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硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽能電池是利用非擴(kuò)散的n型單晶硅(c-Si)襯底和兩個(gè)極性相反的非晶硅基選擇性接觸，作為下一代鈍化接觸式太陽能電池的一種有前途的技術(shù)。本文建立了一個(gè)基于Richter理論的數(shù)值模型來模擬最近獲得的效率為25.11%的SHJ太陽能電池的性能。

串聯(lián)電阻率(Rs)分析表明，ptype (ρc,p)和n型(ρc,n)接觸電阻率之和的上界為0.073Ω cm2。在更新的接觸電阻率下，Brendel公式估計(jì)的SHJ太陽能電池的理論極限效率為28.5%，與雙面隧道氧化鈍化接觸(TOPCon)太陽能電池的28.7%相當(dāng)。由SHJ的p型觸點(diǎn)和TOPCon的n型觸點(diǎn)組成的混合結(jié)構(gòu)原則上可以達(dá)到28.9%的極限效率，顯示了混合結(jié)構(gòu)太陽能電池的潛力。

1. 簡介

光伏界普遍認(rèn)為，n型硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）和隧道氧化物鈍化接觸（TOPCon）太陽能電池是走向下一代鈍化接觸技術(shù)的兩條最有前途的路線，展示了高效的太陽能電池和顯著的效率潛力。表1總結(jié)了經(jīng)認(rèn)證的SHJ和TOPCon太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，包括交錯(cuò)式背接觸（IBC）結(jié)構(gòu)。

與鈍化發(fā)射器和后部（PERC）太陽能電池相比，SHJ和TOPCon采用金屬電極與硅材料的間接接觸，從而大大減少了電接觸處的載流子重組，提高了太陽能裝置的開路電壓（VOC）。

近年來，Brendel等人發(fā)表了一系列的文章，介紹和模擬了太陽能設(shè)備。 發(fā)表了一系列文章，介紹并模擬了硅基太陽能電池的載流子選擇性接觸，并分析評估了載流子選擇性和接觸面積分?jǐn)?shù)的理論極限效率。

這個(gè)模型吸引人的地方在于，這些載流子選擇性接觸的行為與具體的電池結(jié)構(gòu)無關(guān)，因此，極限效率只依賴于接觸的特性，即表面重組電流（J0）和接觸電阻率（ρc）。因此，通過各種載流子選擇性接觸的概念來探索具有普遍性的基準(zhǔn)是非常有利的。

一個(gè)典型的SHJ太陽能電池由未擴(kuò)散的n型單晶硅（c-Si）晶片組成，其兩側(cè)由全面積的本征/摻雜非晶硅（a-Si:H）薄膜堆、反式導(dǎo)電氧化物（TCO）電極和銀網(wǎng)格指鈍化。優(yōu)秀的表面鈍化和消除金屬/硅的接觸使其具有標(biāo)志性的高VOC。

另一方面，SHJ太陽能電池的串聯(lián)電阻率（Rs）通常被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)更高效率的門控因素，因?yàn)樗ㄟ^電阻性的內(nèi)在非晶硅[a-Si:H(i)]薄膜傳輸，在c-Si/p-接觸界面的價(jià)帶勢壘上的熱離子/場發(fā)射，以及準(zhǔn)金屬半導(dǎo)體a-Si:H/TCO界面的肖特基障礙。

實(shí)際上，最近的研究表明，SHJ中的載流子傳輸會(huì)復(fù)雜得多，而且TCO功函數(shù)對Rs的影響可以通過工藝優(yōu)化而減弱。然而，在存在多種載流子傳輸機(jī)制的情況下，專門針對SHJ太陽能電池的Rs分析對SHJ開發(fā)者來說仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。特別是，根據(jù)文獻(xiàn)，SHJ太陽能電池中p/n接觸的ρc值，對Brendel模型非常重要，在某種程度上是分散的，一致性不強(qiáng)，如表2所列。

2019年，漢能制造的前后結(jié)構(gòu)SHJ太陽能電池實(shí)現(xiàn)了25.11%的轉(zhuǎn)換效率，并通過了認(rèn)證。

表1SHJ和TOPCon太陽能電池的部分認(rèn)證轉(zhuǎn)換效率和VOC。

t.a.：總面積;a.p.：孔徑面積;d.a.：指定面積

表2 SHJ太陽能電池中p/n觸點(diǎn)的接觸電阻率（ρc）。

 exp.：來自實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)。sim.：來自模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)。

ISFH，填充系數(shù)（FF）為84.98%，是所有SHJ太陽能電池中報(bào)告的最高值。此前，Kaneka證明了FF為83.5%，SHJ-IBC結(jié)構(gòu)為84.65%。遞增的FF主要是由減少的Rs驅(qū)動(dòng)的。在這項(xiàng)工作中，我們使用一個(gè)數(shù)值模型來模擬25.11%能效的SHJ太陽能電池的性能。根據(jù)模擬結(jié)果，我們試圖分解總的Rs，并估計(jì)該設(shè)備中p/n接觸的ρc值。最后，根據(jù)Brendel的理論，我們將重新評估SHJ太陽能電池的理論極限轉(zhuǎn)換效率。

2. SHJ太陽能電池的建模

最近，我們開發(fā)了一個(gè)專門用于SHJ太陽能電池模擬的基于Richter理論的數(shù)值模型。魯對SHJ太陽能電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在這項(xiàng)工作中，我們假設(shè)一個(gè)兩邊都有隨機(jī)直立金字塔的晶硅片作為吸收體。由于在清洗過程中的化學(xué)圓角步驟，Green-Lambertian光捕集被認(rèn)為是非理想的，即產(chǎn)生一個(gè)小于4n2的平均光路長度。在正面，吸收器由a-Si:H(i)、n型微晶硅-n-氧-鋁合金[μc-SiOx:H(n)]、氧化銦錫（ITO）和抗反射的氟化鎂（MgF2）層。

在后部，本征和p型非晶硅[a-Si:H(p)]層在光學(xué)建模中被省略，因?yàn)樗鼈儗Χ搪冯娏鳎↗SC）的貢獻(xiàn)在晶圓厚度大于50μm時(shí)是可以忽略的。在這樣的硅片厚度下，只有近紅外光可以通過晶體硅吸收器，而后部具有大帶隙的非晶硅幾乎可以跨過這個(gè)帶隙。

然后，它將后部的光學(xué)器件簡化為ITO、空氣和理想的反射器，類似于在平面反射卡盤上測試雙面SHJ太陽能電池的情況。帶有自由載流子吸收（FCA）的c-Si、a-Si的折射率（n）和消光系數(shù)（k）。H(i) , μc-SiOx:H(n) ,ITO , 和MgF2的折射率（n）和消光系數(shù)（k）是從文獻(xiàn)中提取的，并應(yīng)用于模型，以利用反射/逃避的光，光產(chǎn)生的電流，和AM1.5G照明下的寄生損失。

模擬的SHJ太陽能電池包括一個(gè)未擴(kuò)散的n型c-Si吸收器和兩個(gè)接觸分?jǐn)?shù)為1的空白鈍化觸點(diǎn)，導(dǎo)致電氣方面的建模相當(dāng)簡單。

表3 本工作中SHJ模擬的參數(shù)和模型的摘要。


我們使用Sze和Ng給出的圖來確定摻雜物濃度，從摻磷的晶體硅的體電阻率，以及Klaassen的載流子能力。考慮到Schenk提出的帶隙變窄，本征載流子濃度（ni）是根據(jù)Altermatt的估計(jì)計(jì)算的。吸收器內(nèi)的重組機(jī)制，即輻射、奧格和肖克利-雷德-霍爾（SRH）過程，分別根據(jù)Trupke和Altermatt ,Veith-Wolf , 和Evans制定。

晶體硅表面的重組損失可以歸因于鈍化接觸的J0，或者等同于有效的表面重組速度（Seff）。按照Richter的論點(diǎn)，我們還假設(shè)一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對，而且電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米水平在整個(gè)吸收體上是恒定的。此外，還加入了發(fā)生在晶體硅吸收體外其他地方的串聯(lián)電阻率。 表3總結(jié)了模擬中包括的參數(shù)和模型。

3. 結(jié)果和討論

圖1顯示了認(rèn)證和模擬的電流-電壓（I-V）特性和外部量子效率（EQE）光譜。

25.11%效率的SHJ太陽能電池，其參數(shù)如下：體電阻率為1.1Ωcm，硅片厚度為161μm，平均 Seff 為0.8cm/s。事實(shí)證明，里希特理論仍然是SHJ太陽能電池的良好近似，我們的數(shù)值模型很好地模擬了太陽能電池的光學(xué)和電氣性能，盡管EQE光譜有微小的差異，這可能是源于（n，k）數(shù)據(jù)集。與認(rèn)證，我們得到了幾乎相同的I-V參數(shù)：VOC=747.1mV,JSC= 39.56 mA/cm2,FF= 84.98 %,和η = 25.11 %。

數(shù)值模型使我們能夠在一定程度上分解出總的Rs。如圖1a所示，從模擬的I-V中提取的總Rs特征為0.681Ω cm2，與ISFH認(rèn)證數(shù)據(jù)給出的0.683Ω cm2非常接近。受體c-Si電阻率的限制，加上吸收器內(nèi)部和兩面的所有復(fù)合機(jī)制，Rs的固有部分為0.512Ω cm2，由模擬的偽i - v曲線確定，如圖2所示，偽填充因子(pFF)為85.78%。

本征r可歸因于吸收器外部的電阻損失，這些損失來自于a-Si:H和μc- siox:H層的體積電阻率、ITO和細(xì)柵中的側(cè)向傳輸、ITO/ finger處的接觸電阻率、ITO/a-Si:H(p)[或μc- siox:H(n)]和a-Si:H(i)/c-Si界面。如果我們從ISFH認(rèn)證的數(shù)據(jù)中取r，可以推導(dǎo)出0.171Ω cm2的外部r。這與Kaneka的結(jié)果一致，Yoshikawa報(bào)告了FF = 83.8% (pFF = 85.7%)和84.65% (pFF = 85.8%)的SHJ-IBC太陽能電池的外部Rs為0.32和0.20Ω cm2。


圖1. (a) 仿真（藍(lán)線）和ISFH認(rèn)證（紅色三角形）的電流-電壓（I-V）特性，以及25.11%效率的SHJ太陽能電池的電氣參數(shù)。(b)仿真（藍(lán)線）和ISFH認(rèn)證（紅色三角形，來自光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)）外部量子效率（EQE）光譜。還列出了太陽能電池中計(jì)算的光學(xué)損失。(關(guān)于本圖例中對顏色的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡(luò)版）。


數(shù)值模型的一個(gè)限制是ρc的設(shè)置是相當(dāng)任意的，因?yàn)閍-Si:H、μcSiOx:H和ITO層的電學(xué)性質(zhì)，如能帶結(jié)構(gòu)、摻雜濃度、缺陷分布和功函數(shù)沒有嵌入計(jì)算中。因此，我們將a-Si:H和μc-SiOx:H層的所有電阻損耗，包括a-Si:H(i)/c-Si, ITO/a-Si:H(p)和ITO/μc-SiOx:H(n)界面，都?xì)w為ntype和p-typeρc。在這種情況下，我們可以估計(jì)ρc的值的上界，然后總r是：


其中，Rs,intr為本征Rs, Rs,c-f和Rs,c-r為前后兩側(cè)載流聚集引起的電阻率，ρc,p和ρc,n分別為p型和n型接觸的接觸電阻率。側(cè)向載流集在Rs中的貢獻(xiàn)可以用母線間距2L、母線寬度Wbusbar、手指間距2LT、手指寬度Wfinger、手指電阻率Rfinger inΩ/cm、手指/ITO接觸電阻率ρc、手指/ITO、ITO薄片電阻率RITO inΩ/sq來表示。

通過其中LTL/Agrid是SHJ太陽能電池的金屬化遮光率的倒數(shù)（3.9%）的SHJ太陽能電池。用傳輸線法（TLM）測得的ρc,finger/ITO是在0.001Ωcm2的數(shù)量級。公式中的其他輸入公式中的其他輸入?yún)?shù)。(2)中的其他輸入?yún)?shù)是在前面和后面的柵極測量的，并列在表4中。在前面，由于橫向收集的Rs,c-f是0.081Ωcm2。假設(shè)有一個(gè)空間上的后部電接觸，在另一側(cè)的Rs,c-r另一側(cè)的Rs,c-r為0.015Ωcm2。

我們最終得出了a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和a-Si:H(i)/μc-SiOx:H(n)選擇性接觸的ρc,p和ρc,n之和的"上限"，即0.073Ω cm2。表5列出了模擬中Rs的分解。表明a-Si:H(i)/a-Si:H(p)薄膜堆積物比a-Si:H(i)/a-Si:H(n)的ρc明顯高。

考慮到典型的μc-SiOx:H(n)比a- si:H(n)表現(xiàn)出更高的體電阻率，我們認(rèn)為假設(shè)ρc,p比ρc,n大3倍是合理的，即，ρc,p = 0.055Ω cm2和ρc,n = 0.018Ω cm2。值得注意的是，這些值是從實(shí)際設(shè)備中提取的，但TLM方法的更可靠的測量還需要進(jìn)一步確認(rèn)。

圖3.轉(zhuǎn)載于參考文獻(xiàn)。.p型（綠點(diǎn)）和n型（紅點(diǎn)）選擇性接觸的選擇性（藍(lán)線）和接觸分?jǐn)?shù)（黑線）。本工作中對p型（綠色鉆石）和n型（紅色鉆石）的最新結(jié)果。還展示了Al摻雜的p+，P擴(kuò)散的n+，以及SiOx/POLY硅(n+/p+)接觸，以進(jìn)行比較。(對于本圖例中顏色的解釋...關(guān)于本圖例中對顏色的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡(luò)版）

為了評估選擇接觸組合的選擇性和理論限制效率，Brendel模型還需要J0輸入。Schmidt對于a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和a-Si:H(i)/aSi:H(n)兩種情況[18]都使用了2 fA/cm2，這與我們的結(jié)果很好地吻合。我們制備了厚度W為53 ~ 168μm的SHJ太陽電池，并在ITO沉積前測試了有效少子壽命τeff[62]。根據(jù)1/τeff與2/W相關(guān)性，一個(gè)表面上的平均Seff為0.63 cm/s，對應(yīng)于1.1Ω cm的c-Si晶圓體電阻率的J0為2.1 fA/cm2。如文獻(xiàn)所示，理論極限效率(ηmax)是J0和ρc通過電子和空穴選擇性接觸的對數(shù)組合選擇性(S10,h&e,max)的函數(shù)，其表達(dá)式如下:


其中Vth為300 K時(shí)的熱電壓，Sh和Se分別為空穴選擇接觸和電子選擇接觸的選擇性。因此，a- si: h (i)/a- si: h (p/n)堆的空穴(S10,h)和電子(S10,e)的對數(shù)選擇性分別為14.4和14.9。圖3說明了各種選擇接觸的映射以及這項(xiàng)工作的結(jié)果。Brendel公式進(jìn)一步表明組合選擇性(S10,e&h,max)為14.0，最大效率(ηmax)為28.5%。我們最終將更新后的數(shù)字放在表6中，表3在Ref.[18]中的簡潔副本。

如上所述，在各種硅基光伏技術(shù)之間，假設(shè)兩個(gè)極性的全區(qū)域選擇性接觸，Brendel的模型對于比較理論極限效率是非常有用的。從表6中，我們可以大致歸結(jié)為5個(gè)當(dāng)前的技術(shù)趨勢(虛線括起來)，即SHJ(紅色)、PERC(黑色)、p-TOPCon(藍(lán)色)、n-TOPCon(綠色)和雙面TOPCon(橙色)太陽能電池。

不足為奇的是，SHJ和雙面TOPCon表現(xiàn)出了巨大的效率潛力，因?yàn)槠鋬?yōu)異的表面鈍化和完全消除了金屬/c-Si接觸。SHJ的限幅效率為28.5%，雙面TOPCon的限幅效率為28.7%。換句話說，這兩種技術(shù)都能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，而且效率差距并不顯著。進(jìn)一步應(yīng)用Procel的理論計(jì)算結(jié)果[31]，ρc,p = 0.022Ω cm2和ρc,n = 0.015Ω cm2，對SHJ的極限效率達(dá)到28.6%。PERC、p-TOPCon和n-TOPCon的極限效率分別為24.5%、24.9%和27.1%，主要受接觸區(qū)的高J0區(qū)限制。

此外，參考文獻(xiàn)[18]的作者指出，Brendel模型的局限性在于對非接觸區(qū)域的完全鈍化假設(shè)和對介質(zhì)鈍化層的要求(目前還沒有)，其鈍化效果優(yōu)于選擇性接觸[18]。fe,max + fh,max < 30%的接觸組合在考慮非接觸區(qū)域的復(fù)合時(shí)，效率潛力顯著降低。對于SHJ結(jié)構(gòu)，得到fe,max + fh,max = 68.3%。

眾所周知，SHJ和雙面TOPCon太陽能電池的正面都存在嚴(yán)重的寄生吸收[44,63]。另一種電子選擇性接觸使用硅:a-Si:H(i)/transition-metal--oxide可能有前途的[1],而另一方面,一個(gè)從Brendel關(guān)鍵信息的模型是一個(gè)a-Si:H(i)/a-Si:H(p)接觸孔仍優(yōu)化在實(shí)際太陽能電池設(shè)備,聯(lián)系表演和工藝可行性。

有趣的是，如果能夠?qū)-Si:H(i)/a-Si:H(p)與SiOx/poly-Si(n+)觸點(diǎn)結(jié)合，如表6所示，理論上可以得到更高的極限效率，達(dá)到28.9%。SHJ和TOPCon技術(shù)的交叉，使鈍化接觸技術(shù)開發(fā)商在追求更高的效率，并最終取得后perc光伏技術(shù)的商業(yè)成功方面面臨著普遍的挑戰(zhàn)。

表6表3的副本參考[18]，顯示組合選擇性(S10,e&h,max，左上角)，接觸面積分?jǐn)?shù)最大化效率(fe,max，右上方;fh,max，左下)和理論極限效率ηmax，右下)的計(jì)算方法是通過更新a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和a-Si:H(i)/a-Si:H(n)選擇性觸點(diǎn)的接觸電阻來計(jì)算的。已更新的號碼用紅色標(biāo)出。


4. 總結(jié)

我們建立了一個(gè)數(shù)值模型來模擬25.11% SHJ太陽能電池的性能。通過模擬，a-Si:H(i)/a-Si:H(p)的ρc、p和a-Si:H(i)/μc-SiOx:H(n)的ρc、n分別為0.055Ω cm2和0.018Ω cm2。然后我們使用Brendel的模型來重新評估SHJ太陽能電池的理論極限效率使用這些值。計(jì)算得到的極限效率為28.5%，與TOPCon雙面太陽能電池的極限效率28.7%相當(dāng)。有趣的是，結(jié)合a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和SiOx/多晶硅(n+)觸點(diǎn)，太陽能電池的極限效率為28.9%，顯示了混合結(jié)構(gòu)太陽能電池的潛力。 

原標(biāo)題：論硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的極限效率