陆晓东，宋 扬，王泽来，赵 洋，张宇峰，吕 航，张金晶



有源层表面性质对晶硅电池暗-特性的影响

陆晓东，宋 扬，王泽来，赵 洋，张宇峰，吕 航，张金晶

（渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000）

利用有限差分法求解半导体器件基本方程，研究了表面悬键、杂质和缺陷对晶硅电池输出参数的影响。研究表明：当晶硅电池无体内缺陷和表面缺陷或当仅存在表面悬键、杂质和缺陷，且三者起施主型和受主型陷阱作用时，正向偏压下的晶硅电池暗-特性曲线与理想二极管-特性曲线相同，但当正向偏压大于PN开启电压0.59 V，晶硅电池暗-特性曲线将偏离理想二极管-特性曲线，且偏离程度随表面悬键、杂质和缺陷浓度的增加而增大；当表面悬键、杂质和缺陷起复合中心作用时，晶硅电池暗-特性曲线将偏离理想二极管-特性曲线；就对暗-特性曲线的影响而言，复合中心最大，施主型次之，受主型最小。

晶硅电池；暗-特性曲线；理想因子；总电流密度；缺陷态；有限差分

晶硅电池是一种将太阳的光能转变为电能输出的光电器件。在晶硅电池中，光电转换过程所产生的光生载流子具有如下分布特点[1]：在有源层的前表面，光生载流子浓度最大；随着有源层前表面距离的增加，光生载流子浓度逐渐减小；在远离有源层前表面的电池内部，光生载流子浓度趋于稳定。由于电极处于电池有源层表面，在光生载流子向电极迁移过程中，部分光生载流子将出现沿有源层表面输运的现象[2]，而有源层表面是悬键（DB）、杂质（IM）和缺陷（DF）等分布较集中的区域，存在较严重的陷阱效应和复合中心效应，引起在此区域内输运的光生载流子产生严重的输运损耗，所以研究有源层表面载流子输运过程的损耗机制及开发降低有源层表面载流子输运损耗的工艺技术，一直是高效晶硅电池的研究热点[1-2]。

在降低有源层表面载流子输运损耗方面，实验研究和工业生产领域主要通过介质膜钝化有源层表面的方法实现。研究表明：有源层表面蒸镀SiO2膜[3]、SiN膜[4]、Al2O3膜[5]及a-Si膜[6]等，均可有效降低载流子在有源层表面的输运损耗。在实验研究有源层表面载流子输运过程的损耗机制方面，主要通过控制有源层内部的材料参数和工艺参数，并借助少子寿命、电池效率、短路电流和开路电压等相关参数的测试，对比分析有源层表面性质差异导致载流子输运损耗机制的变化情况[3-6]。在理论研究有源层表面载流子输运过程的损耗机制方面，考虑到有源层表面和体内的杂质和缺陷均会对载流子输运过程产生影响，所以多数理论研究借助表面少子寿命（s）表征有源层表面的性质，并将其作为电池总少子寿命（tol）的一项，通过总少子寿命和表面少子寿命之间的关系讨论有源层表面的性质及其对载流子输运过程的影响[7-8]。在理论讨论少子衰减过程中，由于引入了瞬态光照条件及电池体内光场分布受晶硅电池织构结构的影响，所以一般光生载流子浓度较大，且空间分布不均匀。考虑到载流子衰减过程中DB、IM和DF的作用机制（即陷阱效应和复合中心效应）和这些机制与载流子的注入水平有关，所以在对有源层表面性质进行理论研究过程中，常需采用多种入射光源（需要改变光源的波长和强度）辐照晶硅电池，并对比分析晶硅电池在各入射光源作用下的少子衰减曲线，才能清晰地探讨不同机制的作用[9]。

实际上，作为包含一个PN结的光电器件，晶硅电池还可利用电注入的方式在有源层内产生过剩载流子，并研究各机制对载流子输运过程的影响。这种无光照条件下的-特性称为晶硅电池的暗-特性。由于剔除了光生载流子产生过程的影响，并可通过电极偏压的控制调整注入到有源层的载流子注入水平，所以暗-特性可明显给出各种影响载流子输运过程的机制。目前，晶硅电池的暗-特性已广泛用于研究晶硅电池的PN结导的导通过程、载流子复合机制及串并联阻抗对电池-特性的影响等[10-13]，很少用于研究有源层表面对载流子输运过程的影响。本文将利用本课题组开发的求解半导体器件基本方程的有限差分法程序[14-15]研究有源层的表面性质对晶硅电池暗-特性曲线的影响。

1 电池参数和计算模型

1.1 电池参数

图1中给出了晶硅电池典型的二维结构，其主要结构单元为：有源层（c-Si）、双面金字塔织构结构、增透膜（ARC，为单层SiN）、钝化层（PL）、阴极（Ag cathode）和阳极（Al anode）。在图1中，、1、2、3分别表示织构结构的高度、PL层厚度、Al电极厚度和ARC厚度；、0、1分别表示周期长度、Al电极接触孔长度和Ag电极接触孔的长度；+2表示有源层厚度。在仿真过程中，选取晶硅电池常用的结构参数[16-17]，即=8mm，1=100 nm，2=200 nm，3=70 nm，=184mm，=10mm，0=1mm，1=0.5mm，其中2+=200mm是晶硅电池的常用厚度。

图1 典型的晶硅电池结构模型

晶硅电池常采用前表面扩磷制作PN结，后表面扩硼制作背场。两种扩散的工艺条件为[18-20]：P型晶硅片，前表面扩散时，温度为900℃，扩散时间20 min；后表面扩散时，温度为900℃，扩散时间5 min。在仿真过程中，采用衬底浓度为5´1016cm–3(»0.35W·cm)的P型单晶硅片进行扩散。图2为利用Silvaco软件的Athena模块仿真利用上述扩散条件获得的净杂质浓度分布情况。计算可知：扩散后，磷的表面浓度为2.28´1020cm–3，结深约为0.4mm，方块电阻Ÿ=53W/。仿真过程中，上述扩散杂质分布，通过差值的方法代入到计算程序中。

1.2 计算模型

尽管有源层表面的DB、IM和DF（DB-IM-DF）的形式不同，但在能带理论中，三者具有相似的表现形式，即在晶硅材料的禁带内引入能级或能带，并与晶硅材料的导带及价带交换电子或空穴，从而对有源层表面的载流子输运过程产生影响。根据不同能级或能带俘获电子或空穴的能力不同，可将有源层表面DB-IM-DF的作用分为三类，即类受主型、类施主型和复合中心型。类受主型的空穴俘获能力大于电子的俘获能力，其能级位置接近导带底，其可俘获导带电子，起电子陷阱作用；类施主型则相反，其电子俘获能力大于空穴的俘获能力，其能级位置接近价带顶，其可俘获空穴，起空穴陷阱作用；复合中心的空穴俘获能力和电子俘获能力接近，其能级位置靠近禁带中央，其通过有效俘获导带电子和价带空穴，增强了导带电子和价带空穴的复合几率。计算过程中，采用如下公式对三者进行描述[21-23]：

式（1）~（3）中：A、D和G分别代表类受主型、类施主型和复合中心型的DB-IM-DF的能态密度；C、V和G分别为导带底、价带顶和复合中心处的能级取值（通常将价带顶定义为0 eV，其余能级取值以此为参考）；A和D分别为导带底和价带顶处的态密度，G为复合中心能带中心的态密度；A、D和G为三类能级的特征衰减常数。载流子在缺陷能级的分布函数表示为[21-23]：

式中：表示分布函数；代表热运动速度；代表俘获截面；和分别为电子和空穴浓度，角标和分别电子和空穴的相关参数；i为本征载流子浓度；i为禁带中央的能级取值；为玻尔兹曼常数；为热力学温度（本文使用300 K）。对施主型能级而言，代表的参数取空穴的相关参数，取电子的相关参数；对受主型能级而言，代表的参数取电子的相关参数，取空穴的相关参数。

计算过程中选择的材料参数如下[18-23]：带隙宽度g=1.08 eV；导带底态密度c=2.8´1019cm–3，价带顶态密度v=2.8´1019cm–3；电子迁移率n= 1 000 cm2/(V·s)，空穴迁移率p=500 cm2/(V·s)；G=0.4 eV；类受主型能级的俘获截面n=1´10–16 cm2，p=1´10–14 cm2；类施主型能级的俘获截面n=1´10–14 cm–2，p=1´10–16 cm2；复合中心的俘获截面n=p=1´10–14 cm2。这些材料参数也是半导体仿真软件经常默认的材料参数。

2 结果与讨论

2.1 无体缺陷和表面缺陷时电池的暗-特性

利用图1给出电池结构参数和工艺参数，并令无缺陷的硅材料少子寿命n=p=1´10–3s（少子寿命为此量级时，硅材料内仅存在直接复合效应），计算晶硅电池的-特性曲线，如图2所示。图2中光照条件下的-特性曲线的电流值用c表示和暗-特性曲线的电流值用c表示。由图2（a）可见：在阳极电压（A）小于0.5 V时，晶硅电池的c和c值均不随阳极电压变化，c值趋于零，c的绝对值明显高于c的绝对值；在A≥0.5 V时，晶硅电池的c和c值均迅速增加，且两种电流值随电压增加逐渐趋于一致，所以A=0.5 V近似为晶硅电池PN结的开启电压；c值代表的-特性曲线，可视为c值代表的-特性曲线沿电流轴平移获得。此外，计算获得该电池的输出参数如下：开路电压oc=0.594 817 V，短路电流sc=29.326 6×10–3 A/cm2，填充因子FF=88.246 6%，效率=18.605 1%。计算过程中的材料光学参数源自专业数据网站[24]，太阳辐射功率密度采用ASTM Global Tilt 的太阳辐射数据。

图2 晶硅电池输出参数

实际上，由于c值很小，所以一般用自然对数曲线研究其变化规律。在分析暗-特性曲线时，常借助理想二极管模型进行[12]：

式中：A为阳极电压；V=/(V为热电压；为热力学温度。在25 ℃时，V=25.69 mV)；sc为存在光照时的短路电流密度（无光照时，sc=0）；eff为电池-特性的理想因子；为等效反向饱和电流密度。由于eff=1代表流过PN结的电流以扩散电流（正向偏压）或漂移电流（反向偏压）为主，所以一般将其称之为标准二极管模型[12]。

图2（b）给出了图2（a）中c和c的自然对数值随阳极电压的变化，其中因A≤0 V时，c值为负值和A≤0.55 V时，c的值为负值，所以在求二者自然对数值时，计算的是二者的绝对值。图2（b）给出了理想因子eff为1时，理想二极管的-特性曲线。由图2（b）可见：无缺陷时暗-特性曲线与eff=1的理想-特性曲线吻合的很好；当A≥0.55 V时，电池的PN结开始导通，暗-特性曲线相对理想因子eff=1的-特性曲线出现明显偏离。

2.2 表面DB-IM-DF对电池的暗-特性的影响

为明确表面的DB-IM-DF对暗-特性的影响，采用与图2相同的电池参数，即电池的有源层内不存在缺陷。考虑到电池工作过程中，上表面的载流子浓度最高，表面的DB-IM-DF对载流子输运过程影响更明显，所以这里仅考虑上表面Si/SiN界面处存在的DB-IM-DF作用。图3给出了利用图1的电池参数和杂质参数计算获得的晶硅电池的暗-特性曲线的自然对数曲线随DB-IM-DF浓度的变化关系，其中Reference代表电池无体缺陷和表面曲线时的暗-特性曲线，A代表受主型DB-IM-DF的浓度，D代表施主型DB-IM-DF的浓度，G代表复合中心型DB-IM-DF的浓度。在图3（c）中因G≥1×1015cm–3后，电池的效率迅速下降，所以计算过程中采用了与图3（a）和图3（b）不同的表面DB-IM-DF浓度值。

图3 晶硅电池的暗I-V特性曲线的自然对数曲线

表面的受主型DB-IM-DF的能级位于近导带底附近，可有效俘获表面处的电子。在较低A值时，由于注入到电池体内的电子浓度较小，表面处的电子浓度更小，所以表面陷阱效应并不明显；当A大于开启电压0.55 V时，大量电子被注入到电池体内，同时电池表面的电子浓度增加，表面DB-IM-DF能级的陷阱效应逐渐增强，造成导带电子密度明显衰减，且这种衰减效应随表面DB-IM-DF浓度的增加而增强。由图3（a）即反映出这种变化规律：在A≤0.55 V时，暗电流值基本不随A值变化，但当A≥0.55 V时，暗电流随A值的增加而减小；在反向偏压区域，晶硅电池的暗电流基本不随A值变化；在A≤0.55 V时的正向偏压区域，晶硅电池的暗-特性与理想的暗-特性曲线相同（eff=1）；A≥0.55 V时，晶硅电池的暗-特性逐渐偏离理想的暗-特性曲线，且A值越大理想因子eff值越大。

表面施主型DB-IM-DF的能级位于近价带顶附近，可有效俘获价带空穴。在较低A值时，注入到电池内部的空穴仅少数能到达Si/SiN界面，所以表面施主型DB-IM-DF能级的陷阱效应并不明显；当A大于开启电压0.55 V时，空间电荷区接近消失，大量空穴从底面阳极注入到电池体内，并扩散至Si/SiN界面处，被施主型DB-IM-DF的能级俘获，从而导致价带空穴浓度的降低。由图3（b）可见：在反向偏压区域和A≤0.55 V时的正向偏压区域，图3（b）与图3（a）具有相同的规律；在A≥0.55 V时的正向偏压区域，除不同D值的暗-特性曲线具有更大的理想因子eff值外，图3（b）与图3（a）也基本具有相同的规律。由于受主型DB-IM-DF能级所在的区域靠近电子浓度极大值区域，而施主型DB-IM-DF能级所在的区域远离空穴浓度极大值的区域，所以随着注入载流子浓度增加，受主型DB-IM-DF能级较施主型DB-IM-DF能级更易发生饱和效应，相应的受主型DB-IM-DF的暗电流值大于施主型DB-IM-DF的暗电流值。

表面复合中心型DB-IM-DF的能级可增强电子-空穴的复合效应，并形成复合电流。在载流子注入浓度较小时，只有少量空穴可到达Si/SiN界面处，电子和空穴复合效应并不明显，但这种复合效应有助于提高电极向电池内部注入载流子水平，使暗电流增加；当大量载流子注入到电池内部时，大量空穴到达Si/SiN界面处，DB-IM-DF能级出现较强的的电子-空穴的复合效应，并明显降低导带电子和价带空穴的浓度。由图3（c）可见：在反向偏压区域，图3（c）与图3（a）和图3（b）具有相同的规律；在A≤0.4 V时的正向偏压区域，暗电流值随G值增加而增大，但不同G值的晶硅电池暗-特性曲线与理想的暗-特性曲线相同（平行于理想的暗-特性曲线）；在0.4 V≤A≤0.55 V时的正向偏压区域，不同G值的暗-特性曲线向大理想因子暗-特性曲线转化的电压发生变化；在A≥0.55 V时的正向偏压区域，随G值增加，暗-特性曲线的理想因子逐渐增加。

对比图3（a）、图3（b）和图3（c）可见：就表面三种类型的DB-IM-DF对暗电流的影响而言，复合中心型DB-IM-DF的影响最大，施主型DB-IM-DF的影响次之，受主型DB-IM-DF的影响最小；表面DB-IM-DF发挥影响的区域接近电池PN结由截止向导通转换的区域，此区域对应的暗电流密度值较大，其意味着三者对暗-特性曲线产生明显影响存在电流最小阈值；在光照情况下，特别是各种薄膜电池中，因光生载流子密度较大，表面DB-IM-DF将会对载流子输运过程产生重要的影响，并直接影响到电池的输出参数。

2.3 表面DB-IM-DF对电池输出参数的影响

在光照情况下，晶硅电池输出参数随表面三种类型DB-IM-DF的浓度变化，如图4所示，其中横轴代表表面DB-IM-DF的浓度，纵轴为不同输出参数值，Acceptor-like代表受主型DB-IM-DF、Donor-like代表施主型DB-IM-DF，Recombination- center-like代表复合中心型DB-IM-DF。由图4可见：（1）当受主型DB-IM-DF浓度（A）从1014cm–3增加到1018cm–3时，sc、FF和值减小的速率逐渐增大，即：A值每增加1个数量级，sc值减小的速率将从0.4%增加到1%；FF值减小的速率将从0.46%增加到2.6%；值减小的速率将从0.8%增加到3.5%。（2）当施主型DB-IM-DF浓度（D）从1014cm–3增加到1018cm–3时，sc、FF和值基本呈线性减小的趋势，即：D值每增加1个数量级，sc值减小的速率将从1.3%增加到1.5%；FF值减小的速率将从3.3%增加到3.5%；值减小的速率将从4.6%增加到11%。（3）当复合中心型DB-IM-DF浓度（G）从1012cm–3增加到1015cm–3时，sc、FF和值减小的速率逐渐增加，即：G值每增加1个数量级，sc值减小的速率将从0.8%增加到3%；FF值减小的速率将从1.4%增加到5.2%；值减小的速率将从2.8%增加到21%。由图4还可以看出：随表面DB-IM-DF浓度增加，除受主型DB-IM-DF的oc值基本保持不变。总体而言，表面复合中心型DB-IM-DF对输出参数的影响最大，施主型缺陷影响次之，受主型缺陷影响最小。

与图3对比可见：对暗-特性产生明显影响的表面DB-IM-DF浓度（即最小阈值浓度），也是对晶硅电池sc、oc、FF和输出值产生明显影响的最小浓度。在实际电池性能测试环节，可借助不同钝化条件的暗-特性曲线对比，判断表面性质的类型，如：当不同钝化条件下，低正向偏压的暗-特性曲线出现偏移，则可基本断定是由复合中心型表面DB-IM-DF引起；如低正向偏压的暗-特性曲线基本重合，则可基本断定是由施主型或受主型表面DB-IM-DF引起。

图4 晶硅电池输出参数，其中（a）、（b）、（c）和（d）分别为Jsc、Voc、FF和h

3 结论

晶硅电池暗-特性可用于研究晶硅电池表面DB-IM-DF的基本性质，判断导致晶硅电池输出参数退化的基本机制。通过讨论可知：当晶硅电池不存在体缺陷和表面缺陷时，晶硅电池的暗-特性的理想因子为1；当表面DB-IM-DF的浓度小于阈值浓度时，晶硅电池的暗-特性曲线与理想的暗-特性曲线基本吻合；当表面DB-IM-DF的浓度大于阈值浓度时，晶硅电池的暗-特性曲线与理想的暗-特性曲线发生偏移；复合中心型表面DB-IM-DF对输出参数的影响最大，施主型缺陷影响次之，受主型缺陷影响最小。

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（编辑：曾革）

Influences of active layer surface properties on dark-characteristics of crystalline silicon solar cell

LU Xiaodong, SONG Yang, WANG Zelai, ZHAO Yang, ZHANG Yufeng, LYU Hang, ZHANG Jinjing

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

The influences of surface dangling bonds, impurities and defects on the output parameters of crystalline silicon solar cell were discussed by solving semiconductor device equations by finite difference method. The results show that the dark-characteristic curves of the crystal silicon cell without bulk defects and surface defects or only with donor-like or acceptor-like surface dangling bonds, impurities and defects, are the same as those of the ideal diodes under the forward bias voltage conditions. When the forward bias voltage is greater than 0.59 V, which is the turn-on voltage of PN junction, these dark-characteristic curves deviate from those ideal diode-characteristic curves, and the degree of deviation increases with the increase of the concentrations of the surface dangling bonds, impurities and defects. When the functions of surface dangling bonds, impurities and defects are as the recombination centers, the dark-characteristic curves of crystalline silicon cells deviate from the ideal diode-characteristic curves; the influences on the dark-characteristic curves decreases in order of the recombination-center-like, donor-like and acceptor-like.

crystalline silicon cells; dark-characteristic curve; ideal factor; total current density; defect mode; finite difference

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.010

TM914.4

A

1001-2028（2017）01-0051-06

2016-09-09

宋扬

国家自然科学基金资助（No. 61575029；No. 11304020）；辽宁省教育厅一般项目（No. L2012401）

陆晓东（1977－），男，河北承德人，副教授，博士，研究方向为高效晶硅太阳电池和光子晶体，E-mail: lxd2211@sina.com ；

宋扬（1991－），女，辽宁阜新人，研究生，研究方向为高效晶硅太阳电池和光子晶体，E-mail: 944560020@qq.com 。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1018.010.html

网络出版时间：2016-12-30 10:18:58