光照太陽電池，在長波段范圍內(nèi)，IQE主要由BSF結(jié)構(gòu)對正面入射光激發(fā)的光生載流子的影響決定。

圖4(c)為仿真得到的BSF表面濃度和擴(kuò)散深度對雙面光照太陽電池SC的影響。由圖4(c)可見：當(dāng)BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，雙面光照情況下短路電流密度為正、背面光照情況下的短路電流密度之和。并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)BSF擴(kuò)散深度一定時，隨著BSF表面濃度的增大，SC的變化特點(diǎn)與僅存在背面光照情況相一致，隨著BSF擴(kuò)散深度的增大，SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度降低，最大電流密度SC(MAX)所對應(yīng)的BSF表面濃度與僅存在背表面光照情況相同。當(dāng)BSF表面濃度為5×1019cm–3，擴(kuò)散深度為0.2 μm時，雙面太陽電池SC最大。通過對比正面光照情況和背面光照情況下的SC曲線，可以發(fā)現(xiàn)BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對正面光照情況下SC的影響較小，正面光照情況下SC的變化范圍為41.19×10–3~ 41.45×10–3A/cm2，而BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對背面光照情況下SC的影響較大，背面光照情況下SC的變化范圍為28.81×10–3~39.4×10–3A/cm2，其與雙面光照情況下SC的變化范圍一致，表明BSF結(jié)構(gòu)對背面入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子的影響是導(dǎo)致雙面光照太陽電池短路電流密度出現(xiàn)大幅變化的主要因素。

3 結(jié)論

對雙面光照太陽電池BSF結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要兼顧其對正、背面光照情況下電池電學(xué)性能的影響。利用TCAD仿真軟件，對比分析了三種不同光照條件下電池內(nèi)量子效率和短路電流密度的變化特點(diǎn)，制備淺擴(kuò)散深度、高表面濃度的背表面場結(jié)構(gòu)有利于提高雙面太陽電池的短路電流密度，從而提高雙面太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。在300~700 nm短波段范圍內(nèi)，雙面光照太陽電池IQE主要由BSF結(jié)構(gòu)對背面入射光激發(fā)的光生載流子的影響決定。在700~1200 nm長波段范圍內(nèi)，雙面光照太陽電池IQE主要由BSF結(jié)構(gòu)對正面入射光激發(fā)的光生載流子的影響決定。BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對正面光照情況下SC的影響較小，而BSF結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對背面光照情況下SC的影響較大，其與雙面光照情況下SC的變化范圍一致，表明BSF結(jié)構(gòu)對背面入射光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子的影響是導(dǎo)致雙面光照太陽電池短路電流密度出現(xiàn)大幅變化的主要因素。

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（編輯：陳豐）

Influences on bifacial solar cells current property by back surface field structural parameters

ZHOU Tao, LU Xiaodong,WU Yuanqing, LI Yuan

(School of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, Liaoning Province, China)

The influences of back surface field structural parameters on P-type bifacial monocrystalline silicon solar cell’s internal quantum efficiency (IQE) and short-circuit current density (SC) were studied comprehensively and systematically by using TCAD semiconductor device simulation software under three different illumination conditions of front illumination, rear illumination and double illumination. The simulation results show that the internal quantum efficiency under double illumination conditions is mainly determined by the influences of back surface field structure on the photo-carrier produced by rear illumination excitation in the short wave range of 300－700 nm. The internal quantum efficiency under double illumination conditions is mainly determined by the influences of back surface field structure on the photo-carrier produced by front illumination excitation in the long wave range of 700－1200 nm. When the value of diffusion depth of BSF is fixed, the characteristic of change of the short-circuit current density under double illumination conditions is consistent with that under the rear illumination with the increase of BSF surface concentration. The change of back surface field structure has less effect on the short-circuit current density under front illumination (DSC= 0.26×10–3A/cm2), and the change of back surface field structure has greater effect on the short-circuit current density under rear illumination (DSC=10.59×10–3A/cm2). The influence of back surface field structure on the photo-carrier produced by rear illumination excitation is the main influential factor of the serious fluctuation in the short-circuit current density.

bifacial solar cell; back surface field; surface concentration; diffusion depth; internal quantum efficiency; short-circuit current density

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.016

TM914.4

A

1001-2028（2017）12-0089-06

2017-10-16

周濤

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 11304020）

周濤（1983－），男，遼寧葫蘆島人，講師，主要從事半導(dǎo)體光電器件及大功率半導(dǎo)體器件相關(guān)技術(shù)研究，E-mail: bhuzhoutao@163.com 。

2017-11-30 14:13

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