选择性发射极太阳电池的结构和性能

选择性发射极太阳电池的结构和性能

传统的bsf单晶硅太阳电池通常采用高混合、平扩散、p-n结的工艺。每个结的深度和表面杂质的浓度几乎相同。而在选择性发射极太阳电池的不同区域,掺杂浓度、表面浓度Ns和扩散结深Xj是不同的。总的来说,相对于常规BSF太阳电池,这种结构可以提高太阳电池的开路电压Voc,短路电流Isc,和填充因子F.F.,从而使电池获得高的光电转换效率。本文对这种结构的提高光生载流子的收集率、提高太阳电池的输出电压、降低太阳电池的串联电阻、减小光生少数载流子的表面复合和减小扩散死层的影响而改善扩散层的整体性能等机理进行分析。1.3浅扩散区的td-p-n结选择性发射极结构有两个特征:1)在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区;2)在其他区域(活性区)形成低掺杂浅扩散区,这样便在低掺杂区和高掺杂区交界处获得的一个横向n+/n高低结,并在电极栅线下获得一个n+/p结,而在非电极区形成与常规BSF太阳电池一样的p-n结。所以与常规BSF太阳电池相比,选择性发射极太阳电池电极栅线处多一个横向n+/n高低结和一个横向n+/p结。如果考虑扩散区单边突变掺杂,可以用图1和图2分别表示。2选择性发射极结构的优点2.1qvp/p具有很强的接触势垒能与常规BSF太阳电池相比,选择性发射极太阳电池电极栅线处多一个横向n+/n高低结和一个横向n+/p结。在这些扩散结中,也有内建电场的存在。这些内建电场有利于N+区和N区的空穴往P区汇集,而P区的电子往N区和N+区汇集。这两种结构的能带图如图3和图4所示。图中,qVp+p为p+/p高低结的接触势垒高度;qVpn为p/n结的接触势垒高度;qVn+n为n+/n结的接触势垒高度;q是电子的电荷量;EF为本征费米能级;EC为导带底;EV为价带顶。对比该两图可知:与常规BSF太阳电池相比,选择性发射极太阳电池更有利于提高光生载流子的收集,尤其提高短波光生载流子的收集率。2.2接触势垒的计算如图3所示,由半导体理论知道,常规BSF太阳电池的接触势垒可以如下表示:qVD1=qVp+p+qVpn=kΤlnΝ+AΝA+kΤlnΝA+ΝDn2i=kΤlnΝ+AΝDn2i(1)qVD1=qVp+p+qVpn=kTlnN+ANA+kTlnNA+NDn2i=kTlnN+ANDn2i(1)而如图4所示,选择性发射极太阳电池的接触势垒可以如下表示:qVD2=qVp+p+qVpn+qVnn+=kΤlnΝ+AΝA+kΤlnΝA+ΝDn2i+kΤlnΝ+DΝD=kΤlnΝ+AΝ+Dn2i(2)qVD2=qVp+p+qVpn+qVnn+=kTlnN+ANA+kTlnNA+NDn2i+kTlnN+DND=kTlnN+AN+Dn2i(2)式中,k是波耳兹曼常数;T是热力学温度;N+A、NA、ND、N+D分别为P+、P、N、N+区的掺杂浓度。所以有:VD2>VD1,也就是说,与常规BSF太阳电池相比,选择性发射极太阳电池可以提高了太阳电池的输出电压。2.3掺杂浓度的影响太阳电池的串联电阻由电极金属的体电阻、金属与半导体的接触电阻、扩散层的薄层电阻、基区的体电阻组成。其中,要求金属与半导体之间形成良好的欧姆接触。金属和半导体的接触电阻和半导体的掺杂浓度有密切的关系。掺杂浓度越高,接触电阻越小。表征金属与半导体的接触特性时,常使用比接触电阻Rc来描述:Rc=[∂J∂V]-1V=0(3)Rc=[∂J∂V]−1V=0(3)对于低掺杂(<1019cm-3)半导体,热电子发射是主要的电流传输机制,比接触电阻表达为:Rc,low=kqRΤexp[ϕbkΤ](4)Rc,low=kqRTexp[ϕbkT](4)而对于更高的衬底掺杂浓度(≥1019cm-3),势垒宽度变得足够小,隧道效应成为主要的导电机制,Rc与掺杂浓度的关系更为紧密,Rc的数值会下降几个数量级,比接触电阻可表示为:Rc,high∝exp[4π(m*εrε0)12h(VD√ΝD)](5)Rc,high∝exp[4π(m∗εrε0)12h(VDND√)](5)以上各式中,R是里查逊常数;ϕb是有效势垒高度;m*是载流子的有效质量;εr是硅的相对介电常数;ε0是真空介电常数;h是普朗克常数;ND是半导体的掺杂浓度;VD是半导体一边的电势。例如,金属一边的电势ϕb在0.6V左右,硅的掺杂浓度在1019cm-3附近时,Rc的值约为0.1Ω·cm2;掺杂浓度在5×1019cm-3附近时,Rc的数值大约为10-3Ω·cm2;掺杂浓度在1020cm-3附近时,Rc的数值大约为10-5Ω·cm2。所以在太阳电池中,在半导体与金属接触处,采用高的表面浓度(如1020cm-3)和相对较深的结深,相比在其他各处都采用一样的较低的表面杂质浓度(如1019cm-3)和结深是可以获得更低的接触电阻的。这就是说,相比之下,选择性发射极太阳电池可以获得更低的欧姆接触,从而获得更小的串联电阻。而且,深的扩散结可以防止电极金属向结区渗透,减少电极金属在禁带中引入杂质能级的几率。这样,在烧结电极时可以采用相对高的温度和相对长的时间,而使得硅片与金属电极之间的接触更加牢靠、良好。另外,由开路电压Voc与掺杂浓度的关系(见图5),可知非电极区域的掺杂浓度最好是在1019cm-3左右。而半导体的掺杂浓度在1020cm-3时可以和金属形成好的欧姆接触,当掺杂浓度再增高时,重掺杂效应会带来能带的收缩,反而使太阳电池的开路电压Voc下降,因此硅片与电极接触的地方(即电极区)的掺杂浓度最好为1020cm-3左右。2.4表面复合速度s半导体器件的特性和光生载流子的寿命在很大程度上受到半导体表面复合的影响。表面复合是指在半导体表面发生的复合过程。半导体的复合可以分为三种:1)辐射复合(Radiativerecombination),2)俄歇复合(Augerrecombination),3)通过复合中心的复合(Recombinationviadefects)。半导体表面的悬挂键、表面的深能级中心、表面特有的缺陷(与这些对应的电子能态称为表面态)都能在禁带中形成有效的复合中心能级,因此,就复合机构来讲,表面复合主要是通过复合中心的复合。单位时间单位面积内,在半导体表面复合掉的电子(或空穴)数,称为表面复合率Us。表面复合率Us与表面处非平衡少数载流子浓度ΔPs成正比,即:Us=SΔPs(6)上式中比例系数S表示表面复合的强弱,具有速度的量纲,称为表面复合速度。文献中给出了S的表达式。对N型半导体材料:S=kΤσvthΝstf(nS0)√n2S0-4n2inS0evS/kΤ(7)f(nS0)=ln[1+nS02nichEg2kΤ+(shEg2kΤ)√(nS02ni)2-11+nS02nichEg2kΤ-(shEg2kΤ)√(nS02ni)2-1]S=kTσvthNstf(nS0)n2S0−4n2i√nS0evS/kT(7)f(nS0)=ln⎡⎣⎢1+nS02nichEg2kT+(shEg2kT)(nS02ni)2−1√1+nS02nichEg2kT−(shEg2kT)(nS02ni)2−1√⎤⎦⎥显然,S的大小不仅与表面处复合中心的俘获截面σ、载流子热运动的速度vth、单位表面积内的复合中心总数(即表面态密度)Nst、无光照时表面处的电子浓度nS0、本征载流子浓度ni、半导体的禁带宽度Eg有关,而且还随着表面势垒的高度vS增大而增大。由于无光照时表面处的电子浓度nS0等于该处的有效掺杂浓度Neff,当杂质完全电离时,nS0等于掺杂浓度。所以表面复合速度S也与表面处的掺杂浓度NS有关。由(7)可知,表面处掺杂浓度越高,表面复合越严重。所以,要获得较低的表面复合速度,应采用较低的表面杂质浓度。选择性发射极太阳电池在活性区采用较低的表面杂质浓度(最好为1019cm-3左右),故,相比常规BSF太阳电池(具有较高的表面杂质浓度),可以显著地减小光生少数载流子的表面复合。另外,低的表面杂质浓度的表面钝化效果优于高的表面杂质浓度,可以进一步减少表面态密度,从而进一步减小光生少数载流子的表面复合。2.5俄歇复合系统结构太阳电池常常用扩散的方法形成PN结。常规BSF太阳电池中,在接近扩散表面的地方,杂质浓度一般比较高(在1020cm-3以上)。硅是间接带隙半导体材料,当掺杂浓度大于1017cm-3时,其体复合以俄歇复合为主。常常用复合率U来表征复合的强弱,它是指单位时间和单位体积内复合掉载流子数目。俄歇复合与掺杂浓度有密切的关系。具体可以表示为:UAuger=Cn(n2p-n2020p0)+Cp(np2-n0p2020)(8)而少数载流子的寿命定义为,非平衡少数载流子浓度ΔP和复合率U的比值,即:τ≡ΔP/U(9)可见载流子的寿命也可以反映复合的强弱:τ越长,复合越弱,反之,τ越短,复合越严重。因此,N型半导体材料的少数载流子的俄歇复合寿命为:τAuger=1Cnn2+CpnΔΡ(10)τAuger=1Cnn2+CpnΔP(10)在低注入的情况下,非平衡少数载流子的浓度可以忽略,载流子的俄歇复合寿命可表示为:τAuger=1/(Cn·N2D)(11)以上各式中,Cn和Cp分别为电子和空穴的俄歇复合系数,Cn=(1.7～2.8)×10-31cm6/s,Cp=(0.99～1.2)×10-31cm6/s;n为电子浓度;p为空穴浓度;n0为热平衡时电子浓度;p0为热平衡时空穴浓度;Δp=p-p0,为非平衡空穴浓度;ND为半导体材料的掺杂浓度。以N型半导体材料为例,当掺杂浓度为ND=5×1018cm-3时,代入(11)式得:τAuger≈0.14～0.24μs,可见俄歇复合严重地限制了少数载流子寿命的提高。因此,常规BSF太阳电池中,在接近半导体扩散表面的地方(约为1000Å左右的范围内),因杂质浓度比较高,严重的俄歇复合会使得这一区域失去效用,这就是通常所说扩散死层。由于选择性发射极太阳电池在活性区(即非电极区)采