交叉背接触异质结（IBC-SHJ）太阳能电池模型参数的仿真与优化

韩名君 魏雪晴

摘 要

本文对IBC-SHJ电池背面的几何尺寸进行二维仿真和优化，得到缓冲层、发射极和背面场对J-V特性的影响，以及FF因子的变化，结论表明缓冲层获得最佳效率的宽度值为10nm附近，发射极宽度的效率最优值约为3mm。

关键词

交叉背接触;异质结;缓冲层;发射极

中图分类号： TM914.4;O613.72        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 95

Abstract

In this paper， the geometric dimensions of the back of IBC-SHJ battery were simulated and optimized in two dimensions. The influence of buffer layer， emitter and back field on j-v characteristics， as well as the change of FF factor were obtained. The conclusion shows that the width value of buffer layer for optimal efficiency is around 10nm， and the optimal efficiency value of emitter width is about 3mm.

Key words

Interdigital back contact;Si Heterojunction;Buffer layer

0 前言

硅异质结构适用于低温制备，同时具有较高的开路电压Voc、可以实现双面采光和全钝化层接触、无须光刻开孔，近年来得到迅速发展[1]。為进一步提高电池的转化效率，近年来还提出了在异质结构的基础上引入交叉背接触结构，制成交叉指式背接触异质结（IBC-SHJ）太阳能电池[2]。与普通电池相比，IBC-SHJ结构采用a-Si：H作为双面钝化层，从而提高了开路电压，同时由于此种电池表面无遮挡，光学损失减少，所以短路电流更高。目前，针对该电池结构，日本的Kaneka公司已经取得了26%的转化效率[3]。我国目前对该种电池的研究主要还停留在仿真和试制阶段，我们还需要进一步研究揭示其机理、并指导我们的试制和生产。因此本文就对其关键的几个工艺参数进行仿真和研究，从而对工艺进行进一步优化。

1 IBC-SHJ太阳能电池的几何尺寸模拟与优化

IBC-SHJ太阳能电池的典型结构是以n型硅片作为衬底，主体是n-c-Si材料，厚度为Wc-Si，其正面是减反射层ARC和前表面场FSF。n-c-Si材料背面为了改善表面钝化性能，填充了一层缓冲层i-a-Si：H材料，缓冲层之下则是掺杂非晶硅层，呈叉指型分布，其中p-a-Si：H作为发射极，n-a-Si：H作为背面场BSF，其宽度分别为Wemit和WBSF。最后，在发射极和BSF上覆盖有金属接触层，发射极和背面场之间用介质层隔离[4]。

在IBC-SHJ结构中，由于发射极和背面场以及缓冲层都在背面，因而我们对其背面的几何尺寸进行模拟和优化。采用Silvaco软件对器件进行二维模拟。每次仿真时只改变一个参量，其余参量不变。首先对缓冲层非晶硅薄膜i-a-Si：H进行仿真和优化，其J-V特性仿真见图1。从图中可见，缓冲层为20nm时填充因子FF剧烈下降到36%，线段后半段呈现出S形。随着缓冲层厚度的减小，填充因子增加，曲线轨迹越接近矩形，不再出现S形曲线。缓冲层为1nm时，其填充因子FF达到75%。但是过小的缓冲层也不利于钝化的制备，在本文仿真的参数设置下，缓冲层厚度为10nm时FF即可达到77%。

图2是发射极宽度Wemit对电池性能影响的仿真图。取5种不同的发射极宽度，分别是200、400、600、800和1000μm，开路电压Voc随Wemit的增加而变化，但是短路电流Jsc随Wemit的增加而变化。

图3则表明发射极的覆盖度先使FF增大，当Wemit达到3mm时FF达到79%，之后FF开始随着Wemit的增加而减小。这是由于发射极覆盖度小于一定值时，器件的热电子输运增加，但是如果p型发射极过大就会导致n型的背面场宽度相应的缩小，从而导致串联电阻增加。

图4是背面场宽度WBSF对电池性能影响的仿真图。取5种不同的背面场宽度，分别是200、400、600、800和1000μm，开路电压Voc基本不变，但是短路电流Jsc随WBSF的增加而减小，这是由于载流子在做横向扩散时，如果背面场尺寸较大，则载流子需要经过较长的距离才能获得复合，因此才会WBSF增加而Jsc减小，说明需要WBSF越窄越好，FF则随着WBSF的增加有所增加。

2 结论

本文中，我们用Silvaco软件对IBC-SHJ太阳能电池进行仿真模拟，并改变了3个不同的参数来优化太阳能电池的效率。仿真实验观察到，固有的a- si层增加了Voc和Jsc，但同时降低了FF，形成“S”形的IV曲线。缓冲层的最佳宽度值取在10nm左右。同时n型背面场宽度增大时，Jsc减小，因此n型背面场必须选择尽可能窄; p型发射极增加时则是Jsc增加FF减少。Jsc和FF的不同演化导致p型发射极宽度的效率最优值大约为3mm。

参考文献

[1]陈俊帆，等.高效单晶硅太阳电池的最新进展及发展趋势[J].材料导报，2019，33（1）：110-116.

[2]张勤杰，等.背面结构对铝背发射极n型单晶硅太阳电池的影响研究[J].太阳能学报，201637（5）：1148-1152.

[3]北极星太阳能光伏网.PERC、IBC、SHJ、TOPCon、HBC等高效光伏电池简史.http：//guangfu.bjx.com.cn/news/20190513/979996.shtml

[4]沈文忠，李正平.硅基异质结太阳能电池物理与器件[M].北京：科学出版社，2014.