论文总字数：21677字

摘 要

本文采用 HIT 结构的电池进行数值模拟，使用AFORS-HET模拟软件分析了n型带有本征层的异质结太阳电池结构的光伏特性，研究电池正面的p-a-Si层厚度和掺杂浓度、背面的n-a-Si层厚度和掺杂浓度、衬底厚度以及TCO功函数对电池性能的影响。结果表明：发射层厚度越小电池效率越高，掺杂浓度升高电池效率也越高；背面场厚度越小电池效率越高，掺杂浓度升高电池效率也逐渐升高；衬底厚度增加，电池效率逐渐增加，在250μm达到最大值，后略有下降；随着TCO功函数增大，电池效率逐渐增大。通过优化电池结构，获得n型硅异质结太阳电池的最佳性能为：V_oc=743.4mV，J_sc=40.82mA/cm²，FF=82.18%，η=24.94%。

关键词：AFORS-HET HIT太阳电池 模拟计算 电池效率

Simulation of n-type Silicon Heterojunction Solar Cells

Abstract

In this article,we have simulated the performance of the HIT solar cell by using the afors-het software.The p-a-Si layer has been selected as the emitter layer to achieve the highest efficiency of the silicon heterojunction cell.In the simulation of performance of silicon heterojunction solar cell,we have change the doping concentration and thickness of the p-a-Si emitter layer,and the doping concentration of the n -a-Si BSF layer to obtain the best parameters.We also have optimized work function of TCO to achieve the better efficiency. The results show that the smaller the thickness of the emissive layer is,the higher the efficiency of the battery is,and the higher the doping concentration is,the higher the efficiency of the battery is;the smaller the thickness of the back surface field is,the higher the battery efficiency is the higher the doping concentration is,the higher the battery efficiency is;The cell efficiency gradually increased at about 250μm and then showed a decreasing trend.With the TCO work function increasing,the cell efficiency gradually increased.By optimizing the structure,the best performance of the n-type substrate cell is: V_oc=743.4mV,J_sc=40.82mA/cm², FF=82.18%,and η=24.94%.

Key words: AFORS-HET; HIT； simulation； cell efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 HIT电池的发展状况 1

1.3 HIT太阳电池的产业化状况 2

1.4 n型HIT电池的基本结构 3

1.5 HIT太阳电池的特点 3

1.6 HIT太阳电池的制备 4

1.6.1硅片的湿化学处理 4

1.6.2 非晶硅层的沉积 5

1.6.3 TCO薄膜的沉积 5

1.7 获得高效率HIT太阳电池的途径 6

1.7.1改善a-Si:H/c-Si异质结界面性能以获得高的V_oc 6

1.7.2减少光吸收损失、遮光损失和陷光以提高J_sc 6

1.7.3减少电池的串联电阻和漏电流以提高FF 6

第二章 模拟计算原理 7

2.1 模拟软件AFORS-HET 7

2.2 HIT电池结构说明 8

2.2.1 TCO薄膜 8

2.2.2 a-Si（p）结构层 8

2.2.3 本征a-Si:H结构层 8

2.2.4 c-Si（n）结构层 9

2.2.5 a-Si（n ）结构层 9

2.3 主要电池参数描述 9

第三章 模拟计算及分析 10

3.1 设定参数 10

3.2 发射层对HIT硅基异质结电池的影响 13

3.3 背面场对HIT硅基异质结电池性能的影响 15

3.4 衬底厚度对HIT硅基异质结电池性能的影响 16

3.5 TCO功函数对HIT硅基异质结电池性能的影响 17

3.6 本章小结 17

第四章 总结与展望 19

4.1 总结 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 选题背景

如今的能源生产很大程度上取决于石油，天然气和煤炭等矿物燃料，而未来世界能源需求预计会增加。作为一种可再生能源，太阳电池是利用太阳光发电最广泛应用的技术之一，光伏组件安装的强劲增长证明了太阳电池的作用，并且在许多国家已经实现了电网平价^[1]。随着人们对新能源愈发重视，太阳电池发展趋势越来越迅速。晶体硅电池和非晶硅电池，降低成本、提高效率是其主流的发展方向。晶体硅太阳电池效率高、原料丰富，然而原材料成本较高，且需要高温、工艺繁琐^[2]；非晶硅层中悬挂键缺陷态密度高，电池效率较低^[3]，但是成本较低。为了解决难题，需要找到新的光伏材料或研究新的结构。近些年来，硅异质结电池同时结合了单晶硅电池和非晶硅电池低成本材料的优点^[4]，它可以同时完成p-n结的形成和晶体硅表面的钝化，降低表面复合的可能性，提高电池的效率，并具有良好的温度系数，改善开路电路电压相当可观，太阳电池的稳定性更优异，电池效率显著提高^[5]。日本三洋公司不断进行技术革新，改进工艺，长期处于领先地位。目前，松下公司制得了光电效率达到26.6%的HIT电池，转换效率已经超过了单晶硅电池。

1.2 HIT电池的发展状况

日本三洋株式会社在1991年首次提出了在非晶硅/晶体硅硅基异质结电池中插入一层本征非晶硅层（无掺杂），插入非晶硅层是为了获得更好的非晶硅/晶体硅界面钝化效应，从而降低界面态缺陷带来的载流子复合，能减少异质结太阳电池受界面态的影响，从而得到高效的太阳电池^[6]。在p型非晶硅发射层与n型单晶硅衬底之间插入一层本征非晶硅i-a-Si:H，减少异质结太阳电池受界面态的影响，从而得到高效的太阳电池。1994年，三洋公司利用栅电极的优化、表面的织构和清洁技术^[7]，把HIT电池结构应用在电池背面做背表面场，将HIT电池的组件效率提高到17.3%；同年，三洋将HIT太阳电池效率提高到了20%。2003年，三洋公司制备的HIT实验室效率实现了21.3%（100cm²）。2004年，又将效率提高到21.5%（100cm²）^[8]。2013年，三洋公司电池效率达到了惊人的24.7%，超越当时SunPower研发的IBC电池的效率（24.2%）。2014年，三洋研发了IBC-HIT太阳电池，它结合了IBC和HIT技术，效率高达25.6%。2017年3月，三洋公司将HIT电池的转化效率提高到26.6%。三洋使用工业上可行的技术制备的IBC结构与a-Si / c-Si Si HJ结合使用的大面积（180cm ²）c-Si太阳电池，证明效率超过26％。采用这种结构，通过将P 和N HJ触点集成到后侧，可以在电池的前侧具有良好的光学和钝化特性。三洋比较了Si太阳电池的高效率技术，损耗分析指出了接近硅基太阳电池的理论转换效率极限为29.1％。

1.3 HIT太阳电池的产业化状况

1997年，三洋公司开始量产HIT太阳电池。三洋公司研发了HIT Power21，该电池组件将96片电池组合，将转换效率达到了17.3%^[9]。三洋公司同时还一起生产了太阳电池模块（HIT power roof），一种能够替代房顶的实用型电池。不久三洋公司又生产了双面模块^[10]。2006年，HIT电池转换效率突破21%^[11]。2009年5月，三洋又将HIT电池转换效率提高到23%；9月，他们将电池的厚度减少到98μm，效率只是略有降低，为22.8%。该技术大幅减少了HIT太阳电池的原材料成本，三洋开始量产HIT电池，取得了巨大的经济效益。他们不断改进技术，使得HIT太阳电池的效率持续提升。目前其产业化HIT电池平均转换效率为21.6%。2012年，马来西亚的300MW硅片一电池-组件的垂直一体化生产链正式投产运营。目前，松下公司的HIT电池成功实现大规模生产，但其对HIT电池的相关参数和制备过程高度保密。其他研究机构也对a-Si:H/c-Si异质结电池进行研究^[12]。美国NREL主要以p型晶体硅为衬底，以热丝化学气相沉积（HWCVD）非晶硅薄膜来制a-Si:H/c-Si异质结太阳电池；瑞士EPFL采用射频（RF）频率为40.68MHz的VHF-PECVD技术来沉积非晶硅薄膜；德国HZB采用是无本征层的电池结构；法国INES和日本Kaneka公司采用电镀铜电极技术，降低贵金属银的用量以降低成本；德国Rothamp;Rau与EPFL合作，在瑞士建立了一条中试线采用溅射技术制作银背面接触^[13]。正如前面所述，在n型电池领域，IBC电池和HIT电池都获得了很高的转换效率，因此近年来这两种技术有融合的趋势，即所谓的IBC-HIT电池。使用IBC技术的异质结电池早在2007年就出现了，并且成为近期a-Si:H/c-Si异质结电池领域的研究热点，韩国LG公司报道的小面积IBC-HIT电池效率达23.4%。尽管目前为止全球许多研究机构都在研究HIT太阳电池，但仍然不能达到或重复三洋目前具有的转换效率^[14]。
我国HIT太阳电池的发展不太理想，与国际水平相差较大^[15]。国内的研究单位起初制备p型单晶硅异质结电池，电池效率相比较低。 最近几年，HIT太阳电池在中国的工业化也有一些进展。如有公司引进韩国的异质结电池生产线，但是未见其批量生产的异质结电池，也没有后续进一步的消息^[16]。

1.4 n型HIT电池的基本结构

n型硅异质结电池，以n型单晶硅为衬底，正面沉积i-a-Si:H薄膜、p-a-Si:H薄膜，背面依次沉积i-a-Si:H薄膜和n-a-Si:H薄膜。p型非晶硅作为发射层，n型非晶硅作为背面场，再沉积透明导电氧化薄膜在p型非晶硅和n型非晶硅上，HIT太阳电池成对称结构^[17]。对称结构如图1-1所示。

图1- 1 n型HIT电池的基本结构

1.5 HIT太阳电池的特点

①工艺简单，HIT电池的对称结构方便，工艺简单，比传统晶体硅太阳电池更加便于生产；②低温工艺，硅薄膜形成温度约200℃，就可以形成p-n结；③高开路电压，HIT中的本征层具有良好的钝化效果，从而获得高转换效率^[18]；④电池温度特性好，温度系数约为比晶体硅电池低一半，导致温度升高时HIT电池比常规电池有大的输出，即HIT太阳电池更适合在高温条件下使用；⑤光稳定性好，光照因素影响电池效率较小；⑥HIT电池结构对称，双面发电，年平均发电量相比于单面电池组件可高10%以上；⑦成本低，沉积时单晶硅片变形小，厚度允许降低到较低值，节省成本。且能提高少数载流子扩散长度与电池厚度的比值。HIT太阳电池组件是一款高效率硅基太阳电池组件，产业化规模较大。和传统晶体硅太阳电池组件比较，HIT电池单位面积的发电量提高了20%~30%^[19]。使用HIT太阳电池组件可以大大节省土地资源以及屋顶资源，在分布式光伏电站中具有不错的发展前景。

1.6 HIT太阳电池的制备

实际中，还是以n型硅双面异质结太阳电池的研究居多。HIT电池组件的制备工艺，是首先制绒单晶硅衬底层表面，并在n-c-Si表面通过等离子磁控溅射方法进行沉积本征钝化层与掺杂态的窗口层，在掺杂窗口层上通过磁控溅射来蒸镀一层TCO透明导电氧化薄膜层。最后，在组件表面进行格栅电极蒸镀，并进行组件封装。然后通过丝网印刷在TCO薄膜上制得金属集电极。最后，对HIT电池进行边缘隔离以及测试分选。

1.6.1硅片的湿化学处理

洁净的硅片表面是指硅表面不存在杂质颗粒、金属、有机物、湿气分子和自然氧化膜。一般清洗硅片都是先去除有机物，再溶解氧化层，然后去除颗粒和金属常用的清洗硅片的方法是RCA湿化学清洗法。RCA对环境造成一定的污染，因此人们对RCA工艺进行了改良，也在探索用新方法清洗硅片，如用臭氧超纯水清洗替代RCA清洗。硅片的湿化学处理过程分成三个主要步骤，即去损伤层、制绒和去除氧化层。而在实际的生产中，上述三个步骤可以在同一台清洗制绒设备上完成，改进后的RCA清洗方法也是集成在工艺设备中的。

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