PERC太阳能电池性能的模拟与优化

郭 丽， 陈 丽， 鲁贵林， 张云鹏， 李 牛

(山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046011)

引 言

目前，PERC太阳能电池技术已经成为太阳能行业高效量产的主流技术。PERC工艺是在现有工艺基础上增加氧化铝及激光开槽两个环节，产线便可实现升级总体提升1%左右。因此，PERC工艺的市场潜力较大。但目前PERC电池的转换效率提升处于瓶颈期，如何优化各工艺参数使效率有效提升是关键。普通方法通过做大量实验来实现，其成本高，耗时也长，另一种方法就是通过模拟实现，这种方法可大大节省生产成本，且方案多、见效快，并且可以从模拟结果中找到一种较优的方案，从而指导生产、减少实验次数。因此，研究这种方法对PERC太阳能电池具有一定的实际意义。

本文采用PC1D软件，它是利用完全耦合的非线性方程模拟半导体器件中电子和空穴的准一维输运过程的一种太阳能电池仿真软件。它属于半导体器件模拟软件，因其优越性已经被许多太阳能电池行业的研究开发人员所利用。本文通过调节PC1D软件模拟PERC电池参数，以期找到与光电转换效率提升有关的电阻率、方阻、金属遮光率等参数。

1 PC1D模型的建立与仿真

本文采用P型太阳能电池单晶硅片，通过制绒、扩散、抛光、正面镀减反射膜、背面钝化层、激光开槽及丝网印刷的工艺步骤，运用PC1D仿真光伏器件对PERC电池进行建模。结构模型如图1所示。

图1 PERC电池仿真结构模型

模拟过程中，发射极磷源扩散浓度分布及铝背场铝浆分布均选择余误差分布(Erfc)。在保持其中一个变量变化情况下，看其对电池性能影响。模拟主要结构参数如介电常数、带隙宽度、激发条件及内部模型的载流子迁移率等均采用软件中硅衬底默认值，其他结构参数如表1。

表1 PERC太阳能电池模拟过程采用主要结构参数

2 结果与分析

2.1 衬底材料体电阻率对电池输出特性的影响

衬底材料体电阻率的变化不仅影响电池的串联电阻Rs，还影响着填充因子FF，进而影响硅片的导电性能与电池转换效率。通过使用上述太阳能结构参数，对电阻率在1 Ω·cm～2 Ω·cm范围内的电阻率进行模拟，得到不同电阻率下的电池转换效率。从图2中可以看出电阻率在1.4 Ω·cm时，电学性能开始变差，这是因为，电阻率与载流子的迁移率及基区掺杂浓度成反比，即载流子迁移率越慢，复合就会越快，少数载流子寿命就会缩短。电阻率越高会导致电池开路电压降低，电池的转换效率也因此减小。结合目前生产实际情况，经过优化后体电阻率选择1 Ω·cm～1.4 Ω·cm。

图2 电阻率随效率变化

2.2 不同发射极结深下发射极方块电阻对电池效率的影响

发射极电阻值的直观可视性是光伏太阳能电池工艺的重要参数之一，其检测手段是通过使用四探针方阻测试仪完成方阻测量。图3中给出了5种不同结深下发射极方块电阻对电池转换效率的影响。从图3中可知，在结深相同的前提下，随着发射极方块电阻的增加，效率呈上升趋势且速度逐渐减慢变缓；当结深增大时，电池的转换效率呈现斜率增大、速度变缓的情况，直到方块电阻阻值超过110 Ω·sqare-1～130 Ω·sqare-1时，随着方块电阻继续增大，电池转换效率维持稳定不再升高，反而结深较高时，还会有效率下降的现象。这说明提高PERC电池转换效率适合采用高方阻浅结工艺，扩散推进的时间和温度、氮气流量都不易过高。这是因为，浅结高方阻降低了太阳能电池片表面少数载流子Auger复合速度[1]，提高了PERC电池短波段的光谱吸收,但这对正极银浆有特殊的要求[2]。当方阻再增大时，尽管降低了表面杂质复合中心，改善了短波响应，但由于电极栅线处的欧姆接触差，串阻高，随之电池的转换效率也较低。经过优化并结合工艺实际情况选择结深0.3 μm，方阻110 Ω·sqare-1～130 Ω·sqare-1。

图3 不同发射极结深下发射极方块电阻对电池效率的影响

2.3 不同掺杂浓度下的前表面复合速率对电池转换效率的影响

电池表面复合速率影响着电池的暗电流，进而影响电池转换效率。图4中模拟了PERC电池在不同掺杂浓度条件下，前表面复合速率对电池转换效率的影响情况。结果显示，在相同的峰值掺杂浓度下，电池的转换效率随着正表面复合速率的增大而降低，同时，随着峰值掺杂浓度增大电池转换效率也呈下降趋势，但在500 cm/s～4 000 cm/s时效率是相对稳定的。这说明降低复合速率对PERC电池的转换效率影响不大，由于少数载流子减少，复合中心增多，电池的效率自然下降；但随着发射极峰值浓度增大，方阻越大，结深越深，使得更多的少数载流子被复合，少子寿命降低，转换效率随之下降，进一步说明PERC电池适合低掺杂低表面复合速率的工艺条件。经过优化并结合目前工艺实际情况选择复合速率4 000 cm/s效果最佳。

图4 不同掺杂浓度下的前表面复合速率对电池转换效率的影响

2.4 铝背场结深对电池的影响

丝网印刷工艺在电池背面印刷时会形成铝背场，铝背场有吸杂、钝化、降低少数载流子表面复合的作用，因此背场质量、背场的结深就决定了掺杂质量及电池的性能[3]。本文模拟了背表面掺杂浓度在3×1 018 cm-3时背表面复合速率对电池转换效率的影响情况。从第16页图5可以看出，当背表面复合速率为10 cm/s～1 000 cm/s时，其对电池转换效率影响相对较弱；但背表面速率继续增大到10 000 cm/s时，电池转换效率下降的速度加快。这说明复合速率越快复合中心越多，少子寿命就越低，背电场质量也就相对较差。但随着结深增加，当背表面复合速率大于10 000 cm/s时，转换效率是递增的，这与闫丽[4]与窦智[5]的研究相一致。这是因为，铝背场与P型硅形成高低结，结深越深则少数载流子越难越过高低结到达背表面进行复合，进而提高开路电压与填充因子。加上背场背反射器的作用，把入射在背场的光线再次折返回电池内部，电池效率随之增加。

图5 铝背场结深对电池的影响

因此，结合实际情况，对电池参数进行优化后背表面复合速率小于1 000 cm/s效果较好。

2.5 不同前表面的金属电极遮光率下串阻的影响

在PC1D中，不同电池金属比例可以用所有主栅线和所有副栅线投影在硅片表面的面积之和除以电池总表面积表示。电池的串联电阻主要由电池材料的体电阻、电极电阻和电极与半导体之间的接触电阻构成。在太阳能电池中，电极栅线的增大能有效地降低串联电阻同时收集更多的电流，但栅线过大又会增加遮光面积影响电流的收集。因此如何权衡这两者，寻找最优电极栅线遮光率以达到串联电阻最小是十分有必要的。本文选择了现工业量产中几种可实现的金属遮光率进行研究。从图6可以看出，在相同的金属遮光率下，光电转换效率随着串联电阻的增加呈现线性下降趋势；金属遮光率越高光电转换效率越小，这是因为，串联电阻越大，PERC电池收集到的电流用于内能发热损耗越多，光电转换效率自然也会下降；金属遮光率主要是受电极栅线遮光影响，电极栅线比例过大，会降低电池片的光线的吸收和电流的收集，进而影响光电转化效率[6]。经过优化的金属电极遮光率为2.5%～3.0%时，效果最佳。

图6 不同串联电阻条件下的金属化遮光率对光电转换效率影响

2.6 量子效率曲线特性

从图7、表2中可以看出，优化后量子效率在小于1 050 nm波段，效果明显优于未优化时，但在大于1 050 nm时两者无差别。说明PERC电池经过各个工艺参数优化后光的利用率增加，电池光生载流子数目增多，电池内部激发了更多的电子空穴对。但波长大于1 050 nm时，优化前、后量子效率相差不大，说明对PERC电池各参数进行优化后，背钝化效果依然不太理想，长波响应差，长波利用率低，但中长波和短波利用率还是比较明显的。

图7 PERC电池优化前、后量子效率曲线

表2 优化前、后PERC电池相关电性能参数

Isc/AUoc/VFF/%EFF/%优化前8.5250.632 779.57%17.59%优化后10.0120.683 081.40%22.53%

各参数经过优化后整体效率提升4.94%，且选择的参数均考虑了经济效益并结合了工业可行的因素分析，对PERC电池的研究和生产还是有一定的指导意义。

3 结论

本文通过PC1D软件对PERC电池建立太阳能电池模型，并利用该模型对电池性能的各个工艺参数和结构进行优化并改善，研究得出：

1) 衬底材料电阻率越高电池的转换效率越差，结合生产实际情况选择电阻在1 Ω·cm～1.4 Ω·cm范围时，PERC电池的载流子迁移速率相对较快，复合较少，少子寿命也相对较高。

2) 发射区结深与方块电阻的关系说明PERC电池转换效率适合采用高方阻浅结工艺，高的电池转换效率要求结深选择0.3 μm，方阻110 Ω·sqare-1～130 Ω·sqare-1；不同掺杂浓度下，电池的转换效率随着正表面复合速率的增大而降低，高的电池转换效率要求复合速率小于4 000 cm/s。

3) 光陷阱区根据模拟结果显示：相同的金属遮光率下光电效率随着串联电阻的增加呈现线性减小趋势；金属遮光率越高光电转换效率越小。经过优化并结合现工业量产中可实现的金属遮光率选择2.5%～3.0%，效果最佳。

4) 丝网印刷模拟情况中铝背场部分：当背表面复合速率为10 cm/s～1 000 cm/s时，背表面复合速率对电池转换效率影响相对较弱；当背表面速率继续增大到10 000 cm/s时，电池转换效率下降的趋势加快；当背表面复合速率大于10 000 cm/s时，转换效率是递增的，再结合实际生产情况，背面复合速率需小于1 000 cm/s。

根据量子效率分析可知，优化后的PERC电池增加了短波与中长波波段光谱响应，并有效地利用入射光，最终提供了一种适应工业量产的、经济可行的PERC电池工业优化方案，其可将太阳能电池的光电转换效率提高至22.53%，对于行业发展还是有一定的指导意义。