缺陷辅助隧穿对TOPCon太阳能电池性能的影响

The Effect of Trap-Assisted Tunneling on the Performance of TOPCon Solar Cells

摘要: TOPCon太阳能电池超薄氧化硅层中的载流子的直接隧穿和针孔传输是两种当前被广泛探讨的机制，在实际电池制造过程中，超薄氧化硅层在高温诱导应力下在产生针孔的同时，也可能伴随大量缺陷的出现，这些缺陷有助于载流子通过缺陷辅助隧穿进行传输。本文通过数值求解漂移扩散输运方程，理论模拟了光照下TOPCon太阳能电池的性能在氧化层厚度为2.0 nm的情况下，综合考虑直接隧穿和缺陷辅助隧穿作为两种主要的输运机制，TOPCon太阳能电池效率将会提高。研究了电池填充因子随氧化层电子有效质量的依赖关系。接着讨论了从晶体硅体寿命和背面多晶硅浓度对TOPCon太阳能电池性能的影响。本文的研究结果不仅有助于加深人们对TOPCon太阳能电池载流子输运机制的理解，还为优化电池结构设计提供了有益的理论指导。

Abstract: The direct tunneling and pinhole transport of charge carriers in the ultra-thin silicon oxide layer of TOPCon solar cells are two widely discussed mechanisms. In the actual solar cell manufacturing process, the ultra-thin silicon oxide layer may generate pinholes under high-temperature induced stress, which may also be accompanied by a large number of traps. These traps help transport charge carriers through trap-assisted tunneling. This article numerically solves the drift diffusion transport equation and theoretically simulates the performance of TOPCon solar cells under illumination. With an oxide layer thickness of 2.0 nm, considering direct tunneling and trap-assisted tunneling as the two main transport mechanisms, the efficiency of TOPCon solar cells will be improved. The dependence of filling factor on the effective mass of oxide layer electrons was studied. Subsequently, the effects of crystal silicon lifetime and impurity concentration in the backside polycrystalline silicon on the performance of TOPCon solar cells were discussed. The research results presented in this paper not only deepen our understanding of the carrier transport mechanisms in TOPCon solar cells but also provide valuable theoretical guidance for optimizing the design of cell structures.

1. 引言

晶体硅太阳电池兼具光电转换效率高、成本低、稳定性高、技术成熟等优点，一直是光伏发电的主流技术，占据95%的市场份额。在目前其他太阳电池技术尚未取得重大突破的情况下，晶体硅太阳电池仍将长期保持主导地位。坚持高性能晶体硅太阳电池的研发，推动太阳电池产业技术升级换代，对增强光伏发电竞争力、促进中国及世界能源结构转型具有重要意义。隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术是近年来快速发展的新型晶体硅太阳电池技术，可以避免钝化发射极及背面接触(PERC)技术中的背面金属接触复合损失，有效提升钝化效果及太阳电池的光电转换效率 [1] [2] 。

TOPCon太阳能电池制造过程中需要进行高温烧结工序，这使得超薄氧化硅层在高温诱导的应力下容易产生针孔 [3] - [7] 。对于氧化硅层厚度超过2 nm的情况，针孔传输通常被认为是主导的载流子输运机制。但是，高温退火过程中氧化硅层在高温产生的应力诱导下也会产生大量缺陷 [8] [9] 。这些存在于氧化硅薄膜中的缺陷可能会辅助载流子的隧穿，并成为主要的载流子输运方式。因此，在TOPCon太阳能电池中，缺陷辅助隧穿(TAT)也可能是一种主要的载流子输运机制，尤其是在氧化层厚度大于2 nm以及高缺陷浓度的器件中。

本文通过数值求解漂移扩散输运方程，理论模拟了光照下TOPCon太阳能电池的性能在氧化层厚度为2.0 nm的情况下，综合考虑直接隧穿和缺陷辅助隧穿作为两种主要的输运机制。详细探讨了氧化层电子有效质量、晶体硅体寿命、背面多晶硅浓度等因素对TOPCon太阳能电池性能的影响。本文的研究结果这对于更深入地理解TOPCon太阳能电池载流子输运机制以及如何提高电池光电转换效率具有重要意义。

2. 理论模型

本文研究的硼(B)掺杂p型发射极/n型晶体硅/超薄氧化硅/n型重掺杂多晶硅(B-doped p⁺ emitter/n-c-Si/ SiO_x/n⁺-poly-Si)结构的n型TOPCon太阳能电池结构示意图如图1所示。通过模拟，得到了光照下、外加偏压作用下的J-V特性曲线，并提取出短路电流密度(J_sc)，开路电压(V_oc)，填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)等关键性能参数。其中，光电转换效率是开路电压、短路电流密度和填充因子三者的乘积，这四个关键性能参数越大，则表明器件性能越好。

Figure 1. Structural schematic diagram of TOPCon solar cell simulation

图1. TOPCon太阳能电池模拟的结构示意图

图1的背面结构即为n型重掺杂多晶硅/超薄氧化硅/n型晶体硅(n⁺-poly-Si/SiO_x/n-c-Si)结构的POLO结，其能带图如图2所示。

Figure 2. Energy band diagram of rear structure of TOPCon solar cell

图2. TOPCon太阳能电池背部结构能带图

本文采用了漂移扩散理论模型，该模型包括泊松方程和载流子连续性方程，其中泊松方程用于确定电势的分布，而连续性方程则描述了在电场、浓度梯度等作用下的载流子浓度分布 [10] [11] [12] 。

3. 结果与讨论

3.1. 缺陷辅助隧穿

考虑DT和TAT作为两种主要载流子输运机制，模拟了外加偏压作用下n型POLO结在暗态下的I-V特性曲线，以及相应的接触电阻率，所采用的材料参数如表1所示。

Table 1. Parameters used for numerical simulations (m0 is the free electron mass)

表1. 数值模拟计算采用的材料参数(m₀为自由电子质量)

为了验证提出的理论模型，我们首先对模拟的I-V特性与已报道的实验结果 [17] 进行了定量对比。考虑到DT和TAT是两种主要的输运机制，当n型POLO结氧化层厚度为1.4 nm时，我们模拟并提取了实验测得的暗态I-V特性曲线，如图3所示。为了对比分析，图3还展示了仅考虑DT和仅考虑TAT作为单一输运机制时计算得到的I-V特性。在模拟计算中，我们采用了通过电子化学电容–电压(ECV)方法测定的杂质分布，来确定从多晶硅内扩散进入衬底硅中的杂质分布。重掺杂多晶硅的浓度为4.4 × 10²⁰ cm⁻³，电极直径为1 mm，由衬底引起的残余电阻或背面接触的接触电阻R₀为3.01 Ω，这些参数均与实验相同 [17] 。

如果只考虑DT输运机制，计算得到的I-V曲线(绿色实线)显然不符合实验结果。在考虑的电压范围内，I-V曲线是非线性的，并且与实验上近线性曲线不符。然而，当结合TAT输运机制，并通过拟合得到自由的TAT参量σ_tN_t = 1.27 × 10⁴ cm⁻¹时，发现在考虑的电压范围内计算的I-V特性曲线(红色实线)与实验结果定量符合。此外，提取的相应接触电阻率ρ_c = 7.68 mΩ·cm²也与实验结果一致。

Figure 3. I-V characteristic curve for n-type POLO junction with 1.4 nm oxide layer

图3. n型POLO结氧化层厚度为1.4 nm时I-V特性曲线

尽管在以前关于TOPCon太阳能电池的研究中，针孔传输一直被认为是一种重要的输运机制来解释观察到的实验结果，但本文的计算结果也暗示了热应力诱导的TAT可能也是一种很重要的输运机制，它是不应该被忽略的。

为了模拟考虑TAT的TOPCon太阳能电池的性能，基于暗态POLO结模型的基本框架进行了拓展，加入了光照等因素，构建了完整的TOPCon太阳能电池模型。模拟计算了外加偏压作用下结构的n型TOPCon太阳能电池，其结构如图1所示。考虑DT和TAT作为两种主要的输运机制，对n型TOPCon太阳能电池氧化层厚度为2.0 nm时模拟的光照下J-V特性曲线进行了模拟，并通过数值计算提取了相应关键性能参数，包括V_oc，J_sc，FF和PCE，结果如图4所示。在n型TOPCon太阳能电池的数值模拟计算中，同样考虑了重掺杂多晶硅杂质从多晶硅内扩散进入衬底硅中，其中峰值杂质浓度C_p = 2 × 10²⁰ cm⁻³，扩散长度参量δ = 50 nm，模拟计算过程中所采用的其他材料参数若无明确说明，都采用表2和表3所示的参数。TAT参量σ_tN_t与图3拟合参量相同，在后续讨论过程中保持不变。

Table 2. Parameters of Si used in numerical simulations of TOPCon solar cells

表2. TOPCon太阳能电池的数值模拟计算中采用的Si材料参数

Table 3. Other parameters used for numerical simulations of TOPCon solar cells (m0 is the free electron mass)

表3. TOPCon太阳能电池的数值模拟计算中采用的其他参数(m₀为自由电子质量)

如图4所示，红色曲线表示同时考虑DT和TAT作n型TOPCon太阳能电池的主要输运机制，而黑色曲线则表示仅考虑DT作为输运机制。从图中可以看出，两者的V_oc和J_sc非常接近，V_oc达到了725 mV左右。然而，同时考虑DT和TAT作为两种主要输运机制的FF更高，这也使得其PCE也更高，达到了26.13%。这说明，在n型TOPCon太阳能电池氧化层厚度为2.0 nm时，同时考虑DT和TAT作为两种主要输运机制可以使效率达到更高水平。

Figure 4. J-V characteristic curve and corresponding performance parameters of an n-type TOPCon solar cell with 2.0 nm oxide layer

图4. 氧化层厚度为2.0 nm时的n型TOPCon太阳能电池的J-V特性曲线以及对应的性能参数

3.2. 氧化层电子有效质量

图5展示了在氧化层厚度为1.0~2.0 nm范围内，TOPCon太阳能电池的填充因子FF如何依赖于氧化层电子有效质量。在模拟计算中，重掺杂多晶硅掺杂浓度和从多晶硅内扩散进入衬底硅中的杂质分布与图4相同。观察图5，可以发现，当氧化层电子的有效质量较小时，FF对氧化层厚度的依赖关系比较轻微，且呈现下降的趋势。然而，在氧化层电子有效质量较大的情况下，特别是在氧化层厚度为0.5 m₀时，FF对氧化层厚度的变化变得极为敏感，下降幅度也更大。这表明，在不同的氧化层厚度下，氧化层电子有效质量的变化对FF的影响不同。具体来说，当氧化层厚度较小时，氧化层电子有效质量的变化对FF的影响较小，FF几乎保持不变；而随着氧化层厚度的增大，FF对氧化层电子有效质量的敏感度逐渐增强，下降速度也越来越快。

事实上，氧化层电子有效质量和氧化层厚度都可以直接影响单步DT隧穿概率和两步TAT隧穿概率，但根据模拟结果可以发现两者对FF的影响程度并不同。

Figure 5. Dependence of FF on the effective electrons mass for oxide with 1.0 - 2.0 nm oxide layer

图5. 氧化层厚度为1.0~2.0 nm时，FF对氧化层电子有效质量的依赖关系

3.3. 衬底硅寿命

图6展示了当考虑DT和TAT作为两种主要的输运机制时，TOPCon太阳能电池的性能参数(a) V_oc，(b) J_sc，(c) FF和(d) PCE与体寿命τ_bulk之间的依赖关系。在模拟计算中，重掺杂多晶硅掺杂浓度和从多晶硅内扩散进入衬底硅中的杂质分布同样与图4相同。观察图6可以发现，V_oc对衬底硅体寿命τ_bulk非常敏感，随着体寿命τ_bulk的增大，V_oc呈现出明显的上升趋势，这说明τ_bulk的增大有助于加强场效应钝化，从而对钝化效果产生正面影响。相比之下，体寿命τ_bulk的变化对J_sc的影响很小，J_sc几乎保持水平不变，当τ_bulk < 2 ms时，J_sc甚至呈现出轻微的上升趋势；FF则稍微单调依赖于体寿命τ_bulk；由于PCE与V_oc，J_sc，FF成正比，因此随着τ_bulk的增大，PCE也呈现出升高的趋势。从SRH复合的角度来看，随着体寿命τ_bulk的不断增大，SRH复合会逐渐减弱，从而导致收集到的光生载流子增多，这最终使得TOPCon太阳能电池的光电转换效率增大。

在图7中，绘画了间接复合寿命最大值分别为0.5 ms和10 ms时的J-V特性曲线，分别用黑色和红色曲线表示。同时，红色圆圈表示不考虑SRH复合时的J-V特性曲线。通过对比可以发现，不考虑SRH复合时的J-V特性曲线几乎与红色曲线重合，这进一步证明了体寿命τ_bulk的增大会导致SRH复合逐渐减弱。当τ_max = 10 ms时，SRH复合的影响变得非常微弱，几乎可以忽略不计。

Figure 6. Dependence of TOPCon solar cell performance parameters (a) V_oc, (b) J_sc, (c) FF and (d) PCE on bulk lifetime τ_bulk

图6. TOPCon太阳能电池性能参数(a) V_oc，(b) J_sc，(c) FF和(d) PCE对体寿命τ_bulk的依赖关系

Figure 7. Dependence of J-V characteristic curves on SRH recombination when the maxmum indirect recombination lifetimes are 0.5 ms and 10 ms

图7. 间接复合寿命最大值为0.5 ms和10 ms时，J-V特性曲线对SRH复合的依赖关系

3.4. 背面多晶硅浓度

图8展示了TOPCon太阳能电池的性能参数(a) V_oc，(b) J_sc，(c) FF和(d) PCE对n⁺多晶硅浓度的依赖关系。值得注意的是，在计算n⁺多晶硅浓度的依赖关系时，由于n⁺多晶硅浓度在一定范围内变化，而峰值杂质浓度C_p要低于n⁺多晶硅浓度，因此设定峰值杂质浓度C_p为5 × 10¹⁷ cm⁻³，扩散长度参量δ设定为50 nm，同时此时的间接复合最大寿命为1 ms。从图中可以看出，V_oc随着n⁺多晶硅浓度的增加而增长，且始终保持较高水平，钝化效果也持续提高。而J_sc与光吸收紧密相关，实际中的TOPCon太阳能电池包含光寄生吸收作用，多晶硅浓度增大会显著增加对红外波长光的寄生吸收，导致电流损耗 [18] ，这里不考虑光吸收作用，所以J_sc基本保持稳定。而在n⁺多晶硅浓度增大时，FF则在较大范围内持续上升，这表明FF高度依赖于高n⁺多晶硅浓度。PCE随着n⁺多晶硅浓度的大加则单调递增。这是因为随着n⁺多晶硅浓度的增大，掺杂原子在多晶硅与硅中的浓度差所导致的电场差异产生了场效应钝化，这会使多数载流子快速通过界面而少数载流子则不易到达界面，从而减少电子–空穴对在界面处的复合。并且，此时的峰值杂质浓度C_p较低，所以随着n⁺多晶硅浓度的增大，内建电势也不断增大，电子也更容易被收集，TOPCon太阳能电池效率不断提升。

Figure 8. Dependence of TOPCon solar cell performance parameters (a) V_oc, (b) J_sc, (c) FF and (d) PCE on the concentration of n⁺-polysilicon

图8. TOPCon太阳能电池性能参数(a) V_oc，(b) J_sc，(c) FF和(d) PCE对n⁺多晶硅浓度的依赖关系

4. 结论

本文模拟计算了n型POLO结暗电流的电压特性以及相应的接触电阻率，通过拟合自由TAT参数σ_tN_t，计算结果与实验结果高度吻合，这表明TAT输运机制在TOPCon太阳能电池中也可能是一种非常重要的载流子输运机制。接着构建了考虑TAT的完整TOPCon太阳能电池模型，并模拟了n型TOPCon太阳能电池在氧化层厚度为2.0 nm时的J-V特性曲线以及关键性能参数。此外还探讨了缺陷辅助隧穿、氧化层电子有效质量、寿命和背面n⁺多晶硅浓度对TOPCon太阳能电池性能的影响。这些研究结果不仅有助于更全面地理解TOPCon太阳能电池的工作原理和性能表现，而且为进一步优化其设计提供了重要的参考依据。

基金项目

浙江省重点研发计划(批准号：2021C01006)资助的课题。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。