馬菁菁， 盧正正， 張 帥， 呂文輝

(湖州師范學(xué)院 理學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

0 引 言

商品化晶硅太陽(yáng)能電池主要以p型晶體硅為原料，通過(guò)制絨、擴(kuò)散、刻蝕去邊、鍍氮化硅減反射膜層、印刷正銀柵線、背鋁和背銀電極等產(chǎn)線工藝獲得p型晶硅太陽(yáng)電池[1-3].其中，p型晶硅太陽(yáng)電池的p-n結(jié)位于電池前表面，p型基極中光生載流子可通過(guò)擴(kuò)散輸運(yùn)到電池前表面被有效分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.據(jù)國(guó)際光伏技術(shù)路線圖(ITRPV)報(bào)道，p型晶硅太陽(yáng)電池的市場(chǎng)占有率較高[4].而傳統(tǒng)的p型晶硅太陽(yáng)電池采用p型晶體硅為原料，其內(nèi)部硼氧復(fù)合體在光照下逐漸被激活，形成陷阱中心，相應(yīng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低，晶硅光伏組件的光衰減嚴(yán)重[5].

以n型晶體硅為原料制作的太陽(yáng)能電池光衰減較低，能夠避免傳統(tǒng)p型晶硅太陽(yáng)電池的光衰減問(wèn)題.其制造流程設(shè)計(jì)需要結(jié)合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)晶硅太陽(yáng)電池的產(chǎn)線工藝，以有效匹配集成到現(xiàn)有龐大的標(biāo)準(zhǔn)晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)線，加速其產(chǎn)業(yè)化.以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)工藝和n型晶硅為原料制備晶硅太陽(yáng)能電池，其p-n結(jié)在電池的背表面形成新型的n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池.由于n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的p-n結(jié)在電池的背表面，其光電轉(zhuǎn)換過(guò)程不同于傳統(tǒng)p型正結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池，光生電荷需要擴(kuò)散一段距離至其背表面分離，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.因此，n型晶體硅原料的關(guān)鍵光電參數(shù)(特別是載流子壽命)決定著新型電池的性能，需要從理論上認(rèn)識(shí)晶體硅原料的關(guān)鍵光電參數(shù)對(duì)器件性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步預(yù)期何種光電參數(shù)的n型晶體硅原料能夠制備出高效電池，從而選取適合光電參數(shù)的n型晶體硅原料，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)線上制備出高效率的n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品.

本文基于OPAL[6]和PC1D[7]仿真計(jì)算，研究n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池中晶體硅原料的載流子壽命對(duì)其光電轉(zhuǎn)換性能的影響.在此基礎(chǔ)上仿真計(jì)算n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的量子效率，獲得晶體硅原料的載流子壽命對(duì)其光譜響應(yīng)的影響規(guī)律，并結(jié)合n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的仿真結(jié)果及光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，討論晶體硅原料的載流子壽命對(duì)其性能影響規(guī)律的物理機(jī)制.

1 仿真過(guò)程與參數(shù)

采用OPAL光學(xué)軟件模擬計(jì)算氮化硅減反光薄膜加金字塔織構(gòu)的晶體硅的反射光譜.氮化硅、晶體硅的光學(xué)常數(shù)參考文獻(xiàn)[8]和[9]，通過(guò)優(yōu)化氮化硅厚度獲得優(yōu)化的減反射光譜.隨后將獲得的減反射光譜導(dǎo)入n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的PC1D仿真模型.n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

電池的前表面為氮化硅薄膜加金字塔織構(gòu)，作為減反光結(jié)構(gòu).前表面重?fù)诫s的N+-Si為前表場(chǎng)，用于降低光生載流子的前表面復(fù)合.中間的N-Si是晶體硅原料，作為電池的基集，用于吸收太陽(yáng)光子及產(chǎn)生空穴電子對(duì).背表面的P+-Si與中間的N-Si形成p-n結(jié)，用于分離光生載流子，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.整個(gè)n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的PC1D仿真模型參數(shù)如表1所示.其中n型晶體硅原料的載流子壽命作為仿真變量，從而仿真計(jì)算獲得n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的電流電壓(I-V)曲線和量子效率(EQE)曲線.

表1 n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的PC1D仿真參數(shù)

2 結(jié)果與討論

圖2為采用OPAL光學(xué)模擬獲得的氮化硅減反光薄膜加金字塔織構(gòu)的晶體硅的反射光譜.從圖2可以看出，在中長(zhǎng)波450～1 100 nm范圍內(nèi)該減反光結(jié)構(gòu)具有卓越的反光性能，光反射率低于5%.其物理機(jī)制是薄膜干涉疊加金字塔多次反射降低了前表面的光反射損失.其中在570 nm波長(zhǎng)下光反射率幾乎為零，其物理原因是氮化硅薄膜的光學(xué)干涉相消.在短波300～400 nm范圍內(nèi)光反射率較高，光反射損失嚴(yán)重,因此相應(yīng)的電池片表面為藍(lán)色.其物理原因是在這一譜段晶體硅的折射率高，空氣、氮化硅薄膜晶體硅體系的折射率梯度以及干涉相消失配大.獲得的氮化硅減反光薄膜加金字塔織構(gòu)的晶體硅的反射光譜可直接導(dǎo)入后續(xù)n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的PC1D仿真模型，用于光電轉(zhuǎn)換性能和量子效率的計(jì)算.

圖3(a)為不同基極載流子壽命的n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的I-V曲線.從圖3(a)看出,n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的短路電流和開(kāi)路電壓隨著基極載流子壽命的增加而非線性地增加.載流子壽命較低時(shí)，n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的短路電流和開(kāi)路電壓變化比較顯著;載流子壽命較高時(shí)，n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的短路電流和開(kāi)路電壓變化比較緩慢;在載流子壽命大于200 μs后，繼續(xù)增加載流子壽命，兩者變化不太明顯.晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率PCE為：

(1)

其中：Isc為短路電流；Voc為開(kāi)路電壓；FF為填充因子；S為電池的面積；Pin為入射至電池的AM1.5 G太陽(yáng)光譜[10]的光功率.Pin為常數(shù)，設(shè)置為100 mW/cm2.因此，n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取決于短路電流和開(kāi)路電壓.根據(jù)I-V曲線，可獲得相應(yīng)的短路電流、開(kāi)路電壓及填充因子.進(jìn)一步結(jié)合公式(1)，可得到電池的光電轉(zhuǎn)換效率.圖3的(b)、(c)、(d)分別為n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的短路電流、開(kāi)路電、光電轉(zhuǎn)換效率隨基極載流子壽命的變化規(guī)律曲線.

從圖3的(b)、(c)、(d)可以看出,低載流子壽命相應(yīng)電池的短路電流、開(kāi)路電壓較低，導(dǎo)致最終光電轉(zhuǎn)換效率比較低.隨著基極載流子壽命的增加，相應(yīng)電池的短路電流、開(kāi)路電壓逐漸增加，導(dǎo)致最終光電轉(zhuǎn)換效率逐漸增加.但各個(gè)光電參數(shù)隨基極載流子壽命增加而增加的規(guī)律是非線性的.當(dāng)基極載流子壽命增加到200 μs后，各個(gè)光電參數(shù)幾乎不發(fā)生變化，達(dá)到飽和.因此，為實(shí)現(xiàn)n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的高效率,必須嚴(yán)控n型晶體硅原料的品質(zhì)，其載流子壽命一定要高于一定值才能使電池獲得高性能.

為理解晶體硅原料的載流子壽命影響n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池性能的物理機(jī)制，進(jìn)一步計(jì)算n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的量子效率，結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出，隨著晶體硅原料的載流子壽命的增加，EQE值不斷增大，隨后趨于穩(wěn)定.EQE取決于光吸收、載流子擴(kuò)散輸運(yùn)、載流子分離及載流子收集.在本研究中，n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)電池的p-n結(jié)在電池的背表面，光生載流子需要擴(kuò)散一段距離至其背表面分離，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.上述計(jì)算中，光吸收、p-n結(jié)的載流子分離及收集能力均相同.因此，載流子壽命影響n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的EQE可歸結(jié)為載流子擴(kuò)散輸運(yùn)中的復(fù)合損失不同.低載流子壽命的晶體硅原料制作的電池頂部的光生載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度短，在未擴(kuò)散至背表面p-n結(jié)前就大量復(fù)合損失，因此具有低的EQE.高載流子壽命的晶體硅原料制作的電池頂部的光生載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)，大部分能夠擴(kuò)散至背表面p-n被分離，因此具有高的EQE.當(dāng)晶體硅原料的載流子壽命高于一定值，電池頂部的光生載流子幾乎能夠擴(kuò)散至背表面p-n被分離，因此EQE對(duì)晶體硅原料的載流子壽命不敏感.可見(jiàn)，晶體硅原料的載流子壽命影響n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池性能的物理機(jī)制是新型結(jié)構(gòu)電池中光生載流子擴(kuò)散輸運(yùn)路徑長(zhǎng)，載流子擴(kuò)散輸運(yùn)中的復(fù)合損失不同.

3 結(jié) 論

n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池中晶體硅原料的載流子壽命影響著其光電轉(zhuǎn)換性能，隨著n型晶體硅原料的載流子壽命增加，電池的短路電流、開(kāi)路電壓及光電轉(zhuǎn)換效率均逐漸增大，最終趨于飽和.其物理機(jī)制是新型結(jié)構(gòu)電池中光生載流子擴(kuò)散輸運(yùn)路徑長(zhǎng)，載流子擴(kuò)散輸運(yùn)中的復(fù)合損失不同.因此，為實(shí)現(xiàn)n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的高效率，必須嚴(yán)控n型晶體硅原料的品質(zhì)，其載流子壽命一定要高于一定值才能使電池獲得高性能.該研究結(jié)果可為獲得高效率n型背結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池選取合適載流子壽命的n型晶體硅原料提供理論指導(dǎo).