N型IBC太阳能电池的工艺研究-何志伟-商丘工学院.pdf-solarbe文库

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电子设计工程 Eleｃtrｏniｃ Design Engineering 第２5 卷 Vｏl．２5 第１5 期Ｎｏ．１5 ２０１7 年 8月Ａug．２０１7 收稿日期２０１６－０8－１６稿件编号２０１６０8１２１基金项目２０１5 年河南省教育技术装备和实践教育研究立项课题（ GZS１3４）作者简介何志伟（１９83 ），男，河南鹿邑人，硕士研究生，讲师。研究方向粒子物理，半导体物理与器件。太阳能电池实际上就是一个大面积且不加偏压的ＰＮ结器件。该种器件通过以高效率将太阳电磁辐射的能量转化为电能长期为人类提供动力。发展至今，硅太阳能电池的应用最为广泛，光电转化效率也最高 [１－3] 。目前，世界上能够量产且转化效率超过２０的太阳能光伏电池只有两种，均为Ｎ型多晶硅太阳能电池。其分别是２０１０年美国 SunＰｏwer 公司的 D．D． Sｍitｈ等人研制的Ｎ型 IBＣ（ Interdigitated Baｃk Ｃｏntaｃt ）单晶硅太阳能电池，这是一种背结背接触式电池，其的转化效率高达２４．２。此外，该种结构也是目前世界上可实现量产且效率最高的晶体硅电池结构之一。另一种电池就是日本Ｐanasｏniｃ公司的 HIＴ（ Heterｏ－junｃtiｏn IntrinsiｃＴｈin－filｍ）电池 [４] 。文中所研究的Ｎ型背结背接触式太阳能电池 [5－7] 也是单晶硅太阳能电池，其转换效率高 [8] 、工艺相对简单，可实现量产并能够在各个行业均得到广泛应用。 1 N 型 IBC 太阳能电池结构Ｎ型 IBＣ太阳能电池 [９] 是一种以Ｎ型单晶硅作为衬底，并形成一种具有背结背接触特点的新型结构太阳能电池。如图１所示，Ｎ型 IBＣ太阳能电池衬底是均匀掺杂磷的单晶硅，在其前表面是制绒面，将其制成倒角锥体结构以获得更高的光吸收，减少光反射损失，Ｎ衬底前表面，离子注入形成一层 n 型掺杂的Ｎ区，在Ｎ层以上，形成一层氧化硅层以及一层用于减少反射损失的氮化硅。在衬底背表面，分别注入掺杂，一定区域注入磷，形成Ｎ区，一定区域注入硼，形成Ｐ（发射区），然后在衬底背表面淀积 N 型IBC 太阳能电池的工艺研究何志伟，刘丽（商丘工学院基础教学部，河南商丘４7６０００）摘要文中主要研究的是Ｎ型 IBＣ太阳能电池，即Ｎ型背结背接触式电池。使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件对Ｎ型 IBＣ太阳电池进行工艺仿真，然后对已完成的Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件进行器件仿真，并对相关参数进行优化，探究该种太阳能电池各方面的特性，最后与工艺仿真进行结合分析，对Ｎ型 IBＣ太阳能电池的工艺研究进行总结整理，得出该太阳能电池的最佳工艺参数组合。关键词太阳能电池；Ｎ型晶体硅；背结背接触；工艺； silvaｃｏＴＣＡD 中图分类号ＴＮ９９文献标识码Ａ文章编号１６7４－６２3６（２０１7 ）１5－００１４－０5 Process study of N type IBC solar cell HE Zｈi - wei ， LIU Li （ Basic Teaching Department ， Shangqiu Institute of Technology ， Shangqiu ４7６０００， China ） Abstract Ｔｈis paper will study tｈe IBＣｏf Ｎ - type sｏlar ｃell ， wｈiｃｈ is tｈe Ｎ - type junｃtiｏn baｃk - baｃk－ｃｏntaｃt ｃell researｃｈ．We will use silvaｃｏＴＣＡD sｏftware fｏr Ｎ - type IBＣ sｏlar ｃell fｏr prｏｃess siｍulatiｏn ，ｃｏnduｃted detailed studies ｏf tｈeir speｃifiｃ prｏｃess steps ， and tｈen tｈe Ｎ - type IBＣ sｏlar ｃell struｃture ｈas been ｃｏｍpleted using silvaｃｏＴＣＡD deviｃe siｍulatiｏn sｏftware tｏ explｏre tｈis sｏlar ｃell tｈe variｏus ｃｈaraｃteristiｃs ｏf tｈe final binding prｏｃess siｍulatiｏn and analysis ｏf tｈe Ｎ - type teｃｈnｏlｏgy researｃｈ IBＣ sｏlar ｃell sｏrting suｍｍariｚed ， and we ｏbtaintｈe ｏptiｍuｍ teｃｈniｃal paraｍeters． Key words sｏlar ｃell ；Ｎ - type ｃrystal siliｃｏn ； baｃk - baｃk - ｃｏntaｃt ； prｏｃesses ； silvaｃｏＴＣＡD －１４－一层氧化物钝化层，之后在两区域分别刻蚀氧化物淀积铝从而形成阴极和阳极，再去除其他部分多余的铝。 2 N 型 IBC 太阳能电池建模仿真 2.1 工艺仿真通过使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件可以对Ｎ型 IBＣ太阳能电池进行仿真建模，使用工艺仿真器ＡＴHEＮＡ，可对Ｎ型 IBＣ太阳能电池整个工艺流程进行仿真，从而生成最终的Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构。其大致步骤如下定义网格、初始化衬底、形成Ｎ区和Ｐ区（发射区）、淀积钝化层、电极形成、上下表面旋转、形成Ｎ区、淀积钝化层、结构存储。按照已设计好的电极尺寸和掺杂浓度等相关参数，通过工艺仿真器ＡＴHEＮＡ进行工艺仿真，实现Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构。 2.2 器件仿真建模一方面可直接调用工艺仿真器ＡＴHEＮＡ生成的Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构，另一方面也可以使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件中的器件仿真器ＡＴLＡS 直接生成相应结构。在此使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件器件仿真器ＡＴLＡS [１０] 生成Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构，主要分为如下４个步骤１）初始化网格经划分的网格如图２所示，在 y ０．０3 位置，网格密度极高，研究 pn 结空间电荷区及结深的参数提取精度便可达到较高的水平 [１１] 。对于该Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构而言，其衬底单元结构宽１０００ μ ｍ，厚度为１5０ μ ｍ。图１ IBＣ太阳能电池结构图２ pn 结的仿真网格２）定义区域和材料在Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构中可定义以下 7个区域区域１Ｎ型衬底区域，材料定义为硅，厚度为１5０ μ ｍ；区域２背表面Ｎ掺杂区域（ BSF ），材料硅；区域 3 背表面发射区，材料硅；区域４前表面Ｎ层（ FSF ），材料硅；区域 5 背表面钝化层，材料为氧化硅，厚度为０．９４ μ ｍ；区域６前表面钝化层，材料为氧化硅，厚度为１ μ ｍ；区域 7 背表面外层，材料为空气。 3 ）电极的定义电极宽度为 8０ μ ｍ，两电极之间间隙宽度为４２０ μ ｍ。４）掺杂定义各区域掺杂如下区域１衬底，Ｎ型掺杂，均匀（ unifｏrｍ）分布，浓度１０１４ｃｍ－3 ；区域２Ｎ区，Ｎ型掺杂，高斯（ gaussian ）分布，浓度１０２１ｃｍ－3 ；区域 3 Ｐ区，Ｐ型掺杂，高斯（ gaussian ）分布，浓度２１０２１ｃｍ－3 ；何志伟，等Ｎ型 IBＣ太阳能电池的工艺研究－１5 －电子设计工程２０１7 年第１5 期区域２Ｎ区，Ｎ型掺杂，高斯（ gaussian ）分布，浓度１０１６ｃｍ－3 。此外，还需要对Ｎ型 IBＣ太阳能电池进行材料特性设置并选择合适的物理模型。对于Ｎ型 IBＣ太阳能电池，主要材料分为两种，衬底材料 Si 和电极金属Ａl 。在器件仿真器ＡＴLＡS 中，针对本文所研究的Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构特点，需要选择的模型有迁移率模型组中的浓度依赖迁移率模型（ｃｏnｍｏb ）和平行电场依赖模型（ fldｍｏb ）以及 Sｈｏｃkley－Read－ Hall 复合模型（ｃｏnsrｈ）。器件仿真器ＡＴLＡS 是基于几个范围内非耦合的非线性偏微分方程，所以其在器件结构的网格点需要对方程采用特定的数值计算方法来仿真计算获取器件的特性。对于Ｎ型 IBＣ太阳能电池结构器件，文中可采用的计算方法是 newtｏn 计算方法。 2.3 器件特性图 3是Ｎ型 IBＣ太阳能电池的光谱响应（基于ＡM１．０太阳光谱 [１２] ），由图可看出，电池对于波长大于０．8 μ ｍ的太阳光吸收率迅速降低。电池前表面光线照射区材料的禁带宽度直接决定着太阳能电池的具体波长吸收限大小。对于Ｎ型 IBＣ太阳能电池特性而言，主要需要研究的有开路电压、短路电流和 IV 特性曲线。通过对其进行相应的偏置电压设置，然后进行仿真扫描以获取相关的特性结果。图４为Ｎ型 IBＣ太阳能电池的 I－V 特性曲线，图 5为其内 \ 外量子效率曲线。 2.4 器件仿真结果１）Ｎ型 IBＣ太阳能电池衬底参数对于硅衬底参数，其中主要的参数 [１3] 为衬底厚度与少子寿命，还有衬底电阻率，这与衬底掺杂浓度有关，不同少子寿命的衬底材料的衬底厚度对太阳能电池转化效率的仿真结果，如图６所示。不同少子寿命的衬底材料的Ｎ型 IBＣ太阳能电池转换效率曲线，如图 7所示。２）Ｎ型 IBＣ太阳能电池发射区参数在Ｎ型 IBＣ太阳电池中 [１４] ，发射区表面浓度及结深为两个重要的参数 [１5] ，其显著影响光生载流子复合。修改发射结结深和表面浓度，其仿真结果如图 8所示。同时，探究这两参数对太阳能电池的转换效率图 3 Ｎ型 IBＣ太阳能电池光谱响应图６不同衬底厚度和少子寿命情况下的 IBＣ太阳电池转换效率图 5 内 \ 外量子效率曲线图４Ｎ型 IBＣ太阳能电池 I－V 特性曲线－１６－ E ff 值的影响，并探究发射结表面浓度与结深对相应的电池转换效率 Eff 值的影响，所获取的曲线如图９所示。 2.5 仿真结果分析对于单晶硅衬底材料，当少子寿命为 5００ μ s 时，相应的衬底厚度合适范围为６０～ 7０ μ ｍ， IBＣ太阳电池转换效率可达到２２．４5 。当少子寿命减小时，相应的衬底厚度的合适值减小。对于发射区参数研究结果显示发射区表面浓度越大、结深越深， IBＣ太阳电池效率也就越高。当发射区表面浓度为 5 １０２０ｃｍ－3 ，结深为１ μ ｍ时，转换效率高达２3．35 。所以整体分析而言，两区域参数对Ｎ型 IBＣ太阳能电池的性能影响并不统一，在设计工艺过程中需要对其各自的工艺参数做出适当调整，以便使太阳能电池性能更加稳定，更具优势且效率更高。具体数值需要彼此参考，以形成最佳工艺参数组合。根据以上研究，对于Ｎ型 IBＣ太阳能电池工艺参数进行优化处理，发射区结深控制在１ μ ｍ，发射区表面浓度控制在 5 １０２０ｃｍ－3 ，同时衬底厚度控制在６０ μ ｍ，衬底硅电阻率控制２ Ω ．ｃｍ，其少子寿命选择为 5００ μ s 。对优化后的器件模型进行仿真计算，其结构如图１０所示，其 I－V 特性曲线如图１１所示。不难发现，虽最终的转换效率得到相应的提高，但距离最佳状态仍有一定的距离，所以对于整个 IBＣ太阳能电池的优化工艺研究仍需继续，该电池还具有较大的提升空间 [１６] 。 3 结束语Ｎ型背结背接触式（ IBＣ）太阳能电池是一种新型结构的高效率太阳能电池，在现实社会中已能够实现量产。由于其背结背接触式结构，在较大程度上不受电极限制，在生产技术和效率提升方面均具有改进空间，所以在未来发展进程中拥有一定的潜力。本文使用 silvaｃｏＴＣＡD 软件对其进行建模仿真，并对图１０优化后的仿真结构图９不同发射区表面浓度和结深（ d ）对 IBＣ太阳电池 Eff 的影响图 8 不同发射区表面浓度和结深 d对 IBＣ太阳电池短路电流密度的影响图 7 不同衬底电阻率和少子寿命情况下， IBＣ太阳电池转化效率何志伟，等Ｎ型 IBＣ太阳能电池的工艺研究－１7 －电子设计工程２０１7 年第１5 期其具体的工艺参数进行相关方面的研究与优化，最后对最终的结果进行总结，得出Ｎ型 IBＣ太阳能电池最合适的工艺参数组合，并加以仿真获取结果验证其合理性。参考文献 [１]张炳烨，谢洪丽，方铉，等．原子层沉积ＡlO_x 薄膜对单晶硅太阳能电池钝化机制的影响 [J]．发光学报，２０１６， 37（２）１９２－１９６． [２]李斐．单晶硅太阳能电池扩散工艺与电学特性仿真研究 [D]．长沙中南大学，２０１０． [3] ＰraveenKuｍar ， MiｃｈaelＰfeffer ， BenjaｍinWillsｃｈ， et al．Ｎ－type single －ｃrystalline Si sｏlar ｃells Frｏnt side ｍetalliｚatiｏn fｏr sｏlar ｃells reaｃｈing ２０ effiｃienｃy [J]． Sｏlar Energy Materials and Sｏlar Ｃells ，２０１６， Vｏluｍe １57２００－２０8． [４]宋登元，熊景峰．高效率 n 型 Si太阳电池技术现状及发展趋势 [J]．半导体光电，２０１3 ， 3４（ 3） 35１－35４． [5] M． Belarbi ， M． Begｈdad ，Ａ． Mekeｍeｃｈe． Siｍula - 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