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在高效晶体硅电池中,目前国内外研究热点是HIT电池和TOPCon电池,它们分别采用本征氢化非晶体硅/掺杂非晶体硅和氧化硅/掺杂多晶体硅,实现对晶体硅前后表面进行全面钝化和选择性载流子输运,这种选择性全钝化接触对提高太阳能电池的开路电压(VOC)和填充因子(FF)起到非常关键的作用。尽管HIT电池的效率达到了 26.7%,但是人们对其物理机理的了解仍然有限。在HIT的制造过程中存在许多参数,例如厚度、掺杂浓度、少子寿命、缺陷复合、电阻率等,对电池性能起着重要的作用。为了利用HIT在表面钝化方面的优势并同时克服与传统晶体硅电池制造工艺不兼容的问题,在2013年人们开发了一种新型结构电池-TOPCon电池。尽管TOPCon电池效率得到了快速提高,目前已经达到了 25.8%,但是器件中的一些基本物理机理尚未完全被理解。本文利用AFORS-HET软件对HIT和TOPCon太阳能电池进行了理论模拟,为高效晶体硅太阳能电池的设计与优化提供借鉴与参考。模拟优化结构为 TCO/n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-Si/i-a-Si:H/p+-a-Si:H/TCO 的 HIT 电池各层厚度、掺杂浓度、禁带宽度的最佳值。研究结果表明(i)发射层n-a-Si:H的最佳厚度为5nm,掺杂浓度为1.0×1020cm-3,禁带宽度为1.8eV。其中随着发射层厚度的增大会提高对光的吸收,降低衬底的吸光比例,电池转换效率出现恶化;掺杂浓度的提高会增加电离出的电子浓度,提高结区电场强度,有利于光生载流子的分离,若掺杂过高载流子复合增强会降低效率;较大的禁带宽度有利于降低长波光子的吸收,提高基区吸收低能量的光子。(ii)缓冲层i-a-Si:H的最佳厚度为5nm,禁带宽度为1.6eV时电池电池效率可以达到最佳,原因在于此时本征缓冲层厚度存在的寄生吸收和寄生电阻最低。(ⅲ)衬底p+-c-Si的最佳掺杂浓度为1017cm-3数量级,若掺杂过大就会造成B-O键的大量产生,降低少子寿命,所以衬底的浓度必须是低掺杂。(iV)背场p-c-Si:H的最佳厚度为5nm,最佳的掺杂浓度为1.0× 1020cm-3,禁带宽度为1.8eV,这和发射层的情况类似,因为背场的加入增大了场强的大小,有利于提高电子-空穴对的分离,提高电流密度。模拟分析了 TCO功函数对n型和p型HIT电池的影响和差异。结果表明:WTCO的大小会影响能带的弯曲程度,p型HIT前接触WTCO的最佳范围是3.9-4.4eV,当WTCO越大就会造成n-a-Si:H能带向上弯曲,界面势垒加大,阻碍被积累的电子,对Jsc产生负面效应,而背接触WTCO的选择大于5.1eV能带具有更好的匹配性。同理可以得出n型HIT前后WTCO最佳范围分别是5.4-6.3eV和3.6-4.0eV。对比得到p型HIT前接触WTCO 比 n型的前接触WTCO选择要小,但背接触WTCO要比n型背接触WTCO大。异质结的界面态和悬挂键密度是影响HIT电池的关键因素。研究发现,Dit1和Dit2态能造成大量缺陷复合,严重恶化性能输出,必须将其钝化至低于1012cm-2;悬挂键密度Ntr越大就会引起空间电荷区从晶体硅c-Si表面向非晶硅a-Si:H转移,造成非晶硅的耗尽层拓宽,这会导致空穴在界面处积累,复合效应显著增强,电池效率降低明显。双面TOPCon电池比单面TOPCon电池发电量高,因为双面电池提高了光子的利用率,增大了光生载流子的分离。氧化硅的加入以及与重掺杂多晶硅层形成的完美结构具有优越的钝化能力和载流子选择性,这使得多子隧穿变得容易,少子会被阻碍,降低了复合几率。其中最佳的SiO2厚度为1.2nm,此时降低界面态密度显著,并随着厚度增大,扩大了电子准费米能级的间距,这有利于开路电压和电流密度的提高。但是厚度大于1.2nm时,效率将显著降低,这表明多子隧穿与SiO2厚度有很大的关系,必须要是高质量的薄层;最佳的背场多晶硅的掺杂需达到1020cm-3的数量级,显然这是重掺杂。薄层SiO2与重掺杂的多晶硅结构具有很好的降低前后表面载流子复合的能力,其中抑制背面载流子复合要强于抑制前表面复合能力,这就是场效应的钝化机制。SiO2薄层之所以有强烈的钝化效果,可以归结于SiO2存在介孔结构,这为钝化提供了有利条件,为多子隧穿几率提供更多的可能。模拟分析了温度和光强的改变对HIT和TOPCon电池的影响和差异。研究表明,随着温度的递增,Voc会降低,而Jsc会升高,并且Voc的影响程度显著大于Jsc,原因是温度的递增会减小带隙的大小。相同的温度变化对HIT电池的Jsc比 TOPCon的Jsc更具稳定性,原因在于HIT 比 TOPCon电池具有更低的温度系数;随着光强的增大,对Jsc和Voc都是增大的,但对Jsc的影响程度显著大于Voc的影响,此时FF的变化不在具有简单的函数关系,主要是Jsc与光强成正比。相同的光强变化,TOPCon电池的Voc比 HIT电池的Voc更具稳定性,原因在于TOPCon 比 HIT的Voc具有更低的光强系数。