局域非晶硅发射极的晶硅异质结太阳电池模拟研究-solarbe文库

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局域非晶硅发射极的晶硅异质结太阳电池模拟研究汇报人王俊仕南昌大学物理与材料学院南昌大学光伏研究院 Content 目录 01 研究背景及意义 03 结果与讨论 02 物理模型和模拟参数 04 结论 1 01 研究背景和意义 2 一、研究背景和意义目前氢化非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池是光伏领域中的一个研究热点，其中氢化非晶硅层带来的寄生吸收一直没有得到有效地解决 Holman等人从理论上证明，通过减少寄生吸收，异质结太阳电池的相对效率可以提高 5以上硅基异质结太阳电池中使用叉指背接触技术， HITIBC电池结构非常复杂具有局域 p-n结的新型非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池（ a-SiH/c-Si heterojunction with localized p–n structure，简称 HACL电池）研究背景和意义 3 HIT太阳电池 HBC太阳电池 02 2.1 物理模型 2.2 模拟参数物理模型与模拟参数 4 二、物理模型与模拟参数器件模型该器件结构是一种局域非晶硅发射极的晶硅异质结双面太阳电池结构。以 n型晶体硅片为基底。 5 发射极面发射极 -导电区本征非晶硅钝化层重掺杂 p型非晶硅层金属栅线钝化 -进光区重掺杂 n型晶体硅场钝化层 SiNx钝化减反射层发射极面背电场面二、物理模型与模拟参数器件模型（ a） HACL电池的结构示意图；（ b） HACL电池俯视图钝化 -进光区和导电区之间插入一层绝缘层以对这两个区域进行绝缘处理。钝化进光区域和导电区域交叉分布不重叠。 6 二、物理模型与模拟参数物理模型研究使用的是 Silvaco TCAD 软件的 ATLAS器件仿真模块仿真方法是基于泊松方程和电子、空穴连续性方程。 d i v    − 1 n n n n div J G R tq  −  𝜕𝑝 𝜕𝑡 − 1 𝑞𝑑𝑖𝑣𝐽𝑝 𝐺𝑝 −𝑅𝑝 7 二、物理模型与模拟参数物理模型 8 a-SiH带隙态密度类受主态指数带尾态高斯带隙态类施主态指数带尾态高斯带隙态二、物理模型与模拟参数模拟参数与模拟条件模拟中使用的主要参数数值计算方法为 Newton迭代法和 Gummel迭代法物理模型 Shockley-Read-Hall SRH 复合模型、俄歇复合模型（ auger）、光学复合模型（ optr）掺杂浓度相关的迁移率模型（ conmob），重掺杂导致的带隙变窄模型 bgn。光照条件为 AM1.5G， 100mW/cm2，考虑双面面进光，温度为 300K。 9 材料参数 /单位 a-SiHp a-SiHi a-SiHn c-Sin c-Sin/p 厚度 /nm 10 10 10 1.5*105 20 电子亲和势 /eV 3.8 38 3.8 4.05 4.05 带隙 /eV 1.72 1.72 1.72 1.12 1.12 介电常数 11.9 11.9 11.9 11.9 11.9 导带有效态密度 /cm-3 2.5*1020 2.5*1020 2.5*1020 2.8*1019 2.8*1019 价带有效态密度 /cm-3 2.5*1020 2.5*1020 2.5*1020 1.04*1019 1.04*1019 电子迁移率 /cm2.v-1.s-1 10 20 10 1350 1350 空穴迁移率 /cm2.v-1.s-1 2 5 2 450 450 施主浓度 /cm-3 0 0 1*1019 3*1015 1*1018 受主浓度 /cm-3 6*1018 0 0 0 1*1018 03 3.1 钝化进光区和绝缘层宽度对HACL电池性能的影响 3.2 发射极宽度对 HACL电池性能的影响 3.3 钝化进光区掺杂浓度对 HACL电池性能的影响 3.4 基底掺杂浓度对 HACL电池性能的影响结果与讨论 3.5 优化后的电池性能 10 三、结果与讨论 3.1钝化进光区和绝缘层宽度对 HACL电池性能的影响以绝缘层宽度为第二参数，模拟钝化进光区宽度对电池各项性能的影响 11 三、结果与讨论 3.1钝化进光区和绝缘层宽度对 HACL电池性能的影响 SiNx绝缘层的宽度变化对电池的开路电压，填充因子影响较小。在绝缘层宽度较小时（ 1μm） ,短路电流密度对钝化进光区的宽度变化比较敏感当钝化进光区宽度为 1200μm，绝缘层宽度为 100μm时，电池取得最大转换效率。 12 三、结果与讨论 3.1钝化进光区和绝缘层宽度对 HACL电池性能的影响钝化进光区绝缘层发射极区 HACL电池发射极面附近电势电场图钝化进光区和绝缘层的宽度选取要平衡光吸收面积增大带来的增益和载流子横向输运距离增大带来的复合损耗。 13 高低结朝向基底电场光生少子驱离基底表面横向输运收集三、结果与讨论 3.2发射极宽度对 HACL电池性能的影响发射极宽度对 HACL电池性能的影响发射极面附近不同区域光生载流子的产生率发射极覆盖的基区光生载流子的产生率低发射极宽度增加，短路电流密度下降。发射极宽度增加，串联电阻减小，填充因子增加。 14 三、结果与讨论 3.3钝化进光区掺杂浓度对 HACL电池性能的影响 15 ⚫ 除了在高掺杂处短路电流密度下降的幅度有所不同，其他性能参数变化趋势几乎是一样的。 ⚫ 短路电流密度一开始略有上升，随后基本保持不变，当掺杂浓度比较高时，短路电流密度开始下降 ⚫ 开路电压先缓慢上升后快速下降 ⚫ 填充因子先略有下降后快速上升 ⚫ 转化效率先缓慢上升随后快速下降发射极面钝化进光区掺杂浓度和背电场面钝化进光区掺杂浓度对 HACL电池性能的影响三、结果与讨论 3.3钝化进光区掺杂浓度对 HACL电池性能的影响 16 不同掺杂浓度下发射极面钝化进光区附近的俄歇复合速率、电场强度，其中 X轴 0到 0.02范围是重掺杂钝化进光区 ⚫ 随着掺杂浓度的提高，钝化进光区的俄歇复合速率迅速提高，重掺杂的钝化进光区与基底形成的高低结处的电场强度也迅速增大。 ⚫ 高低结处的电场强度增大可以更好的反射光生载流子，从而减少表面复合 ⚫ 当钝化进光区的掺杂浓度变得很高时，钝化进光区的俄歇复合开始对电池的性能产生比较大的影响三、结果与讨论 3.4基底掺杂浓度对 HACL电池性能的影响基底掺杂浓度变化对 HACL电池影响短路电流密度随基底掺杂浓度增大而减小开路电压随基底掺杂浓度升高而略微下降填充因子一开始随掺杂浓度的增大而增大，后面略微下降。转换效率，数值上呈现先上升后下降 17 三、结果与讨论 3.4基底掺杂浓度对 HACL电池性能的影响不同基底掺杂浓度下基底的光生载流子的复合率、产生率从图（ a）可以看到，随着基底掺杂浓度的提高，除了靠近迎光面部分区域，基底大部分区域的光生载流子复合率都提高，而从图 b可以看到，光生载流子的产生率不随基底掺杂浓度的提高而提高，那么在基底的光生载流子数量相对变少。 18 三、结果与讨论 3.5参数优化后的电池性能经初步模拟优化的参数有当钝化进光区、绝缘层和发射极区的面积比为 1212，前后钝化进光区掺杂浓度（ 3*1018 cm-3 ），基底掺杂浓度（ 4*1016 cm-3）。 19 04 结论 20 四、结论 1、钝化进光区宽度主要通过影响短路电流密度来影响转换效率，较窄的绝缘层宽度是优化钝化进光区宽度取得最佳转换效率的前提。 2、电池的转换效率随着钝化进光区宽度、发射极宽度、钝化进光区掺杂浓度、基底掺杂浓度的数值增加都呈现先上升后下降的规律。 3、优化后钝化进光区、绝缘层和发射极区的面积比为 12 1 2，钝化进光区掺杂浓度为 3*1018cm-3 ，基底掺杂浓度取 4*1016cm-3；在仍有优化空间的情况下 HACL电池的转换效率达到 28.07 利用 ATLAS软件建立了一种局域非晶硅发射极的晶硅异质结太阳电池（ a- SiH/c-Si heterojunction with localized p-n structure， HACL）模型，模拟了钝化进光区宽度、绝缘层宽度、发射极宽度、前后钝化进光区掺杂浓度、电池基底的掺杂浓度对 HACL电池的影响结果表明 21 谢谢大家敬请各位老师指导