高方块电阻发射极晶硅太阳电池计算模拟研究

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1、高方块电阻发射极晶硅太阳电池计算模拟研究基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题（20113601120006） 黄海宾1，周慧敏2，丁晶2，周浪1作者简介：黄海宾（1982-），男，讲师，硅基太阳电池. E-mail: haibinhuang1.51.51.51.51.51.51.5Photovoltaic Engineering School, Nanchang University, Nanchang, 330031;Jinko Solar Co. Ltd. ;Jinko Solar Co. Ltd.;Photovoltaic Engineering School, Na

2、nchang University, Nanchang, 330031南昌大学太阳能光伏学院;江西晶科能源有限公司;江西晶科能源有限公司;南昌大学太阳能光伏学院330031;13576906107;0791-83969329;江西南昌学府大道999号南昌大学材料楼;haibinhuang;haibinhuang;haibinhuang;lzhou黄海宾（1982-），男，讲师，硅基太阳电池;黄海宾;周慧敏;丁晶;周浪Huang Haibin;Zhou Huimin;Ding Jing;Zhou Lang黄海宾高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题（20113601120006）1.51

3、.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*赵雷, 周春兰, 李海玲, 等. 单晶硅太阳电池发射极的模拟优化J. 太阳能学报, 2009, 30(12):1587-1591.2*|*期刊*|*Zhao J H. recent advances of high-effciency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materialsJ. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2004, 82(1)

4、: 53-64.3*|*论文集*|*Yelundur V, Nakayashiki K, Hilali M, et al. Implementation of a homogeneous high-sheet-resistance emitter in multicrystalline silicon solar cellsC. Conference Record of the 31th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. New York: IEEE, 2005: 959-962.4*|*论文集*|*Ebong A, Upadhyaya V,

5、Rounsaville B, et al. 18% large area screen-printed solar cells on textured MCZ silicon with high sheet resistance emitterC. Conference Record of the 4th IEEE Photovoltaic Energy Conversion. New York: IEEE, 2006: 1326-1329.5*|*期刊*|* Hilali M M, Nakayashiki K, Ebong A, et al. High-efficiency (19%) sc

6、reen-printed textured cells on low-resistivity float-zone silicon with high sheet-resistance emittersJ. Progress in Photovoltaic: Research and Applications. 2006, 14(2): 135-144.6*|*论文集*|* Clugston D A, Basore P A. PC1D version 5: 32-bit solar cell modeling on personal computersC. 26th IEEE Photovol

7、taic Specialists Conference. Anaheim, CA, 1997: 207-210.*|1|黄海宾|Huang Haibin|南昌大学太阳能光伏学院|Photovoltaic Engineering School, Nanchang University, Nanchang, 330031|黄海宾（1982-），男，讲师，硅基太阳电池|江西南昌学府大道999号南昌大学材料楼|330031|haibinhuang|0791-83969329|13576906107|2|周慧敏|Zhou Huimin|江西晶科能源有限公司|Jinko Solar Co. Ltd. |h

8、aibinhuang|3|丁晶|Ding Jing|江西晶科能源有限公司|Jinko Solar Co. Ltd.|haibinhuang|4|周浪|Zhou Lang|南昌大学太阳能光伏学院|Photovoltaic Engineering School, Nanchang University, Nanchang, 330031|lzhou|高方块电阻发射极晶硅太阳电池计算模拟研究|SIMULATION STUDY ON THE PROPERTIES OF THE C-SI SOLAR CELLS WITH HIGH SHEET RESISTANCE EMITTER|高等学校博士学科点专项

9、科研基金新教师类资助课题（20113601120006）（1. 南昌大学太阳能光伏学院；2. 江西晶科能源有限公司）摘要：针对高方块电阻发射极的P型晶硅太阳电池，采用PC1D对其发射极的方块电阻以及结深与掺杂浓度的匹配对晶硅太阳电池性能的影响进行了模拟分析。分析结果表明：提高发射极方块电阻有利于太阳电池效率的提高；但会导致可获得较高转化效率的发射极结深范围变窄，最优效率对应的结深变浅；且方块电阻越高，浅结对太阳电池效率提高的效果越显著。关键词：太阳电池；硅；方块电阻；发射极；结深中图分类号：O472+.8SIMULATION STUDY ON THE PROPERTIES OF THE C-S

10、I SOLAR CELLS WITH HIGH SHEET RESISTANCE EMITTERHuang Haibin1, Zhou Huimin2, Ding Jing2, Zhou Lang1(1. Photovoltaic Engineering School, Nanchang University, Nanchang, 330031;2. Jinko Solar Co. Ltd.)Abstract: In this paper, the effects of the sheet resistance of the emitter, also the co-operation of

11、the depth and the doping concentration of the emitter for the same sheet resistance, on the properties of the p-type c-Si based solar cells are studied. It is shown that the increasing of the sheet resistance is beneficial for improving the properties of the solar cells, but it would reduce the rang

12、e of the emitters depth, which is suitable for high efficiency solar cells. With increasing of the sheet resistance, the depth of emitter for the highest efficiency would become shallower and the properties of the solar cells are more sensitive with the shallow depth of the emitter. Key words: solar

13、 cells; c-Si; sheet resistance; emitter; depth of the emitter0 引言晶硅太阳电池是目前太阳电池市场的主流产品，优化其结构和制造工艺以提高转化效率，对太阳电池市场的稳步发展具有重要意义。在晶硅太阳电池结构中，发射极的深度（结深）和其中的掺杂元素的浓度分布对电池的性能具有决定性的影响。高掺杂浓度，浅发射极深度有助于晶硅太阳电池性能的提高1。但在生产中对这两个参数进行实时检测较为困难，通常以发射极的方块电阻对发射极的性能进行衡量，普遍认为方块电阻的提高有利于太阳电池性能的提高。对于P型硅片电池，发射极的方块电阻已经由40cm向100cm发

14、展25。同一个方阻值可由多种掺杂浓度和结深匹配获得，但只有部分匹配有利于获得高效太阳电池；且随着方块电阻的变化，适合高效太阳电池的匹配范围也会相应的发生变化。据我们了解，对高方块电阻（100cm）发射极对电池性能的影响的理论分析较少，这可能与目前扩散工艺制备超浅发射极难以控制有关。随着技术发展，对晶硅太阳电池发射极的结构性能控制必将更加精确，研究更宽范围的发射极方阻及其结深与掺杂元素的分布对电池性能的影响对未来太阳电池技术的发展具有指导意义。因此，本文采用PC1D软件，对前述问题进行计算模拟分析，以期能对P型晶硅电池的制结工艺的发展提供一定的参考指导。1 太阳电池结构模型及参数设置PC1D是一

15、款非常适合晶硅太阳电池研究的一维半导体光电特性模拟软件6。本文采用如图1所示太阳电池结构。硅片为P型；发射极为N型，磷元素掺杂，具备绒面和背电场结构。在进行发射极的模拟优化前，我们对器件的体少子寿命、背场厚度及掺杂浓度、表面复合速率等进行了优化分析，并结合产业化中具体的数据，我们选定如表1所示的器件结构参数对发射极结构进行模拟分析，光照条件采用地面标准太阳光谱AM1.5，100mW/cm2，工作温度25。其它均采用软件默认参数。图1模拟采用的电池结构示意图 Fig.1 Schematic of the solar cell for simulation本文分析过程中选择发射极的方块电阻范围为6

16、5550/，对该范围内发射极的结深与掺杂浓度的匹配对晶硅太阳电池性能的影响进行研究。表1 模拟中所采用的太阳电池的主要结构参数Table1. the main structure parameters of the solar cells for simulation结构参数取值电池片面积/cm2100金字塔织构角度/54.75金字塔织构深度/m3电子前表面复合速率/cms-11000空穴前表面复合速率/cms-11000硅片厚度/m200硅片电阻率/cm1.57电子体少子寿命/s15空穴体少子寿命/s15背场结深/m0.06电子背表面复合速率/cms-11000空穴被表面复合速率/cms-1

17、1000前接触电阻/0.015后接触电阻/0.0152 结果与讨论2.1 对发射极方块电阻、结深固定情况下掺杂元素的分布规律对晶硅太阳电池性能影响的分析设定发射极的方块电阻为72/，结深统一为0.5m，发射极掺杂浓度的分布采用A1A4四种形式的分布形态，如图2(a)所示。其中A1、A2、A3为Erfc(余误差)分布，但分布峰值的位置依次加深；A4为uniform(突变结)分布。从A1到A4，PN结界面越来越陡峭，最终变化为突变结。 图2 (a) 发射极中P元素的浓度（CP）从表面到电池内部（深度用X表示）的分布情况，方块电阻均为72/，结深均为0.5m。A1-A4含义见文中说明。图(b)(e)

18、为四个样品对应的Isc（短路电流）、Voc（开路电压）、FF（填充因子）、（转化效率）的对比Fig.2 (a) profile of the phosphorous in the emitters. The sheet resistance is kept at 72/, the depth of the emitters is 0.5m. Means of symbol A1A4 are shown in the text. (b)(e) show the Isc, Voc, FF and of the samples.由计算结果可以看出：PN界面陡峭，有利于太阳电池的短路电流、开路电压和填

19、充因子的提高，从而使得太阳电池的效率有所增加，但各项指标增加的幅度并不显著。所以我们认为在结深固定的情况下，掺杂元素的分布形态对电池效率的影响不显著，太阳电池的效率基本是由发射极的方块电阻决定的。2.2 对方块电阻固定情况下结深和掺杂浓度的匹配对太阳电池性能影响的分析以下分析中，发射极掺杂元素的分布规律选定为uniform（突变结分布），方块电阻的分析范围为65550/，结深变化范围为0.052.00m。掺杂浓度由PC1D软件根据方块电阻和结深自动计算获得，因掺杂浓度由方块电阻和结深决定，所以在以下分析中只出现方块电阻和结深。分析结果如图3所示，可见发射极方块电阻和结深对太阳电池的Isc（短路

20、电流）、Voc（开路电压）、FF（填充因子）、（转化效率）均有明显影响。 图3 (a)(d)是不同方块电阻情况下发射极结深(D)对太阳电池的Isc、Voc、FF和的影响。因方块电阻固定情况下结深与掺杂浓度是一一对应的关系，所以此处仅以结深表示。Fig.3 (a)(d) the effects of the depths of the emitters on the Isc, Voc, FF and of the solar cells with same sheet resistance for the emitters. For the doping concentration is dec

21、ided by sheet resistance and emitters depth, the doping concentration is neglected here.对于短路电流(图3(a)，同一方块电阻情况下，浅结高浓度掺杂有利于晶硅太阳电池短路电流的提高；但随着方块电阻的增加，这种影响的趋势减缓。不同方块电阻之间的对比可知方块电阻的提高有利于短路电流的提高，但当方块电阻高于150/后，这种提高的趋势减弱，尤其是在浅结情况下。方块电阻和掺杂元素的分布对开路电压也有明显影响(图3(b)。随着方块电阻的增加，在发射极结深在0.052.0m范围内开路电压的变化趋势发生显著变化。方块电阻低

22、于150/时，随厚度增加开路电压先增加后趋于稳定，基本在0.50.8m范围内达到最优值；方块电阻大于150/时，随厚度增加开路电压下降。随着方块电阻的增加获得的最高开路电压增大，最高开路电压对应的发射极结深变浅。由图3(c)可得，相同方块电阻条件下，随着发射极结深的增加，填充因子略有增加，但增加的幅度较小；且随着方块电阻的增加，增加趋势更加放缓，尤其是在较大结深情况下，当方块电阻为550/时，随着结深的增加，填充因子甚至开始出现下降的趋势。对于太阳电池的转换效率，由图3(d)可见，相同方块电阻的情况下，转换效率在结深一定的范围内时可保持较高的稳定值，这一范围随着方块电阻的增加逐步向较小结深值移

23、动，且维持高转化效率的结深范围变窄。随着发射极方块电阻在65550/范围内增加，太阳电池可获得的最高转换效率一直增加。可认为在这一范围内可通过提高发射极方块电阻来提高太阳电池的效率，但必须对结深和掺杂浓度进行合理的匹配。图4给出了方块电阻和厚度匹配可获得的转换效率的等高线图，可给予实际生产以参考。由图可见，随着转化效率的提高，对结深和方阻的可取值范围变窄，生产中对于均匀性和精确性的控制要求提高。虽然目前P扩散制结工艺较难获得均匀性良好的方阻大于100/的发射极，但随着工艺的进步及发射极制备方法的改进，最终应可得到优质的高方阻发射极结构。图4方块电阻(R)和结深(D)匹配可获得的转换效率分布的等

24、高线图Fig.4 contour map of the efficiencies decided by the sheet resistance and the depth of the emitters综合对图3和图4的分析我们认为，整体说来，方块电阻的提高有利于太阳电池性能的提高；浅结高浓度掺杂有利于电池性能的提高，且随着方块电阻的提高浅结高浓度对太阳电池性能的影响更加显著。但随着方块电阻的提高，电池的性能对结深变化的响应更加敏感，这将对发射极制结工艺的均匀性和稳定性提出更高的要求。3 结论采用PC1D软件对晶硅太阳电池的高方块电阻发射极的方块电阻以及发射极中掺杂元素分布对电池性能的影响进

25、行了研究。研究结果表明：a)相同方阻，相同发射极深度情况下， PN结界面越陡峭，太阳电池性能越优异，主要体现在短路电流、开路电压和转化效率的提高，但该因素对电池性能的影响程度较小。b) 发射极方块电阻的提高对电池性能的改善效果显著。c) 方块电阻一定时，太阳电池效率在发射极深度的合理范围内均可维持在较优值；但随着发射极方块电阻的提高，最优效率值对应的发射极结深越来越浅，且可维持高太阳电池转化效率的结深范围变窄，浅结发射极对太阳电池性能的提高效果更加显著。参考文献 (References)1 赵雷, 周春兰, 李海玲, 等. 单晶硅太阳电池发射极的模拟优化J. 太阳能学报, 2009, 30(1

26、2):1587-1591.2 Zhao J H. recent advances of high-effciency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materialsJ. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2004, 82(1): 53-64.3 Yelundur V, Nakayashiki K, Hilali M, et al. Implementation of a homogeneous high-sheet-res

27、istance emitter in multicrystalline silicon solar cellsC. Conference Record of the 31th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. New York: IEEE, 2005: 959-962.4 Ebong A, Upadhyaya V, Rounsaville B, et al. 18% large area screen-printed solar cells on textured MCZ silicon with high sheet resistance e

28、mitterC. Conference Record of the 4th IEEE Photovoltaic Energy Conversion. New York: IEEE, 2006: 1326-1329.5 Hilali M M, Nakayashiki K, Ebong A, et al. High-efficiency (19%) screen-printed textured cells on low-resistivity float-zone silicon with high sheet-resistance emittersJ. Progress in Photovoltaic: Research and Applications. 2006, 14(2): 135-144.6 Clugston D A, Basore P A. PC1D version 5: 32-bit solar cell modeling on personal computersC. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Anaheim, CA, 1997: 207-210.