基于太阳电池性能影响评估的发射层和缓冲层缺陷态密度检测方法

摘要

一种太阳电池制造技术领域的基于太阳电池性能影响评估的发射层和缓冲层缺陷态密度检测方法，根据非晶硅内态密度分布的原始数据建立非晶硅层中的缺陷态分布模型用于计算陷入缺陷态中的电荷，得到修正泊松方程并进一步求出空间电荷区和内建电场的变化，实现基于缺陷态密度对HIT电池性能的影响评估，从而求得最优化的缺陷态密度，用于设置工艺生产中的钝化与清洗操作。与现有技术相比，本发明可靠性高且更加全面。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种太阳电池制造技术领域的方法，具体是一种基于太阳电池性能影响评 估的发射层和缓冲层缺陷态密度检测方法。

背景技术

目前，大规模开发利用太阳能光伏发电的核心在于提升太阳电池的光电转换效率和降低太 阳电池的生产成本。带有本征薄层的非晶硅/单晶硅异质结太阳电池，即HIT太阳电池，可以 用200℃以下的低温非晶硅沉积技术来替取代传统晶硅电池生产工艺中的高温过程，因而有望 成为单晶硅电池的廉价替代物，在实现低价高效太阳电池方面具有非常重要的应用前景。目前， 日本的三洋电机公司在2011年研发的HIT太阳电池已经实现23.0％的转换效率，而世界上其 他研究组均无法达到20％以上。因此，为了能研发出转换效率超过20％的高效HIT电池，对 电池结构进行理论模拟来评估HIT电池各方面因素对获得高效率的影响，优化结构参数这方 面的工作，具有十分重要的意义。

经对现有HIT太阳电池模拟方面文献的检索发现，如Rahmouni等人在《美国应用物理杂 志(J.Appl.Phys.)》(第107卷，第054521-1到054521-14页，2010年)上发表的“载流子输 运和N型单晶硅衬底的带有本征薄层的异质结太阳电池：计算机模拟研究(Carrier transport  and sensitivity issues in heterojunction with intrinsic thin layer solar cells on N-type crystalline  silicon：A computer simulation study)”，该文在模拟HIT结构上采用了简单的缺陷态分布模 型，忽略了在极薄的非晶硅层中会存在大量缺陷态，甚至产生显著陷阱效应的可能性。事实上， 正是这种简单的、不完整的处理导致HIT电池发射层和缓冲层中缺陷态密度对电池性能影响 没有被充分考虑。这在准确评估HIT电池各方面因素对获得高效率的影响，指导实际生产方 面是不能令人满意的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于太阳电池性能影响评估的发射层和缓 冲层缺陷态密度检测方法，与现有技术相比，本发明可靠性高且更加全面。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明根据非晶硅内态密度分布的原始数据建立非晶 硅层中的缺陷态分布模型用于计算陷入缺陷态中的电荷，得到修正泊松方程并进一步求出空间 电荷区和内建电场的变化，实现基于缺陷态密度对HIT电池性能的影响评估，从而求得最优 化的缺陷态密度，用于设置工艺生产中的钝化与清洗操作。

所述的缺陷态分布模型是指：根据非晶硅体材料内态密度分布的实验测量结果，建立由指 数分布的带尾态和双高斯分布的悬挂键能级组成的带间缺陷态分布模型，具体如下：

指数分布的导带带尾态N_Ctail和价带带尾态N_Vtail：

$N_{\mathrm{Ctail}}\left(E\right)=\underset{E_V}{\overset{E_C}{\int }}{N}_{\mathrm{OC}}\exp \left(\frac{E-E_C}{E_{\mathrm{OC}}}\right)\mathrm{dE}$

$N_{\mathrm{Vtail}}\left(E\right)=\underset{E_V}{\overset{E_C}{\int }}{N}_{\mathrm{OV}}\exp \left(\frac{E_V-E}{E_{\mathrm{OV}}}\right)\mathrm{dE},$其中：E_C和E_V为导、价带边，N_OC和N_OV代表在导价带边单位能量范围内的态密度，E_OC和E_OV为导价带的乌尔巴赫能量；

双高斯分布的类施主悬挂键能级N_tD和类受主悬挂键能级N_tA：

$N_{\mathrm{tD}}=\underset{E_V}{\overset{E_C}{\int }}{N}_D\exp [-\frac{{(E-E^{0/+})}^2}{2{(\mathrm{FWHM}/2)}^2}]\mathrm{dE}$

$N_{\mathrm{tA}}=\underset{E_V}{\overset{E_C}{\int }}{N}_A\exp [-\frac{{(E-E^{-/0})}^2}{2{(\mathrm{FWHM}/2)}^2}]\mathrm{dE},$其中：N_D和N_A为缺陷态密度峰值， E^0/+与E^-/0为高斯峰能量位置，FWHM为半峰宽。

所述的修正泊松方程是指：从经典的Shockley-Read-HaH(SRH)复合理论模型出发，考虑 材料内类施主能级和类受主能级密度相等的对称情况下，推导出陷入缺陷态内的电荷总数的积 分计算公式Q_t，具体为：考虑陷入缺陷态内的电荷总数后，异质结空间电荷区内的泊松方程修 正为：

$\frac{{\partial }^{2}V\left(x\right)}{{\partial x}^2}=\frac{q}{ϵ}[-N_A\left(x\right)+N_D\left(x\right)+p\left(x\right)-n\left(x\right)+Q_t\left(x\right)];$

其中：V、x、q、ε分别代表电势，结构位置坐标，电子电荷和介电常数；N_A、N_D、p、n 分别为掺杂受主浓度，掺杂施主浓度，自由空穴浓度和自由电子浓度；Q_t为陷入缺陷能级的总 电荷数，直接反应了缺陷态密度对电池性能的影响。

所述的空间电荷区和内建电场的变化是指：根据修正泊松方程，由空间电荷区边界连续条 件和电中性平衡条件，计算得到内建电场的变化和空间电荷区的宽度变化，具体如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{{\partial }^{2}V\left(x\right)}{{\partial x}^2}=\frac{q}{ϵ}[-N_A\left(x\right)+N_D\left(x\right)+p\left(x\right)-n\left(x\right)+Q_t\left(x\right)]\\ n=N_C\exp (-\frac{E_C-E_F^n}{\mathrm{KT}})\\ p=N_V\exp (-\frac{E_F^p-E_V}{\mathrm{KT}})\\ Q_t=\underset{E_V}{\overset{E_C}{\int }}\mathrm{dE}\left(\frac{p-n+N_C\exp (-\frac{E_C-E}{\mathrm{KT}})-N_V\exp (-\frac{E-E_V}{\mathrm{KT}})}{p+n+N_C\exp (-\frac{E_C-E}{\mathrm{KT}})+N_V\exp (-\frac{E-E_V}{\mathrm{KT}})}\right)N_t\left(E\right)\\ -L_p{N}_A+{\mathrm{\Sigma Q}}_{\mathrm{tp}}+\Sigma Q_{\mathrm{ti}}+L_n{N}_D=0\end{array}\right),$其中：N_C和N_V为导价 带有效态密度，E_Fⁿ和E_F^p为准费米能级位置，K和T分别为波尔兹曼常数和温度，N_t(E)为在 能量位置E处的缺陷态密度，L_p和L_n和p型和n型空间电荷区的宽度。

结果表明，非晶硅层内缺陷态密度较低时，影响不明显；但当缺陷态密度增加到接近发射 层掺杂浓度时，产生显著陷阱效应，内建电场急剧减弱，而空间电荷区大幅收缩且由单晶硅一 侧移向非晶硅一侧。

由于高缺陷态密度下内建电场和空间电荷区的变化，直接导致大量空穴在整个单晶硅区域 的堆积且无法在前电极收集，使得电池的各项性能参数大幅下降，包括开路电压，短路电流， 填充因子和转换效率。通过本发明可以评估缺陷态密度对HIT电池性能的影响，并确定最合 适的缺陷态密度选取范围，优化电池结构参数。

本发明成功地在HIT太阳电池结构模拟中引入了缺陷态密度，能准确得出HIT电池发射 层和缓冲层中缺陷态密度对电池性能的影响，解决了这部分影响因素难以估计的难题。其中， 非晶硅缺陷态分布模型是基于大量实验给出，因此结果全面可靠。该发明可以给出引发显著陷 阱效应的缺陷态密度上限，得到合适的缺陷态密度选取范围，为高效HIT电池的制备提供了 重要参考，在电池生产工艺和光伏应用中具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明非晶硅内带间态分布模型。

图2为本发明流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

以n型硅为衬底的HIT太阳电池为例，其具体结构为TCO/p-a-Si:H/ i-a-Si:H/c-Si/n⁺-a-Si:H/AlBSF，数据采用三洋电机公司的HIT电池结构参数。由于带尾态密度 不随悬挂键能级密度变化，因此非晶硅中缺陷态的增加主要来自悬挂键能级密度的上升。具体 实施步骤如下：

(1)建立发射层和缓冲层非晶硅缺陷态分布模型，设置p型非晶硅发射层的悬挂键能级 浓度在1×10¹⁸cm^-3到7×10¹⁹cm^-3范围内变动，掺杂浓度为7.5×10¹⁹cm^-3；本征非晶硅缓冲层悬挂 键能级密度固定为2.5×10¹⁶cm^-3。

(2)用上述缺陷态分布模型积分计算陷入缺陷态内的电荷总数Q_t，并将其引入修正的泊 松方程。

(3)通过步骤(2)中的修正泊松方程，计算得到内建电场和空间电荷区的变化。结果表 明：p型非晶硅发射层的悬挂键能级浓度低于1×10¹⁹cm^-3时，影响不明显；但随着缺陷态密度 增加到7×10¹⁹cm^-3时，由于接近发射层掺杂浓度，产生显著的陷阱效应，内建电场急剧减弱， 空间电荷区大幅收缩且由单晶硅一侧移向非晶硅一侧。

(4)通过内建电场和空间电荷区的变化来评估非晶硅发射层内缺陷态密度对电池性能的 影响。可以得到优化的参数范围应该是1×10¹⁹cm^-3到5×10¹⁹cm^-3，在此条件下，HIT电池可以 得到20％以上的高效率。

如图1(a，b，c)所示，图1(a)中为本征非晶硅缓冲层内的带间态分布模型，图1(b) 与图1(c)分别展示了p型与n型非晶硅薄膜内的带间态分布模型。该分布模型随掺杂浓度变 化，与深能级瞬态谱法和场效应法等实验结果能很好的符合。

实施例2

以n型硅为衬底的HIT太阳电池为例，其具体结构为TCO/p-a-Si:H/ i-a-Si:H/c-Si/n⁺-a-Si:H/AlBSF，数据采用三洋电机公司的结构参数。由于带尾态密度不随悬挂 键能级密度变化，因此非晶硅中缺陷态的增加主要来自悬挂键能级密度的上升。具体实施步骤 如下：

(1)建立发射层和缓冲层非晶硅缺陷态分布模型，设置p型非晶硅发射层的悬挂键能级 浓度固定为为4×10¹⁹cm^-3，掺杂浓度为7.5×10¹⁹cm^-3；本征非晶硅缓冲层悬挂键能级密度在 2.5×10¹⁶cm^-3到2×10¹⁹cm^-3范围内变动。

(2)用上述缺陷态分布模型积分计算陷入缺陷态内的电荷总数Q_t，并将其引入修正的泊 松方程。

(3)通过步骤(2)中的修正泊松方程，计算得到内建电场和空间电荷区的变化。结果表 明：当本征非晶硅缓冲层缺陷态密度增加到5×10¹⁸cm^-3时，陷入缺陷态内的电荷引入了明显的 背景掺杂，内建电场急剧减弱，空间电荷区大幅收缩导致空穴在单晶硅区域大量堆积无法在前 电极收集。

(4)通过内建电场和空间电荷区的变化来评估非晶硅缓冲层内缺陷态密度对电池性能的 影响。可以得到优化的参数范围应该低于5×10¹⁸cm^-3，在此条件下，HIT电池可以得到20％以 上的高效率。