摘 要

HIT电池是近十年来高效电池的一个重要方向。本文深入分析HIT电池的国内外研究现状和基本原理。使用模拟软件AFORS-HET分析了P型衬底HIT电池的光伏特性，并通过电池正面的n层厚度和掺杂浓度、电池背面的p层厚度和掺杂浓度、衬底厚度和TOC功函数的改变而引起太阳能电池的性能发生变化。在其他参数不变时，减少发射层的厚度可以提高电池效率，并且随着发射层掺杂浓度的增加电池效率也增加；电池效率随着衬底厚度的增加先增加后降低，在250微米左右呈最大趋势；TCO功函数对电池效率影响不大，可是当TCO功函数增加到4.4eV时，效率却突然降低；背面场厚度增大，会使电池效率降低，掺杂浓度升高，效率却逐渐升高；综合模拟的参数分析，可以得到性能最高为：V_oc=757.2 mV，J_sc=41.97mA/cm2，FF=85%，E_ff=25.01%。

关键词：AFORS-HET HIT太阳电池 模拟计算 电池效率

Simulation of the performance of P - type substrate HIT solar cell

Abstract

HIT solar cell is an important research area for photovoltaic devices over the past decade. This paper analyzes the current situation and basic principles of HIT solar cell domestically and internationally. The photovoltaic properties of the P-type substrate HIT solar cell were analyzed by using the simulation software AFORS-HET. By changing the thickness and doping concentration of the n layer on the front of the battery, the p-layer thickness and doping concentration, substrate thickness, TOC work function caused by changes in solar cell performance. In the case of other parameters unchanged, the increase of the thickness of the emission layer reduces the cell efficiency, but the cell efficiency increases with the increase of the doping concentration of the emission layer. The cell efficiency increases first and then decreases with the increase of the substrate thickness. The TCO work function has little effect on the cell efficiency, but when the TCO work function increases to 4.4eV, the efficiency is suddenly reduced. When the back field thickness increases, the cell efficiency will be reduced. When the doping concentration is increased, the efficiency will be gradually increased. Through comprehensive simulation of major parameters, the best performance can be achieved when V_oc = 757.2 mV, J_sc = 41.97mA / cm², FF = 85%, E_ff = 25.01%.

Key words: AFORS-HET HIT; solar cell; simulation calculation; battery efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 HIT太阳能电池的技术发展状况 1

1.3 HIT太阳能电池的产业化状况 2

1.4 HIT太阳能电池的基本结构 3

1.5 HIT太阳能电池的特点 3

1.6 HIT太阳电池的制备 4

1.6.1 HIT太阳能电池单晶硅衬底制绒 4

1.6.2 HIT太阳能电池非晶硅层的制备 4

1.6.3 TCO薄膜制备方法 5

1.7 提高HIT太阳能电池效率的途径 5

1.7.1 本征层厚度的优化 5

1.7.2 衬底材料的选择 5

1.7.3 栅线电极优化 6

1.7.4 钝化效果的影响 6

第二章 模拟计算原理 7

2.1 模拟软件AFORS-HET 7

2.2 电池各层介绍 8

2.2.1 TCO薄膜 8

2.2.2 a-Si(n)层 9

2.2.3 本征a-Si:H层 9

2.2.4 c-Si(p)层 9

2.2.5 a-Si(p )层 9

2.3 主要电池参数描述 9

第三章 模拟计算与分析 11

3.1 设定相关参数 11

3.2 发射层对电池的影响 13

3.2.1 发射层厚度对电池性能的影响 13

3.2.2 发射层掺杂浓度对电池性能的影响 15

3.3 背面场对电池性能的影响 16

3.3.1 电池背面厚度对电池性能的影响 16

3.3.2 电池背面掺杂浓度对电池性能的影响 17

3.4 衬底厚度对电池性能的影响 18

3.5 TOC功函数对电池性能的影响 19

3.6 本章小结 19

第四章 总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1 选题背景

化石燃料的紧缺以及人们对友好型环境的要求，开发一种储量丰富的清洁可再生的新型能源迫在眉睫，太阳能成为首选。1954年，第一块c-Si太阳能电池被制造^[1]，也因此使得更多的人开始对光伏产业感兴趣。晶体硅太阳电池效率较高、稳定性好、资源丰富，但是其材料本身的价格不菲，并且制备过程中需要很高的温度，很复杂的工艺；非晶硅太阳电池成本较低，可以大面积被制造，但非晶硅材料自身缺陷较多，使得太阳能电池效率偏低^[2]。由此，人们为了解决这些问题，就要找到新的光伏材料或者研究一种新的结构。近些年，由于HIT电池同时结合了c-Si和a-Si低成本材料的优点^[3]，从而被研究者迅速研究开发，它能够将p-n结的形成与晶体硅表面的钝化在同一时间内完成，不但降低了表面复合情况的发生，提高了电池的效率，而且温度系数良好，使获取的开路电压显著提高，获得更加稳定而且效率更高的太阳能电池。目前，HIT太阳电池的最高实验室效率达到25.6%，这一效率也是松下公司做到的，也因此创造了HIT电池的世界纪录，为HIT太阳能电池的发展注入了新的活力。

1.2 HIT太阳能电池的技术发展状况

三洋公司于1974年对a-Si太阳电池相关的技术进行开发，1990年着手研究带有本征薄层结构的HIT太阳电池。1991年，没有掺杂的μc-Si薄层被他们用没有掺杂的a-Si:H薄层代替，因此使界面态密度有了很大程度的降低，晶硅表面的钝化质量得到提高，并且，降低了通过掺杂a-Si:H薄层的隧穿泄漏电流。1994年三洋公司成功地将HIT电池的组件效率提高到17.3%，他们把HIT电池结构应用在电池背面做背表面场，并且结合了栅电极的优化、表面的织构和清洁技术^[4]；2003年三洋公司采取将表面复合减小，少子寿命提高，开路电压增加至710 mV以上，使非晶硅及TCO的光吸收降低，栅线宽度降低^[5]，有效吸收面积增加等措施使HIT电池的实验室效率达到了21.3%（100cm²）。2004年，HIT电池的实验室效率达到21.5%（100cm²）^[6]，改善措施包括：使用导电性更高的导电胶材料，把导电胶的宽度减小到大约为85 μm；同时优化丝网印刷技术。2007年通过对a-Si/c-Si界面特性及光陷结构的进一步改进，使HIT电池的实验室效率提高至22.3%(100cm²)。2008年Sanyo公司透露，HIT的厚度已经降低至85 μm。2009年5月^[7]，Sanyo公司宣布实现了23%的实验室效率，这一次他们主要改善了a-Si:H/c-Si界面钝化质量，通过将a-Si:H和透明导电膜在红光区的吸收降低，将栅线材料进行更改，使栅线的高宽比增加，栅线的串联电阻减小，但是至于具体的技术手段他们并没有做详细的解释。2010年，Sanyo公司又将HIT电池实验室效率提高到23.7%。2013年,该公司又一次提高了电池效率到24.7%^[8]，面积约为100 cm²。2014年，他们采用把IBC和HIT两种技术一起应用，得到了IBC-HIT太阳电池，它的最高效率达25.6%^[9]，并且面积为143.7cm²。

1.3 HIT太阳能电池的产业化状况

1994年Sanyo公司研发了一款通过将96片HIT电池组合，可以将转换效率提升到17.39%的电池组件，名为HIT Power21^[10]。同时，Sanyo公司还生产出可以替代屋顶瓦片的高性价比太阳电池模块(HIT power roof)。在HIT power roof之后，Sanyo公司又推出非常适合在地面和墙面等设施上安装的双面模块(HIT power double)^[11]。三洋公司在2003年研发了一种年发电量比传统太阳电池高43%的HIT电池^[12]，且转换效率达19.5%。2006年，在原基础上使其转换效率达到21.8%^[13]。2009年5月，该公司又通过改进技术推出转化效率为23%的HIT太阳电池；9月，又实现了将电池单元转化效率改进为22.8%，并且厚度只有98 μm的HIT太阳能电池。电池的厚度减少了一半但是效率却并未降低太多，硅的使用量的减少为HIT太阳电池的低成本的工业化生产奠定了基础。于是Sanyo公司利用这种技术大量的生产，并且在FY2013获得了日本光伏市场的最大份额。我国也开始研究MW级薄膜硅/晶体硅HIT太阳电池产业化关键技术并基于中试水平^[14]。由此可以看到HIT电池存在着非常大的发展前景。

1.4 HIT太阳能电池的基本结构

常见的p型衬底异质结电池的结构是中间以p型晶体硅为衬底，n型a-Si膜作为窗口层，接受光照，p型a-Si薄膜作为背面场，透明导电氧化薄膜（TCO膜）分别溅射在n型a-Si膜和p型a-Si薄的顶层，这样的情况下，HIT太阳电池就构成了一种对称的形式^[15]。本征a-Si:H层起到钝化c-Si层表面悬挂键的作用。对称结构如图1-1所示。

图1- 1 HIT太阳能电池的基本结构

1.5 HIT太阳能电池的特点

对称结构，对于HIT太阳电池，这种结构能够降低对元件的损耗并提高电池本身的性能，使其具有较高的转化效率。并且HIT电池可以使单晶硅的表面钝化和产生p-n结一起完成。

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