TBC电池结构模拟：具有混合扩散和TOPCon技术的IBC电池的 TCAD 建模

 

IBC硅太阳能电池，如异质结IBC（HJ-IBC）和多晶硅氧化物太阳能电池，已经实现了高效的光电转换效率。这些高效太阳能电池的制造过程复杂且成本高，限制了它们在市场上的应用，结合了混合扩散和TOPCon技术，以降低制造复杂性。TCAD模拟是预测和优化IBC太阳能电池性能的有力工具，而EQE测试则提供了实验验证的手段。通过结合这两种方法，研究人员可以更准确地预测和改进电池性能。

 

 

IBC太阳能电池的模型和参数

模拟的IBC太阳能电池的结构

 

 

展示了IBC太阳能电池的横截面视图，包括电池的各个层和结构细节。该结构可能包括基底、发射极、隧道氧化物层、多晶硅层、以及前后表面的接触区域。

 

用于光学生成的随机金字塔(颜色条表示掺杂水平)

 

 

这种纹理用于模拟太阳能电池表面的光散射特性，以提高光的捕获率和电池的光电转换效率，这种设计对于提高电池的光吸收和光电转换效率至关重要。通过模拟这些纹理对光吸收的影响，研究人员可以优化电池设计，以实现更高的性能。

模拟的验证方法

光学生成剖面：利用转移矩阵法(TMM)来构建纹理硅中不同深度的光学产生数据。这种方法可以通过计算波长和折射率的关系来确定透射率和反射率。然后，可以通过吸收剂的吸收系数来计算光学产生率。迁移率模型：掺杂依赖性，迁移率值依赖于掺杂浓度。在半导体中，载流子（电子和空穴）的迁移率会随着掺杂水平的变化而变化，影响电池的电导。

 

复合模型：采用了经典的SRH复合理论，俄歇复合是我们在基于硅的模型中必须引入的另一种理论，因为它在高浓度区域或高注入条件下会占主导地位。

 

隧穿模型：该模型侧重于处理隧道氧化层。在这一层中，我们需要引入薛定谔方程来解决隧道问题。

 

陷阱模型：表面陷阱态，在太阳能电池的前表面添加接受型表面陷阱态。陷阱态可以捕获和释放载流子，影响电池的复合和效率。在模拟中，陷阱密度的选择对电池性能有显著影响。

模拟 J-V 验证

实际与模拟的IV曲线

 

 

模拟的J-V曲线与实际J-V曲线完美对应，参数偏差低于1%。这种高度的一致性表明模拟模型能够准确地预测设备的行为，为进一步的优化和设计提供了可靠的基础。

模拟EQE验证

实际与模拟的EQE曲线

 

 

EQE曲线在某些区域，尤其是在红外区域，存在一些偏差。这种偏差可能是由于模拟方法中对AM1.5G光谱的处理方式导致的，模拟中使用了单一波长的光谱来获得光学生成剖面，而实际的AM1.5G光谱是连续的。

 

EQE曲线通常在400nm到1100nm的波长范围内进行测量，这个范围覆盖了太阳光的主要光谱。在这个范围内，曲线的形状可以揭示电池对不同颜色光的响应能力。

多晶硅优化模拟

通过模拟确定最佳的多晶硅层厚度和掺杂浓度，以最大化太阳能电池的效率。多晶硅层在IBC太阳能电池中通常作为选择性接触，其性能直接影响电池的开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和整体效率。

不同掺杂浓度和厚度的多晶硅层的模拟结果

 

 

模拟中考虑了从50nm到300nm的不同多晶硅层厚度；探索了从1e18 cm-3到5e19 cm-3的不同掺杂浓度。

 

Jsc：Jsc值因多晶硅层的干涉效应而呈现周期性变化。

 

Voc：高掺杂浓度有利于提高Voc，因为更大的能带弯曲和电导性。

 

FF：高掺杂浓度也有助于提高FF，因为它们可以减少接触电阻和提高电池的电导性。

 

效率：效率随着多晶硅层厚度的不同而有小幅度的周期性变化。

背接触比优化模拟

通过模拟确定最佳的阳极和阴极宽度比，以最大化太阳能电池的效率。背接触比率直接影响电池的电流收集和整体性能。

不同比例的阳极和阴极在不同多晶硅掺杂浓度下的模拟效率

 

 

阳极/阴极比率：模拟中考虑了不同的阳极和阴极宽度比。

 

总间距：模拟中假设总间距为1100微米，阳极宽度从100微米变化到800微米，阴极宽度相应减少。

 

不同阳极宽度和固定间隙宽度条件下的模拟结果

 

 

Jsc：随着阳极宽度的增加，Jsc增加，因为更多的少数载流子被阳极收集。

 

Voc：Voc有轻微的下降趋势，尽管这并不显著影响整体效率。

 

FF：在某些情况下，当阳极宽度非常大时，FF会突然下降，这表明阴极宽度过小会导致电池性能下降。

激光接触开口偏差模拟

评估激光切割接触孔时的偏差对IBC太阳能电池性能的影响。确定可接受的偏差范围，以保持电池性能在可接受的效率损失范围内。

模拟激光触点开启偏差的效率

 

 

效率下降：当激光接触开口出现微小的偏差时，电池效率会迅速下降。特别是偏差超过5μm后，效率下降速率逐渐减缓，直至阴极和掺杂区域完全错位。

 

可接受的偏差范围：如果激光开口偏差能控制在100μm以下，效率下降将低于0.5%。

高效TBC太阳能电池的制备

选择P/N比为2:1和100um的间隙进行电池制备，并应用TOPCon技术，制备出的TBC电池效率为20.3%

TBC 太阳能电池的电特性

 

 

实际制造的TBC太阳能电池的电学特性，包括开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和光电转换效率（η），提供的数据可以作为质量控制的标准，确保后续生产的电池达到或超过这些性能指标。

 

通过TCAD模拟优化IBC太阳能电池设计对于提高EQE检测设备性能的重要性，同时也指出了制造过程中精度控制对于确保QE检测准确性的关键作用。

美能QE量子效率测试仪

联系电话：400 008 6690

 

 

美能QE量子效率测试仪可以兼容测量所有太阳能电池的光谱响应，光谱范围从300nm-2500nm，可以测量EQE、IQE、反射率、透射率和短路电流密度等参数，搭配直径150mm积分球，为让您的光伏研究进展更加顺利。

• 兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求
• 光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

通过与量子效率测试仪的实验数据对比，验证了TCAD模拟在预测IBC太阳能电池外部量子效率（EQE）方面的准确性。美能QE量子效率测试仪在验证TCAD模拟结果、优化太阳能电池设计、提高制造质量控制效率以及推动测试技术发展方面发挥了重要作用。