p型襯底晶硅太陽電池的數(shù)值模擬

p型襯底晶硅太陽電池的數(shù)值模擬

0發(fā)射極在晶硅太陽電池傳統(tǒng)太陽電池制備過程中，有兩個主要步驟：一是通過擴(kuò)散和形成n型發(fā)射極和硅盤底形成pn結(jié)，另一步是制備氮硅涂層和電池表面，以降低太陽電池前表面的填充率。一般的,發(fā)射極制結(jié)的好壞很大程度上決定了太陽電池的性能。發(fā)射極摻雜濃度、方塊電阻、結(jié)深等的變化都會對電池性能造成影響。高效晶硅太陽電池制作選擇性發(fā)射極優(yōu)化的發(fā)射極方塊電阻約為150Ω/□,而目前產(chǎn)業(yè)化晶硅太陽電池一般將發(fā)射極的方塊電阻選為40Ω/□,二者之間存在較大差異。選擇此值,更多是出于制作工藝的考慮,這對于提高電池效率是否是最優(yōu)值仍然值得研究。特別的,目前已有的研究所針對的晶硅太陽電池所具有的電阻率一般都是最優(yōu)化的1.0Ω·cm,但是由于近年來硅材料急劇短缺,所能獲得的硅片質(zhì)量產(chǎn)生了很大波動,硅片電阻率往往比上述優(yōu)化值大很多。硅片電阻率的變化也有可能帶來對發(fā)射極制備要求的變化。所以,從理論上深入研究發(fā)射極擴(kuò)散濃度、方塊電阻、結(jié)深等對晶硅太陽電池性能的影響規(guī)律以及這種影響規(guī)律與硅襯底電阻率之間的依賴關(guān)系,對實(shí)際太陽電池的制備具有重要意義。本文采用PC1D數(shù)值計算軟件對此進(jìn)行詳盡的模擬研究,并對其中蘊(yùn)含的作用機(jī)制進(jìn)行分析,得到常規(guī)晶硅太陽電池發(fā)射極的擴(kuò)散制結(jié)標(biāo)準(zhǔn)。1太陽電池的制備PC1D利用完全耦合的非線性方程模擬單晶半導(dǎo)體器件中電子和空穴的準(zhǔn)一維傳輸過程,并著重于光伏器件的模擬。該程序在硅太陽電池物理特性研究方面起重要作用,并逐漸成為模擬典型光伏器件的標(biāo)準(zhǔn)軟件。本研究中所模擬的太陽電池結(jié)構(gòu)如圖1所示,這種太陽電池按常規(guī)晶硅電池制備工藝制成。迎光面采用堿性腐蝕液制備金字塔織構(gòu),采用POCl3擴(kuò)散制備發(fā)射極,之后在上面淀積氮化硅鈍化層,兼起減反射作用,背面采用絲印燒結(jié)工藝制備鋁背場。模擬過程中,依據(jù)一般擴(kuò)散工藝,認(rèn)為磷原子在發(fā)射極中的濃度分布滿足余誤差(Erfc)分布,濃度的峰值在發(fā)射極表面,鋁原子在背場中也服從余誤差分布,濃度的峰值在背場表面。硅片結(jié)構(gòu)參數(shù)(比如帶隙、載流子遷移率、折射率、吸收系數(shù)等)采用軟件中的默認(rèn)值。所采用的其它參數(shù)除特殊說明外,均取表1中的設(shè)定值。模擬光照條件為AM1.5,功率密度100mW/cm2。2分析與討論的結(jié)果2.1摻雜結(jié)深對發(fā)射極結(jié)深的影響圖2給出了在不同的發(fā)射極峰值濃度下,發(fā)射極結(jié)深對太陽電池效率的影響。可以看出,在相同的發(fā)射極峰值濃度下,電池效率隨結(jié)深的增加逐漸下降,超過一定結(jié)深后,下降趨勢加劇。發(fā)射極峰值摻雜濃度越高,這種變化就越明顯。這是由于光生載流子在發(fā)射極內(nèi)的壽命較短且離表面近,容易受到表面復(fù)合中心的影響而使壽命進(jìn)一步降低。發(fā)射極內(nèi)摻雜濃度越高,光生載流子壽命越短,復(fù)合概率增大,電池電流減小;而發(fā)射極結(jié)深越深,被發(fā)射極吸收的光就越多,這種影響也就越大。圖3中所示電池短路電流密度的變化很好地說明了這一點(diǎn)。這種光生載流子復(fù)合的增加還會導(dǎo)致電池開路電壓的降低,所以,從圖3中還可以看出,盡管發(fā)射極摻雜濃度的適當(dāng)增加有利于提高pn結(jié)區(qū)的空間電場而得到較高的開路電壓,但摻雜濃度過高反而會使開路電壓下降,除非發(fā)射極結(jié)深很淺,減弱了上述復(fù)合會造成的負(fù)面影響。而在相同的發(fā)射極峰值摻雜濃度下,開路電壓隨結(jié)深的增加而下降則是復(fù)合增加和空間電場減弱共同作用的結(jié)果。所以,從上面的分析可以看出,摻雜重而結(jié)深淺的發(fā)射極是得到高電池效率所優(yōu)選的。但是,從圖2中可以看出,在很高的摻雜濃度下,所需要的結(jié)深只有幾十納米,如此薄的發(fā)射極很難采用傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝來制備。所幸,圖2中的結(jié)果同樣表明,盡管所能得到的電池最大效率隨發(fā)射極峰值摻雜濃度的下降而下降,但這種下降并不太明顯。下降的原因是pn結(jié)區(qū)空間電場變?nèi)?下降不明顯的原因是光生載流子復(fù)合的概率也減小了。所以,這使得我們可以采用相對摻雜較輕而結(jié)深較深的發(fā)射極來得到還可以接受的電池效率。然而,為了保證前電極可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸,發(fā)射極的摻雜濃度不能太輕。結(jié)合圖2中的模擬結(jié)果,可以認(rèn)為發(fā)射極的擴(kuò)散峰值濃度介于1×1019～5×1019cm-3之間是優(yōu)選的,可接受的結(jié)深則依據(jù)具體擴(kuò)散濃度而發(fā)生變化,如圖2所示。2.2發(fā)射極自適應(yīng)行為與結(jié)深相比,發(fā)射極方塊電阻是更加容易測量的性能參數(shù)。因此,實(shí)際生產(chǎn)中更多的是采用測量方塊電阻的辦法來作為檢測發(fā)射極擴(kuò)散質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。所以,圖4進(jìn)一步給出了在不同的發(fā)射極峰值摻雜濃度下,太陽電池轉(zhuǎn)換效率對發(fā)射極方塊電阻的依賴關(guān)系。從中可以看出,發(fā)射極方塊電阻在100Ω/□以上后,電池效率基本穩(wěn)定在最大值,并且這基本與發(fā)射極的峰值摻雜濃度無關(guān)。2.3發(fā)射極不同摻雜濃度對電池性能的影響前面的分析已經(jīng)提到,發(fā)射極狀況對太陽電池性能的影響與在前表面上發(fā)生的復(fù)合有關(guān),這種復(fù)合使發(fā)射極中的光生載流子的壽命變的更短。圖5給出了前表面復(fù)合速率在不同發(fā)射極狀況下對太陽電池性能的影響。可以看出,前表面復(fù)合速率變大,電池效率降低。盡管發(fā)射極峰值摻雜濃度變大,電池效率也會下降,但發(fā)射極峰值摻雜濃度越大,前表面復(fù)合速率對電池性能的影響就越不明顯,這主要?dú)w因于pn結(jié)空間電荷區(qū)電場的增強(qiáng)。從圖5中還可以進(jìn)一步看出,在相同的發(fā)射極摻雜峰值濃度下,前表面復(fù)合速率越大,得到較高效率電池所需要的方塊電阻就越大,這是因?yàn)榇蟮姆綁K電阻對應(yīng)于淺的結(jié)深,發(fā)射極越淺,被發(fā)射極吸收的光就越少,從而降低了光生載流子受前表面影響而發(fā)生復(fù)合的概率。但是前面已經(jīng)提到,制備摻雜重結(jié)深淺的發(fā)射極在實(shí)際太陽電池制備中難以實(shí)現(xiàn)。所以,降低前表面復(fù)合影響的措施是要盡可能的降低前表面復(fù)合速率,而不是減小發(fā)射極結(jié)深。如果前表面復(fù)合速率可以降低到前面模擬中所取的500cm/s以下,則發(fā)射極可選取的最小方塊電阻就可以比100Ω/□小。2.4發(fā)射極對太陽電池性能的影響盡管上文中的模擬過程中,襯底電阻率選用的是最佳值1.0Ω·cm,但目前的實(shí)際生產(chǎn)中遇到更高電阻率硅片的可能在逐漸增大。在圖6中給出了發(fā)射極狀況對太陽電池性能的影響與襯底電阻率之間的關(guān)系。可以看出,襯底電阻率的增加導(dǎo)致電池效率降低,但發(fā)射極狀況對太陽電池性能的影響規(guī)律卻并沒有發(fā)生變化,對于電阻率變大的硅片,在各種發(fā)射極峰值摻雜濃度下,可取的方塊電阻仍然為在100Ω/口以上。所以上述優(yōu)化的結(jié)果對這些硅片仍適用。2.5擴(kuò)散制結(jié)標(biāo)準(zhǔn)綜合上述分析,圖7針對實(shí)際發(fā)射極制結(jié)過程中可能得到的某些具體結(jié)深,給出了可以接受的發(fā)射極摻雜峰值濃度和發(fā)射極方塊電阻,優(yōu)選的處于陰影所限定的范圍內(nèi),二者之間的聯(lián)系由圖中所示的曲線決定?？蛇x擇的擴(kuò)散制結(jié)標(biāo)準(zhǔn)為:發(fā)射極的擴(kuò)散峰值濃度介于1×1019～5×1019cm-3之間,方塊電阻在100Ω/□以上。比如,對于0.5μm的常見結(jié)深,如果發(fā)射極的摻雜峰值濃度達(dá)到1×1019cm-3以上,則需要將發(fā)射極的方塊電阻控制在100～300Ω/□之間。3發(fā)射極的優(yōu)化針對傳統(tǒng)p型襯底晶硅太陽電池,通過PC1D數(shù)值計算模擬了發(fā)射極峰值擴(kuò)散濃度、方塊電阻、結(jié)深等對電池性能的影響規(guī)律以及這個規(guī)律與硅襯底電阻率之間的依賴關(guān)系,得到了發(fā)射極的擴(kuò)散制結(jié)標(biāo)準(zhǔn)。為了得到高的太陽電池效率和保證實(shí)現(xiàn)電極歐姆接觸,對于磷原子濃度梯度符合余誤差分布的發(fā)射極,其峰值擴(kuò)散濃度優(yōu)選的應(yīng)該介于1×1019～5×1019cm-3之間,方塊電阻在100Ω/□以上。比如,對于0.5μm的常見結(jié)深,如果發(fā)射極的峰值摻雜濃度達(dá)到1×1019cm-3以上,則需要將發(fā)射極的方塊電阻控制在100