TOPCon太阳能电池背面多晶硅层的理论分析

发表时间:2023-10-13 10:52

TOPCon太阳能电池背面多晶硅层的理论分析

结论

本文的研究意义是深入理解TOPCon太阳能电池中背面的多晶硅层对性能的影响,特别是多晶硅的带隙和缺陷。该研究为优化TOPCon太阳能电池的制备过程和性能提供理论依据和指导。

研究的主要优点是通过模拟方法深入分析了多晶硅的带隙和缺陷对TOPCon太阳能电池的影响,揭示了关键因素对电池性能的作用机制。然而,缺点是研究仅限于理论分析,实验验证还需要进一步探索。

主要结论:

多晶硅的带隙会显著影响TOPCon太阳能电池的性能,较大的带隙可提高开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和效率(Eff)。

多晶硅的缺陷态浓度的增加会导致太阳能电池性能的恶化,其中酸类缺陷态对电池影响更明显。

在制备多晶硅层时,需要控制带隙的宽度,特别是在接受类缺陷态的控制上,应控制在低于1-2个数量级的掺杂浓度。

关键词:TOPCon 多晶硅 带隙 缺陷态

摘要:作为钝化发射极和背面电池(PERC)太阳能电池的升级版本,隧道氧化物钝化接触(TOPCon)太阳能电池的性能非常依赖于氧化硅层和多晶硅层。我们发现多晶硅中不同的结晶速率或锗、碳等元素的掺杂可以改变多晶硅的带隙,从而对TOPCon太阳能电池的效率(Eff)产生影响。因此,合适的带隙尤为重要。同时,多晶硅的内部缺陷也对太阳能电池的性能产生很大影响。利用模拟能带图、载流子浓度和复合率,深入探究多晶硅中的缺陷以及不同带隙多晶硅对TOPCon太阳能电池性能的影响。

导言

对于晶体硅太阳能电池来说,提高效率的关键是减少硅与电极之间的复合损耗。钝化的质量对电池的质量有着决定性的影响,甚至可以说电池技术的发展可以归功于钝化技术的发展[1]。 2013年,德国Frauhofor研究所引入了TOPCon技术概念[2]。作为钝化性能最好的太阳能电池之一,以N型硅为衬底的TOPCon太阳能电池在推出之初就取得了令人印象深刻的703 mV的开路电压(Voc)和23.7%的Eff。这显示了其广阔的发展空间和潜力。此后,TOPCon太阳能电池受到更多关注。 2016年,佐治亚理工学院[3]实现了21.2%的转化率Eff。 2016年6月,哈梅林太阳能研究所(ISFH)[4]通过对低压化学气相沉积(LPCVD)制备的掺杂非晶硅进行退火,将TOPCon结构的开路电压提高到748 mV,最低暗饱和电流密度达到0.6 fA/cm2 。 2018 年 [5],采用气相沉积 (LPCVD) 效率的 TOPCon 太阳能电池。 2018年[5],成功制备了效率高达25.7%的TOPCon太阳能电池。 2022年11月19日,马丁·格林通过视频宣布,隆基绿能科技有限公司成立。 26.81%的电池效率是目前全球硅太阳能电池效率最高记录。

从商业角度来看,目前预计硅基太阳能电池占据光伏市场90%以上的份额。在众多硅太阳能电池中,PERC太阳能电池作为主流,一方面占据较大市场,另一方面PERC电池效率已接近理论极限。目前有望接替PERC电池成为主流的太阳能电池主要是异质结本征薄膜(HJT)[6,7]、TOPCon叉指背接触(IBC)。得益于n型硅衬底和衬底表面缺陷的双重钝化作用,目前异质结的效率得到了很大的提高。据悉,异质结效率达到了惊人的26.81%。由于衬底是掺磷的n型单晶硅,p型晶硅中不存在硼-氧复合或硼-铁复合等,因此HJT不存在光致降解(LID)效应[8]。表面没有绝缘层也可以避免电势诱导退化(PID)效应。目前,刘等人。 [9]已成功开发出柔性异质结太阳能电池。通过低温工艺和对称设计,晶圆厚度大大降低,但良好的表面钝化得以保留。但由于设备投资和制造成本较高,异质结技术的发展相对缓慢。与其他太阳能电池相比,IBC 受益于其具有更高填充因子 (FF) 和短路电流密度 (Jsc) 的结构。然而,成本几乎是传统电池的两倍。与HJT和IBC相比,TOPCon太阳能电池在制造工艺方面具有独特的优势,与PERC电池高度兼容,仅需要额外的硼扩散设备以及隧道层和多晶硅沉积设备。这大大降低了太阳能电池迭代的成本。因此,从经济角度考虑,TOPCon太阳能电池的商业化具有很大的优势。

与PERC、HJT等主流太阳能电池技术相比,TOPCon太阳能电池在背面采用了隧道层,以减少金属电极与硅之间的载流子复合。由于隧道氧化层对空穴的隧道电势(4.5eV)高于电子的隧道电势(3.1eV),因此电子更容易隧道化并被收集。隧道氧化层的另一个作用是全面积钝化,优异的钝化能力进一步提高了TOPCon太阳能电池的效率。与PERC相比,TOPCon太阳能电池是一维载流子传输结构,载流子可以在一维氧化层中高效地纵向传输[10,11]。避免传输过程中的复合可降低串联电阻并改善太阳能电池 FF。因此,背面氧化层和多晶硅层作为TOPCon太阳能电池的核心工艺,一直是TOPCon太阳能电池研究的重点[12-14]。

不幸的是,对于高掺杂多晶硅/氧化硅/单晶硅结构中的载流子传输机制还没有完美的解释。研究发现,氧化硅层和多晶硅层都会对钝化接触效果产生影响,只有两种结构更好地匹配在一起才能达到理想的钝化效果[15,16]。研究表明,氧化硅中存在针孔结构,其对载流子传输起辅助作用,甚至在针孔密度较高时起主导作用。除了针孔结构外,氧化硅表面还存在一种亚纳米级的凹坑。根据刘等人的说法。 [17],这些亚纳米坑为多数载流子提供了优异的表面钝化和高效的隧道效应。多晶硅层作为TOPCon独特且非常重要的结构,对TOPCon太阳能电池有着非常重要的影响,推测多晶硅的主要作用是钝化。

2 . TOPCon太阳电池的仿真结构TOPCon太阳电池的结构用于仿真

用于模拟的TOPCon太阳能电池结构如图1所示。模型正面的前发射层与衬底为热扩散接触,而衬底与背场层之间的接触为隧道氧化物具有超薄氧化硅 (SiOx)/多晶硅钝化接触的钝化接触。

TOPCon太阳能电池的结构为导电氧化物TCO/p+多晶硅/n-Si-晶圆/SiOx/n+-多晶硅/金属[18],各层参数设置如表1。以下所有参数均与实际太阳能电池相对应。在p+型发射极处,其厚度为30 nm,这与优化的选择性发射极掺杂分布有关。

多晶硅本身的结构导致其带隙存在许多缺陷[19]。在大多数论文 [20,21] 中,多晶硅中的缺陷分布都是类似地建模的。指数分布的带尾态和高斯分布的类供体缺陷态和类受体缺陷态。但实际情况往往更为复杂。陈等人。 [22]通过电荷泵方法等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的多晶硅薄膜的活化能在0.25-0.3 eV范围内。阿姆斯顿等人。 [23]同样通过深能级瞬态光谱(DLTS)光谱证实了导带以下 0.43 eV 处的陷阱能级,以及导带以下 0.2-0.5 eV 范围内多个离散能态的存在。塞希尔等人。 [24]通过场效应法证实多晶硅薄膜材料导带以下0.40 eV处存在悬浮键形成的晶界缺陷态。金等人。 [25]通过电荷泵测量证实了带隙中心存在高密度陷阱态。这一结果也得到了其他几个实验的验证[26-29]。郑等人。 [30]在LPCVD法沉积的多晶硅薄膜的价带上方0.35~0.5 eV附近发现了深能级陷阱态,并认为这与SiO2/附近形成的附加带隙能态有关。激光退火过程中的多晶硅界面。

n +型多晶硅层中的poly - Si缺陷态是高斯分布的,如表2所示。在表2中,Es是缺陷能级。

3 .结果与讨论

仿真结果表明,随着带隙的增大,太阳能电池的VocJsc和Eff都有所提高。缺陷态浓度的增加会导致太阳能电池性能的恶化。其中,类受体缺陷态具有捕获电子的能力,因此对太阳能电池的影响更为明显。

3 . 1 .带隙宽度对TOPCon太阳能电池的影响TOPCon太阳能电池中,多晶硅层对电池的质量有很大的影响。目前的研究主要集中在磷掺杂浓度和隧穿氧化层厚度上,而往往忽略了多晶硅的带隙宽度和缺陷对TOPCon太阳能电池的影响。

目前,TOPCon太阳电池背场层中多晶硅的主要制造技术是LPCVD或PECVD。对于LPCVD法制备的多晶硅,其禁带宽度很难调节。但是通过PECVD,可以通过高温退火或者C和O的掺杂来调节多晶硅的禁带宽度。在不同的退火条件下,PECVD生长的非晶硅薄膜的结晶速率往往有很大的差异,而多晶硅的禁带宽度与多晶硅的结晶速率密切相关。结晶速率越高,则越小poly - Si的禁带宽度。除了晶化率外,掺杂也会影响多晶硅的带隙,例如,当非晶硅中掺杂锗时,非晶硅的带隙会减小;当掺杂碳时,带隙会增大。随着带隙的变化,TOPCon太阳能电池的VocJsc、FF和Eff都发生了很大的变化。

图2显示了不同带隙的TOPCon太阳能电池的VocJsc,FF和Eff。通过改变带隙宽度从1.11 e V到1.34 e V,TOPCon太阳能电池的Voc从711.6 m V增加到745.5 m V,Jsc从39.17 m A / cm2增加到41.34 m A / cm2,FF从79.03 %增加到85.20 %。Eff从22.03 %增加到26.26 %,随着poly - Si带隙的增加,电池性能发生显著变化。

电子和空穴浓度方程如式( 1 )所示。( 3 )和Eq . ( 4 ) [ 31 ]。根据图3照明条件下的能带图分析。在poly - Si界面处,带隙为1.11 e V、1.22 e V、1.34 e V和1.44 e V对应的( Ec-Efn )值分别为0.0749 e V、0.0827 e V、0.0794 e V和0.0794 e V。根据Eq . ( 3 )带隙宽度为1.22 e V时,电子浓度达到最小值。随着poly - Si带隙宽度的增加,( Efp-Ev )值呈增大趋势,空穴浓度减小。

根据图3所示的光照能带图,当多晶硅的禁带宽度较小时,多晶硅与单晶硅界面处的价带弯曲会产生量子(图中的水平轴表示到p +型Si层上表面的距离)。由于量子的存在,大量的空穴聚集在这个区域。随着多晶硅禁带宽度的增加,量子深度逐渐减小,当多晶硅禁带宽度为1.34 e V时,量子深度已经消失

由图4可知,当多晶硅的禁带宽度低于1.22 e V时,电子-空穴复合主要集中在多晶硅界面一侧。随着带隙的增大,复合率减小。当禁带宽度达到1.34 e V时,复合区域发生变化,从多晶硅界面转移到单晶硅界面,同时复合速率急剧下降。当多晶硅禁带宽度达到1.34 e V时,界面处的复合速率比窄带隙时降低了2个数量级。

从图3可以看出,当带隙小于1.22 eV时,多晶硅与单晶硅界面处的多晶硅一侧形成三角形量子,导致大量空穴进入集中。因此,电子-空穴复合集中在多晶硅的界面处。同时,由于大量的电子空穴复合,产生的漏电流较大,导致TOPCon太阳能电池的FF较低。随着带隙的增加,量子的深度减小直至消失。当量子消失时,多晶硅中的大量空穴将涌入单晶硅中,界面处多晶硅中的空穴浓度变小。因此,当带隙大于1.34 eV时,电子-空穴复合将会发生主要存在于单晶硅中。

3 . 2 .缺陷态对TOPCon太阳电池的影响在poly - Si中,缺陷态包括价带

在多晶硅中,缺陷态包括价带尾局域态、导带尾局域态和四种高斯分布的能隙态。带尾局部化是由键角变形引起的,间隙局部化是由悬浮键引起的。多晶硅中的能隙态可分为类施主缺陷态和类受主缺陷态。随着缺陷态浓度的增加,TOPCon太阳能电池的性能下降。

图5显示了类受主缺陷态浓度的变化对TOPCon太阳能电池性能的影响。可以看出,随着类受主缺陷态浓度的增加,TOPCon太阳能电池的VocJsc不断减小。然而,FF呈现增加趋势,并且TOPCon太阳能电池的Eff随着浓度的增加而明显变差。类受主缺陷态的缺陷态浓度从1E18增加到1.5E20,TOPCon太阳能电池的Voc从729.5降低到692 mV,Jsc从40.68降低到36.02 mA/cm2,FF从77.23%增加到80.95%。效率从 22.92% 下降到 20.18%。我们推测类似受主的缺陷态会增加反向饱和度电流,导致开路电压降低。此外,类受主缺陷态会影响光子吸收和载流子收集,导致短路电流密度和效率降低。然而,类受主缺陷态也降低了表面复合,增加了载流子寿命,导致FF增加。

从多晶硅能带图6可以看出,当类受主缺陷态的缺陷态浓度较高时,费米能级将位于导带下方。这是由于缺陷浓度较高,原本几乎充满导带底附近量子态的电子被缺陷重新组合。同时发现,单晶硅界面处的导带低于多晶硅,因此会在此处积累大量电子。

由于大量的电子被缺陷重组,导带底附近的大量量子态被释放。这导致单晶硅中大量的电子发射到多晶硅中。从图7中可以看出,与类受主缺陷态中缺陷态浓度为1E18相比,当类受主缺陷态达到1.5 E20时,poly - Si中的电子浓度降低了两个能级,而缺陷中的电荷密度增加了近一倍。在单晶硅与多晶硅界面处,单晶硅一侧的电子数量明显减少,使得多晶硅区域的复合率降低。

由于poly - Si中存在三个类施主缺陷态,分别改变它们的缺陷态浓度,发现单独改变其中一个缺陷态浓度时,不同位置缺陷态浓度的变化对TOPCon太阳电池的VocJsc、FF和Eff的影响是一致的。类施主缺陷态的缺陷态浓度从1E18增加到1.5 E20,TOPCon太阳能电池的Voc从729.5 m V减小到720.5 m V,Jsc从1E18增加到1.5 E20电流从 40.68 mA/cm2 下降到 40.07 mA/cm2,FF 从 77.23% 增加到 78.13%,Eff 从 22.22% 增加到 22.56%。但同时改变三个缺陷态浓度,使三个缺陷态浓度相等,缺陷态浓度之和为1.5E20,发现Voc为720.5 mV,Jsc为40.1 mA/cm2,FF为78.13%,效率为22.58%。与改变单个位置的类施主缺陷态浓度相比,同时改变所有三个缺陷不会导致Voc和FF发生变化,而Jsc仅小幅增加,从而导致TOPCon太阳能电池Eff的增加。这是因为类施主缺陷态分布在禁带中心附近,并且它们之间的能量差很小。因此,同时改变所有三种缺陷的浓度与单独改变其中一种缺陷的浓度没有太大区别。

可以发现,TOPCon太阳能电池对类受主缺陷态的缺陷态浓度变化更加敏感。当受主缺陷态的缺陷态浓度小于掺杂浓度一个数量级时,电池效率随着缺陷态浓度的增加而迅速下降。

与类受体缺陷态相比,类施主缺陷态对TOPCon太阳能电池的影响要小得多。多晶硅界面处的复合率随着类施主缺陷态浓度的增加而增加。从多晶硅能带图8可以看出,由于三角形量子的存在,多晶硅界面处积累了大量空穴,类施主缺陷态浓度的增加会导致重组增加。

除了探索类施主缺陷态浓度对太阳能电池性能的影响外,还探讨类施主缺陷态不同位置对TOPCon太阳能电池性能的影响。最终发现不同位置的类施主缺陷态对TOPCon太阳能电池性能的影响没有显着差异。这可能是因为所有类施主缺陷态都集中在带隙中间,因此缺陷对器件机制有类似的影响。同时改变所有类施主缺陷态中的缺陷态浓度与改变其中之一的缺陷态浓度之间的差异仅是类施主缺陷态中的缺陷总数的差异。然而,TOPCon太阳能电池中,相同数量级的缺陷态浓度对电池的影响几乎是相同的。

4 .结论背面的多晶硅对TOPCon太阳能电池的性能影响很大。在窄带系统情况下,多晶硅界面价带处形成的量子导致空穴的积累,使复合率激增,导致器件性能较差。当带隙增加到1.34 eV时,量子消失,复合率降低两个数量级,性能提高。因此,为了获得良好的TOPCon太阳能电池,在制备多晶硅层时应注意控制带隙的宽度。同时,我们应该注意降低多晶硅层中的缺陷态浓度,特别是类受主缺陷态的浓度。应控制掺杂浓度小于1-2个数量级。





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