PERC电池背表面开膜参数的模拟及优化-白焱辉-顺德中山大学.pdf-solarbe文库

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第第第第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（（（（ CPVC14））））论文集论文集论文集论文集 22 PERC 电池背表面开膜参数的模拟及优化电池背表面开膜参数的模拟及优化电池背表面开膜参数的模拟及优化电池背表面开膜参数的模拟及优化白焱辉1，王学孟1，梁宗存1,2，刘良玉3，邓幼俊2，艾斌1,2 1.顺德中山大学太阳能研究院，佛山 528300； 2.中山大学太阳能系统研究所，广州 510006； 3.国家光伏装备工程技术研究中心、中国电子科技集团公司第四十八研究所摘摘摘摘要要要要钝化发射极和背表面太阳电池（ Passivated emitter and rear cell是高效晶体硅电池的主流技术之一。由于该结构复杂的工艺步骤，一直没实现大规模生产。随着激光技术的发展，发射极的选择性掺杂和背表面的局域开膜工艺都得到了很大简化， PERC 电池在工业化生产中具有了更大的竞争力。本文利用 PC2D 二维模拟软件对 PERC 电池进行了器件模拟和背表面开膜参数优化的研究。通过选取背表面线的方式建立了二维器件模型，系统地模拟分析了 PERC 电池背面钝化质量，背表面场，背接触电阻对电池转换效率的影响程度，及对背面开膜宽度及金属化比例的影响，最后得到不同情况下最优化的背表面开膜参数。关键词关键词关键词关键词钝化发射极和背表面太阳电池；线开膜；模拟计算；参数优化 1 引言引言引言引言钝化发射极和背表面太阳电池（ Passivated emitter and rear cell， PERC 是实验室最早研究的高效太阳电池技术，也是目前最适于工业化生产的高效太阳电池之一。 PERC 结构极大地减少了表面复合，显著提高开路电压和短路电流，从而提高转换效率。遗憾的是，由于背面金属接触面积减小，会使串联电阻增大，又限制了转换效率的提高，同时使得填充因子也变小。实验室最高效率为澳大利亚新南威尔士州太阳能研究所达到的 23.2[1]，但使用的硅基底为高成本的区熔硅，并且工艺繁琐，在工业化生产中很难实现。为了发展高效晶体硅太阳电池， PERC 电池的的工艺在不断简化，竞争力不断增强。工业上使用直拉硅已达到 19.5的平均效率 [2]。在简化的 PERC 工艺中，关键的是背面金属接触的实现。现在主流的方式是激光开膜，丝网印刷铝电极。激光开膜的面积比例会影响到串联电阻和短路电流。由于激光的作用，会使开膜处的表面复合速率增大，从而减小电流。然而，开膜比例小又会使背面金属接触面积减小，增大了串联电阻。因此提高电池的效率，主要是优化背接触电阻与开膜处表面复合速率的影响。本文通过模拟分析背接触电阻和背表面复合速率的对电池转换效率的影响，得出不同情况下 PERC 电池背面最优开膜比例。器件模拟因具有大幅缩短研究周期、显著降低研发成本和获得更多电池内部信息等方面的优势，成为了研发过程中不可或缺的重要技术手段。研究者们已使用第第第第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（（（（ CPVC14））））论文集论文集论文集论文集 23 很多专业性软件，如 Sentaurus对 PERC电池经行了三维模拟 [3]，但其参数的设置较复杂，使用有限元分析等方法，对普通研究者来说较难掌握。本文将利用简单便捷的二维模拟软件 PC2D进行模拟分析。 2 对对对对 PERC电池的模拟和分析电池的模拟和分析电池的模拟和分析电池的模拟和分析 2.1 PERC电池模拟结构的建立电池模拟结构的建立电池模拟结构的建立电池模拟结构的建立 PC2D是由美国 Hanwha Solar 公司的 Basore和 Cabanas-Holmen于 2011年发布的一款用于晶体硅太阳电池二维模拟的软件 [4], 它是一个包含宏计算的 Excel工作本 . 使用 Excel作为软件界面 , 不仅降低了对电脑的硬件要求 , 而且由于其界面已被大多数用户所熟悉而更宜于操作。 PC2D是一个开源软件 , 所使用的物理和数值模型在工作本中均可见 , 用户可以根据自己的需要对工作本进行修改。由于 PC2D是二维模拟软件，软件作者已经给出了 SE， IBC， EWT等二维高效晶体硅电池模型。本文为了进行对 PERC电池的模拟，需要进行全新的建模。传统的背面点接触 PERC电池为三维结构，但考虑到试产中大部分使用激光线开膜，本文只考虑背面线接触结构。这样既符合对称的二维结构，又可以解决生产中的实际问题。图 1为 PERC电池结构图。可以看出电池的最小重复单元为两栅线之间的区域（此处背面线开膜的间距取值和栅线间距相等，便于模型的建立）。模拟区域为栅线间距一半的区域，和另一半区域镜面对称，模拟面积为 1cm2。图 1 PERC 电池结构需要指出的是 PC2D 可以结合 PC1D 进行模拟，通过 PC1D 计算边界条件，对电池的主要参数都可以进行模拟。对于 PERC 电池，我们关心的背表面复合速率，背表面场的影响，背接触电阻，背面扩展电阻，基底电阻率对电池的影响都可以准确地分析，并得出电池转换效率，填充因子的参数。 2.2 模拟参数的设置模拟参数的设置模拟参数的设置模拟参数的设置模拟中最重要的是参数的设置，本文主要是为了获得不同情况下最优化的开膜比例。首先定义开膜比例（也称金属化比例） f fa/p 其中 a 为背面线开膜的宽度， p 为背面线开膜的间距，本文中和栅线间距相等。通过改变 a 的宽度即可改变 f 值。 PC2D 中所用空间波长乘数及复合电流密度等边界条件由 PC1D 拟合所得，所需基本参数为工业化常规电池基本数值，如表 1[5]。第第第第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（（（（ CPVC14））））论文集论文集论文集论文集 24 表 1 基本参数器件结构参数设置基区（ p区）厚度 d170µm，掺杂浓度 N11016cm-3，少子寿命 τ200µs 掺杂区（ n区）方阻 R□75Ω/□，结深 dn0.34µm，前表面复合速率 S11103cm/s 栅线栅线数目 90根，宽度 60µm，栅线表面复合速率 S21107cm/s 减反射层折射率 n2.05，厚度 78nm 串联电阻 r0.4779Ω·cm2（不包括背部电阻）背接触区域复合速率为 9104cm/s，背高低结深 3.6µm，方阻 62Ω/□ 2.3 背钝化质量对背钝化质量对背钝化质量对背钝化质量对 PERC电池效率的影响电池效率的影响电池效率的影响电池效率的影响目前常用的钝化技术有 SiNx， SiO2， AlOx等。不同的钝化膜都能达到较好的钝化效果，根据文献，钝化后背表面复合速率都可达到 10cm/s以下 [6-8]，但考虑到工艺的不稳定性，钝化质量会出现波动，因此本文选取背表面复合速率 10cm/s， 50cm/s， 80cm/s进行了模拟，分析背面钝化质量对电池性能的影响程度。模拟结果如图 2所示。此处所设背面铝硅接触特征电阻 ρc为 30mΩ·cm2[9], 则背表面接触电阻为 Rcρc/f。图 2 电池转换效率在不同背表面复合速率下随金属化比例的变化趋势图图 2所示为不同钝化质量情况下电池转换效率随金属化比例的变化趋势图。由于 PC2D精度的限制，所得拟合曲线不够光滑，但可以清晰地观察到变化趋势及最高效率点。从图可知，背表面钝化处复合速率从 10cm/s增加到 50cm/s时，最高效率由 20.22降到 20.12，可以注意到电池转换效率随金属化比例的变化比较平缓，并且都是在 f16时取的最大值。这种变化缓慢现象主要是因为背表面场的作用，在形成良好的背高低结时，背面开膜比例较高时取得最大转换效率，这种现象非常符合 PERL电池的性质。 PERL电池的金属化比例明显高于 PERC电池，并且电池效率明显提高，实验室最高达到 24.7[10]。复合速率由 50cm/s增加到 80cm/s时，最高转换效率从 20.12降到 20.01，降低的速度明显加快，最优金属化比例变化也较大，由 16变为 18。可见当钝化质量持续降低时，钝化作用的影响程度增大，最高转换效率的取得点会趋向于金属化比例高的方向，直到和常规电池一样，背面全部金属化，钝化效果消失。在模拟转换效率的同时，也得出了填充因子的变化趋势，图 3即为不同背表面钝化处复合效率情况下填充因子随金属化比例的变化情况。由图可知，当钝化质量较高时，即背表面钝化处复合效率较小时，填充因子会有所提高，但提高的幅度在减小。可见在钝化效果较好时可以忽略钝化效果对填充因子的影响。在同一复合第第第第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（（（（ CPVC14））））论文集论文集论文集论文集 25 速率时，填充因子随金属化比例的增大会持续增大，但增幅越来越小。因此钝化效果对 PERC电池填充因子的影响较小。为了大幅提高填充因子，进一步提高电池转换效率，可以着重分析背表面场和背面电极接触电阻对电池性能的影响。下面分析背表面场对电池效率的影响。图 3 填充因子在不同背表面复合速率下随金属化比例的变化趋势图 2.4 背表面场对背表面场对背表面场对背表面场对 PERC电池的影响电池的影响电池的影响电池的影响图 4 有背结和无背结时电池转换效率随金属化比例的变化趋势由图 4可以看出背表面场对电池的影响。当没有背场形成时，电池转换效率取得最大值 19.90时的金属化比例为 11，而有背表面场时取得最大转换效率为 20.22，对应金属化比例为 16。电池转换效率相差 0.32，可见背表面场对背接触电池的影响之大，正如前面所分析的 PERC电池和 PERL电池的区别。此外，对于 PERC电池，即没有背表面场的电池，金属化比例超过最优点时，转换效率会大幅降低，这就对激光开膜过程中功率稳定性要求极高，要确保运行在阈值范围内。而 PERL电池在金属化比例较高时，转换效率变化非常缓慢，阈值范围较大，对激光功率的稳定性要求较低。 2.5 背接触电阻对背接触电阻对背接触电阻对背接触电阻对 PERC电池的影响电池的影响电池的影响电池的影响图 5 不同背接触电阻情况下，电池转换效率随金属化比例的变化趋势由于 PERC电池较难形成有效的背表面场。为了获得较高的填充因子和较高的转换效率，可以进一步研究背接触电阻对电池效率影响。此处，假设电池没有形成背表面场，取背接触电阻分别为 10mΩ·cm2， 20mΩ·cm2， 30mΩ·cm2进行模拟。由图可见取得最高转换效率时金属化比例随着接触电阻的减小明显变小。最高效率分别为 20.21， 20.02， 19.90，对应的金属化比例分别为 6， 9， 11。电池转换效率差值分别为 0.19和 0.12。随着背接触电阻的减小，转换效率增加幅度和最优金属化比例减小幅度都在增大。因此，背接触电阻对电池的影响也是重中之重。有研究表明背接触电阻可减小到第第第第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（（（（ CPVC14））））论文集论文集论文集论文集 26 0.05mΩ·cm2以下 [11]。因此，在没有背表面场的情况下，也可大幅提高电池的转换效率。 3 模拟结论模拟结论模拟结论模拟结论本文利用 PC2D对 PERC电池进行了器件模拟和关键参数的分析。首先通过背面线开膜的结构设置了二维电池模型，然后对背面钝化效果，背表面场及背接触电阻这三个主要因素进行了重点模拟分析。模拟实验得出的结论为背表面钝化处复合速率较小时，随着它的减小，对效率的提升作用会减缓，对最优金属化比例的影响更小，同时钝化效果对 PERC电池填充因子的影响也较小。背表面场对背接触电池的作用最大，本文中 20.22的最高效率为有背表面场时获得，比无背表面场高出 0.32。有背表面场的电池金属化比例阈值较大，在较大金属化比例才会取得最大转换效率，并且随着金属化比例进一步增大，转换效率降低非常缓慢，这样就对激光功率稳定性要求较低；而无背表面场电池，背面金属化比例阈值非常小，当超过最优值时，电池转换效率会大幅降低，因此对激光功率稳定性要求极高。背接触电阻对电池的影响也很大，随着背接触电阻的减小，转换效率增加幅度和最优金属化比例减小幅度都在增大，因此背接触电阻的减小会对电池性能达到事半功倍的效果。同时发现利用 PC2D对 PERC电池的模拟，模拟方式简便，模拟参数全面，可以对 PERC电池进行系统的分析，可以更好的分析独立因子对电池效率的影响，帮助我们确定正确的研究方向。本文中得到的最高效率比目前最高试产电池 19.5的效率提高 0.72，提高幅度达到 3.69，可见 PERC电池的工业化生产还有较大发展潜力。之后还应该对背面开膜处复合速率，体电阻，基底厚度等参数进行分析优化，对 PERC电池进行更深入的研究。感谢感谢感谢感谢 PC2D的开发者 Paul Basore和 Kirsten Cabanas-Holmen。参考文献参考文献参考文献参考文献 [1] A.W.Blakers,et al 1989 Appl.Phys.Lett 55 1363 [2] Zhuo Xu,et al 2013 PVSC IEEE 39th 1307 [3] Mauro Zanuccoli,et al 2012 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 59, 5 1311 [4] Paul A.Basore,et al 2011 IEEE J,Photovoltaics,11 72 [5] 贾晓洁， et al 2014 物理学报 , 63,6 068801 [6] Lauinger T,et al 1996 Applied Physics Letter 68 1232 [7] Blakers AW,et al 1986 Applied Physics Letters 48 215 [8] G. 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