選擇性發(fā)射極太陽電池的結構和性能

選擇性發(fā)射極太陽電池的結構和性能

傳統(tǒng)的bsf單晶硅太陽電池通常采用高混合、平擴散、p-n結的工藝。每個結的深度和表面雜質的濃度幾乎相同。而在選擇性發(fā)射極太陽電池的不同區(qū)域,摻雜濃度、表面濃度Ns和擴散結深Xj是不同的。總的來說,相對于常規(guī)BSF太陽電池,這種結構可以提高太陽電池的開路電壓Voc,短路電流Isc,和填充因子F.F.,從而使電池獲得高的光電轉換效率。本文對這種結構的提高光生載流子的收集率、提高太陽電池的輸出電壓、降低太陽電池的串聯電阻、減小光生少數載流子的表面復合和減小擴散死層的影響而改善擴散層的整體性能等機理進行分析。1.3淺擴散區(qū)的td-p-n結選擇性發(fā)射極結構有兩個特征:1)在電極柵線下及其附近形成高摻雜深擴散區(qū);2)在其他區(qū)域(活性區(qū))形成低摻雜淺擴散區(qū),這樣便在低摻雜區(qū)和高摻雜區(qū)交界處獲得的一個橫向n+/n高低結,并在電極柵線下獲得一個n+/p結,而在非電極區(qū)形成與常規(guī)BSF太陽電池一樣的p-n結。所以與常規(guī)BSF太陽電池相比,選擇性發(fā)射極太陽電池電極柵線處多一個橫向n+/n高低結和一個橫向n+/p結。如果考慮擴散區(qū)單邊突變摻雜,可以用圖1和圖2分別表示。2選擇性發(fā)射極結構的優(yōu)點2.1qvp/p具有很強的接觸勢壘能與常規(guī)BSF太陽電池相比,選擇性發(fā)射極太陽電池電極柵線處多一個橫向n+/n高低結和一個橫向n+/p結。在這些擴散結中,也有內建電場的存在。這些內建電場有利于N+區(qū)和N區(qū)的空穴往P區(qū)匯集,而P區(qū)的電子往N區(qū)和N+區(qū)匯集。這兩種結構的能帶圖如圖3和圖4所示。圖中,qVp+p為p+/p高低結的接觸勢壘高度;qVpn為p/n結的接觸勢壘高度;qVn+n為n+/n結的接觸勢壘高度;q是電子的電荷量;EF為本征費米能級;EC為導帶底;EV為價帶頂。對比該兩圖可知:與常規(guī)BSF太陽電池相比,選擇性發(fā)射極太陽電池更有利于提高光生載流子的收集,尤其提高短波光生載流子的收集率。2.2接觸勢壘的計算如圖3所示,由半導體理論知道,常規(guī)BSF太陽電池的接觸勢壘可以如下表示:qVD1=qVp+p+qVpn=kΤlnΝ+AΝA+kΤlnΝA+ΝDn2i=kΤlnΝ+AΝDn2i(1)qVD1=qVp+p+qVpn=kTlnN+ANA+kTlnNA+NDn2i=kTlnN+ANDn2i(1)而如圖4所示,選擇性發(fā)射極太陽電池的接觸勢壘可以如下表示: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是波耳茲曼常數;T是熱力學溫度;N+A、NA、ND、N+D分別為P+、P、N、N+區(qū)的摻雜濃度。所以有:VD2>VD1,也就是說,與常規(guī)BSF太陽電池相比,選擇性發(fā)射極太陽電池可以提高了太陽電池的輸出電壓。2.3摻雜濃度的影響太陽電池的串聯電阻由電極金屬的體電阻、金屬與半導體的接觸電阻、擴散層的薄層電阻、基區(qū)的體電阻組成。其中,要求金屬與半導體之間形成良好的歐姆接觸。金屬和半導體的接觸電阻和半導體的摻雜濃度有密切的關系。摻雜濃度越高,接觸電阻越小。表征金屬與半導體的接觸特性時,常使用比接觸電阻Rc來描述:Rc=[?J?V]-1V=0(3)Rc=[?J?V]?1V=0(3)對于低摻雜(<1019cm-3)半導體,熱電子發(fā)射是主要的電流傳輸機制,比接觸電阻表達為:Rc,low=kqRΤexp[?bkΤ](4)Rc,low=kqRTexp[?bkT](4)而對于更高的襯底摻雜濃度(≥1019cm-3),勢壘寬度變得足夠小,隧道效應成為主要的導電機制,Rc與摻雜濃度的關系更為緊密,Rc的數值會下降幾個數量級,比接觸電阻可表示為: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是里查遜常數;?b是有效勢壘高度;m*是載流子的有效質量;εr是硅的相對介電常數;ε0是真空介電常數;h是普朗克常數;ND是半導體的摻雜濃度;VD是半導體一邊的電勢。例如,金屬一邊的電勢?b在0.6V左右,硅的摻雜濃度在1019cm-3附近時,Rc的值約為0.1Ω·cm2;摻雜濃度在5×1019cm-3附近時,Rc的數值大約為10-3Ω·cm2;摻雜濃度在1020cm-3附近時,Rc的數值大約為10-5Ω·cm2。所以在太陽電池中,在半導體與金屬接觸處,采用高的表面濃度(如1020cm-3)和相對較深的結深,相比在其他各處都采用一樣的較低的表面雜質濃度(如1019cm-3)和結深是可以獲得更低的接觸電阻的。這就是說,相比之下,選擇性發(fā)射極太陽電池可以獲得更低的歐姆接觸,從而獲得更小的串聯電阻。而且,深的擴散結可以防止電極金屬向結區(qū)滲透,減少電極金屬在禁帶中引入雜質能級的幾率。這樣,在燒結電極時可以采用相對高的溫度和相對長的時間,而使得硅片與金屬電極之間的接觸更加牢靠、良好。另外,由開路電壓Voc與摻雜濃度的關系(見圖5),可知非電極區(qū)域的摻雜濃度最好是在1019cm-3左右。而半導體的摻雜濃度在1020cm-3時可以和金屬形成好的歐姆接觸,當摻雜濃度再增高時,重摻雜效應會帶來能帶的收縮,反而使太陽電池的開路電壓Voc下降,因此硅片與電極接觸的地方(即電極區(qū))的摻雜濃度最好為1020cm-3左右。2.4表面復合速度s半導體器件的特性和光生載流子的壽命在很大程度上受到半導體表面復合的影響。表面復合是指在半導體表面發(fā)生的復合過程。半導體的復合可以分為三種:1)輻射復合(Radiativerecombination),2)俄歇復合(Augerrecombination),3)通過復合中心的復合(Recombinationviadefects)。半導體表面的懸掛鍵、表面的深能級中心、表面特有的缺陷(與這些對應的電子能態(tài)稱為表面態(tài))都能在禁帶中形成有效的復合中心能級,因此,就復合機構來講,表面復合主要是通過復合中心的復合。單位時間單位面積內,在半導體表面復合掉的電子(或空穴)數,稱為表面復合率Us。表面復合率Us與表面處非平衡少數載流子濃度ΔPs成正比,即:Us=SΔPs(6)上式中比例系數S表示表面復合的強弱,具有速度的量綱,稱為表面復合速度。文獻中給出了S的表達式。對N型半導體材料: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√???顯然,S的大小不僅與表面處復合中心的俘獲截面σ、載流子熱運動的速度vth、單位表面積內的復合中心總數(即表面態(tài)密度)Nst、無光照時表面處的電子濃度nS0、本征載流子濃度ni、半導體的禁帶寬度Eg有關,而且還隨著表面勢壘的高度vS增大而增大。由于無光照時表面處的電子濃度nS0等于該處的有效摻雜濃度Neff,當雜質完全電離時,nS0等于摻雜濃度。所以表面復合速度S也與表面處的摻雜濃度NS有關。由(7)可知,表面處摻雜濃度越高,表面復合越嚴重。所以,要獲得較低的表面復合速度,應采用較低的表面雜質濃度。選擇性發(fā)射極太陽電池在活性區(qū)采用較低的表面雜質濃度(最好為1019cm-3左右),故,相比常規(guī)BSF太陽電池(具有較高的表面雜質濃度),可以顯著地減小光生少數載流子的表面復合。另外,低的表面雜質濃度的表面鈍化效果優(yōu)于高的表面雜質濃度,可以進一步減少表面態(tài)密度,從而進一步減小光生少數載流子的表面復合。2.5俄歇復合系統(tǒng)結構太陽電池常常用擴散的方法形成PN結。常規(guī)BSF太陽電池中,在接近擴散表面的地方,雜質濃度一般比較高(在1020cm-3以上)。硅是間接帶隙半導體材料,當摻雜濃度大于1017cm-3時,其體復合以俄歇復合為主。常常用復合率U來表征復合的強弱,它是指單位時間和單位體積內復合掉載流子數目。俄歇復合與摻雜濃度有密切的關系。具體可以表示為:UAuger=Cn(n2p-n2020p0)+Cp(np2-n0p2020)(8)而少數載流子的壽命定義為,非平衡少數載流子濃度ΔP和復合率U的比值,即:τ≡ΔP/U(9)可見載流子的壽命也可以反映復合的強弱:τ越長,復合越弱,反之,τ越短,復合越嚴重。因此,N型半導體材料的少數載流子的俄歇復合壽命為:τAuger=1Cnn2+CpnΔΡ(10)τAuger=1Cnn2+CpnΔP(10)在低注入的情況下,非平衡少數載流子的濃度可以忽略,載流子的俄歇復合壽命可表示為:τAuger=1/(Cn·N2D)(11)以上各式中,Cn和Cp分別為電子和空穴的俄歇復合系數,Cn=(1.7～2.8)×10-31cm6/s,Cp=(0.99～1.2)×10-31cm6/s;n為電子濃度;p為空穴濃度;n0為熱平衡時電子濃度;p0為熱平衡時空穴濃度;Δp=p-p0,為非平衡空穴濃度;ND為半導體材料的摻雜濃度。以N型半導體材料為例,當摻雜濃度為ND=5×1018cm-3時,代入(11)式得:τAuger≈0.14～0.24μs,可見俄歇復合嚴重地限制了少數載流子壽命的提高。因此,常規(guī)BSF太陽電池中,在接近半導體擴散表面的地方(約為1000?左右的范圍內),因雜質濃度比較高,嚴重的俄歇復合會使得這一區(qū)域失去效用,這就是通常所說擴散死層。由于選擇性發(fā)射極太陽電池在活性區(qū)(即非電極區(qū))采