何凤琴 马昀锋 张敏 杨超

摘  要：结合异质结电池的工作原理，运用AFORS-HET软件，对n型/p型异质结太阳能电池进行模拟与优化设计，研究发射层、前本征层、衬底层的厚度以及氧化铟锡（ITO）薄膜功函数对异质结太阳能电池性能的影响。结果显示，n型异质结太阳能电池的转换效率略高于p型异质结太阳能电池，n型异质结太阳能电池的功函数提升会对电池的转换效率有所帮助，而p型异质结太阳能电池的功函数恰好相反，本文给出了优化的异质结电池结构设计模型。

关键词：异质结太阳能电池  层厚  功函数  模拟

中图分类号：TM914.4                          文献标识码：A                     文章编号：1674-098X（2020）08（c）-0062-04

Abstract： Combined with the working principle of heterojunction cells， AFORS-HET software was used to simulate and optimize the design of n / p heterojunction solar cells. The influence of the thickness of emission layer， front eigen layer， substrate layer and indium tin oxide （ITO） film work function on the performance of heterojunction solar cells was studied. The results show that the conversion efficiency of n heterojunction solar cells is slightly higher than that of p heterojunction solar cells， and the work function enhancement of n heterojunction solar cells will help the conversion efficiency of the cells， while the work function of p heterojunction solar cells is the opposite. In this paper， an optimized structural design model of heterojunction cell is presented.

Key Words： Heterojunction solar cells; Layer thickness; Work function; Simulate

太阳能电池是主流产品，传统单晶硅太阳电池主要采用高温扩散的工艺方式进行电池制备[1]，成本较高，并且在一定程度上能耗较高，同时，对硅片的热损伤也较大，随着各工艺技术的逐渐成熟近年来，随着清洁能源的发展，传统的硅基太阳能电池已经实现产业化。其中，单晶硅化开发，转换效率即将达到瓶颈，不利于转换效率的进一步提升。非晶硅薄膜电池采用低温工艺进行制备，成本低，但存在较多缺陷，使其转换效率降低，目前只有13%左右[2]，还有光衰问题难以从根本上解决。异质结电池结合了晶硅光伏电池和非晶硅薄膜电池两者的优点，采用硅片做基底，采用低温工艺进行制备，最高的电池制备工艺温度控制在200℃左右，能耗较低，并且工艺过程简单，仅湿法制绒、正反面本征非晶硅沉积、正反面掺杂非晶硅沉积、正反面透明导电膜沉积及金属化工艺五步即可完成电池制备，且电池结构为双面对称结构可双面封装，在理论上可进一步提升电池效率。1992年，由sanyo公司制造异质结太阳能电池转换效率就已经达到18.1%[3]。随后sanyo公司不断技术革新、改进工艺，提高电池的转换效率至25%左右[4-5]。但该电池在制备中虽然工艺简单，但各工艺需进行严格模拟计算及控制，否则电池也会存在较多缺陷，难以实现高的转换效率。本文从异质结太阳能的物理结构出发，研究发射层、前本征层、衬底层的厚度以及氧化铟锡薄膜（ITO）功函数对电池性能的影响。

1  物理模型

本文模拟采用的物理模型为采用厚度为100～220um的p（n）型掺杂单晶硅片作为沉底，再在硅片正反面沉积一层厚度为2～5nm的本征非晶硅作为钝化层，接着在硅片正反面沉积一层5～10nm的掺杂型非晶硅薄层作为发射极，n型硅片正面沉积p型非晶硅薄层、背面沉积n型非晶硅薄层，p型硅片正面沉积n型非晶硅薄层、背面沉积p型非晶硅薄层，最后再在电池正反面沉积一层透明导电膜层，以收集光生效应产生的电荷，并减少光的反射后在电池表面制备银栅线作为电极[6-7]。

异质结电池的原理[8]：太阳光照射在異质结电池表面，pn结吸收太阳光产生光生载流子，光生载流子在自建电场的作用下，电子向正极移动、空穴向负极移动，在电池正负极形成电荷积累，从而产生光生伏特效应。

模拟过程中，通过控制层厚度，优化异质结太阳能电池的转换效率，进一步研究ITO功函数对其性能的影响[9]。模拟时忽略电池本身界面态的影响，光照设置为国际标准的1个太阳标准，即AM1.5，100mW/cm2。

2  各膜层厚度对异质结电池性能的影响

在理论建模中，把异质结电池（无论n型异质结或p型异质结）发射极膜层厚度设置为1～10nm，前表面、后表面本征层厚度即背场膜层厚度均为5nm、衬底厚度为300um，其余参数保持不变。

2.1 掺杂非晶硅层厚度对异质结电池性能的影响

以本征层的厚度为变量，设置发射层掺杂浓度为5×1019、衬底掺杂浓度为1×1017、背场层掺杂浓度为8×1019。研究各膜层厚度对电池短路电流Isc、开路电压Voc、转换效率Eff等参数的影响。

无论是n型异质结太阳能电池还是p型异质结太阳能电池，均随着发射层厚度的增加，开路电压Voc、短路电流Jsc和转换效率Eff均降低。这是由于掺杂非晶硅膜厚度增加时，少数载流子的复合变大，太阳能电池空间电荷区界面的电荷积累减少，因此，开路电压Voc降低;同时，随着膜层厚度增加，电池的串联电阻也随之增大，导致了短路电流Jsc降低;从而也导致了整体的转化效率Eff降低。结合模拟结果及目前工艺条件状况，将掺杂发射极非晶硅膜层厚度设置为4nm。

2.2 前表面本征层厚度对电池性能影响

模拟仿真建模过程中，为保持和前序模拟建模的一致性，将电池的发射层膜厚设置为4nm、背表面本征层及背场层膜厚均设置为5nm、硅基底厚度设置为300um，将电池前表面的本征非晶硅膜层厚度设置在1～10nm之间，其他参数不变。

从图1中可以看出，对于n型异质结电池来说，随着前表面本征非晶硅层厚度的增加，开路电压Voc基本不变，短路电流Jsc、填充因子FF和电池的转换效率Eff逐渐下降。这是因为对于n型的异质结电池来说，前表面存在的较大价带带阶，使得少数载流子空穴陷阱增多，阻止了光生载流子主要空穴向电池内部的有效传输，同时，增厚的本征非晶硅层使得钝化作用加强，少数载流子产生复合的效应降低，从而使得开路电压Voc基本保持不变。但由于本征非晶硅层厚度的增加，使得电池整体的串联电阻增加，从而导致了短路电流降低、填充因子FF降低，因此，电池的转换效率也随之降低。对于p型异质结电池来说，随着电池前表面本征非晶硅膜层厚度的增加，开路电压Voc、短路电流Jsc和转换效率Eff均降低。这是由于在p型硅衬底中，电池前表面有较小的导带带阶，少数载流子为电子，电子所受到的阻滞小，使得电子更易被收集，从而使得本征非晶硅厚度增加时，少数载流子的复合机率变大，从而导致了开路电压Voc随之降低。理论仿真模拟结果，优化设计电池结构，设定电池前表面本征非晶硅膜层厚度为4nm。

2.3 衬底厚度对异质结电池性能的影响

在该模拟仿真建模中，将两种异质结电池的发射极膜层、前表面本征非晶硅膜层厚度均设置为4nm，背表面本征非晶硅膜层和背场非晶硅膜层厚度均设置为5nm。将电池的衬底厚度设置在50～300μm之间变化，模拟仿真n型异质结电池和p型异质结电池的性能变化。

两种异质结电池均随着衬底厚度减少，开路电压Voc提高，短路电流Jsc降低。这是因为随着硅片基底厚度的减小，自建电场的强度会增强，导致开路电压Voc有所提升，但当硅片减薄时，光的吸收也会随之减少，导致短路电流也降低。总体来说，随着硅片厚度的增大，电池的Voc减少较多，Jsc增加的少，因此，电池整体的填充因子也是呈降低状态。两种类型异质结电池的转换效率均随着硅片厚度的增加先增加再减少，但减少的趋势相对小一些，从模拟结果看，n型异质结电池在150μm达到最大值，为27.54%，但p型异质结电池在200μm时达到最大值，为27.47%。优化结果如表1所示。在异质结电池的制造中，n型硅衬底不存在硼氢键引起的光照衰减问题，具有较高的少子寿命，而且n型硅衬底在150μm时效率比200μm时p型硅衬底的效率要高，节约成本。所以无论是从电池自身的性能，还是从电池的成本来考虑，n型硅衬底更适合做异质结电池。

3  ITO功函数对异质结电池性能的影响

ITO薄膜作为异质结电池的透明导电膜层，其功函数对异质结电池的开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和抓换效率Eff有较大影响，所以ITO薄膜的功函数十分重要。ITO薄膜的功函数范围在3.6～5.3eV之间，有90%以上的透光率，而且可以控制其掺杂类型，使得功函数增加到5.2～6.1eV。

通过前面的优化结果，优化的异质结结构为：发射极掺杂非晶硅膜层及前表面本征非晶硅膜层厚度为4nm，n型异质结电池硅片厚度150μm，p型异质结电池硅片厚度200μm，背表面本征非晶硅及背场掺杂非晶硅膜层为5nm，设定n型异质结电池的功函数从3.9～4.5VeV变化，p型异质结功函数5.0～5.6eV变化，其他参数不变。

从图2中可以看到，n型异质结电池和p型异质结电池开路电压、短路电流、填充因子均呈现相反的变化趋势。对于p型硅片，功函数小时，透明导电膜/发射极掺杂非晶硅层界面的能带弯曲方向与发射极掺杂非晶硅层/硅片界面的能带弯曲方向相同，因此具有相同的内建电场方向，有利于电子的收集，从而提升了电池整体的转换效率。但是当透明导电膜的功函数过高时，透明导电膜/发射极掺杂非晶硅层界面的能带弯曲方向与掺杂非晶硅膜层/硅片界面的能带弯曲方向相反，则导致内建电场方向也相反，不利于少数载流子收集。而对于n型硅片，功函数较高时，透明导电膜层/发射极掺杂非晶硅层界面/硅片各界面的电场方向相同，相同的电场方向有利于少数载流子收集，提升了电池的转换效率;功函数较低时，则上述的界面电场方向相反，从而导致电池的转换效率降低。从ITO功函数对异质结电池的影响来看，更適合作为n型异质结电池的窗口层。

4  结语

（1）n（p）型异质结太阳能电池，均随着发射层厚度的增加，Voc、Jsc和Eff均有所下降。但p型异质结由于易收集电子，使得Voc比n型异质结电池的要低。

（2）p型异质结随前本征层厚度的增加，少子复合机率大，Voc有所下降。对于n型异质结，厚度对Voc影响不大。但n（p）型异质结电池，随厚度增加，转换效率均有所下降。

（3）随衬底层厚度增加，对光的吸收更加充分，电池性能开始随衬底厚度增加而提升。在保持掺杂浓度不变的情况下，n型在150μm时达到最优值27.54%，最终得到p型异质结电池在200μm时效率达到最优值27.47%。

（4）p型异质结电池功函数越低，ITO/a-Si：H（n）界面的能带弯曲方向与a-Si：H（n）/c-Si（p）界面能带弯曲方向相同，转换效率越好。n型异质结电池，功函数越高，转换效率越好。

参考文献

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