[论文解读] Silicon solar cells efficiency analysis. Doping type and level optimization

А. В. Саченко, V. P. Kostylyov+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2015

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文分析了n型和p型基底硅太阳能电池的效率，重点研究在铁相关肖克利-里德-霍尔复合主导下掺杂类型与浓度的优化。研究结果表明，由于复合参数的非对称性，n型电池在掺杂浓度提高时效率提升，而p型电池则在相同条件下效率下降，实验HIT电池数据通过表面复合速度与串联电阻的精确匹配，验证了理论预测。

ABSTRACT

The theoretical analysis of photovoltaic conversion efficiency of highly effective silicon solar cells (SC) is performed for n-type and p-type bases. The case is considered when the Shockley-Read-Hall recombination in the silicon bulk is determined by the deep level of Fe. It is shown that due to the asymmetry of the recombination parameters of this level the photovoltaic conversion efficiency is increasing in the SC with the n-type base and decreasing in the SC with the p-type base with the increase in doping. Two approximations for the band-to-band Auger recombination lifetime dependence on the base doping level are considered when performing the analysis. The experimental results are presented for the key characteristics of the solar cells based on $α-Si:H-n-Si$ heterojunctions with intrinsic thin layer (HIT). A comparison between the experimental and calculated values of the HIT cells characteristics is made. The surface recombination velocity and series resistance are determined from it with a complete coincidence of the experimental and calculated SC parameters' values.

研究动机与目标

• 研究掺杂类型（n型与p型）及浓度对硅太阳能电池光伏效率的影响。
• 分析铁相关深能级复合（肖克利-里德-霍尔）在决定n型与p型基底效率差异中的作用。
• 通过采用两种近似方法，建立带隙间带跃迁俄歇复合寿命与掺杂浓度的依赖关系，以优化掺杂浓度。
• 将理论预测与α-Si:H/i-n-Si异质结太阳能电池（HIT结构）的实验数据进行对比验证。
• 从实验与仿真中提取并匹配关键器件参数——表面复合速度与串联电阻。

提出的方法

• 采用铁作为主要深能级的肖克利-里德-霍尔复合理论模型，分析光伏效率。
• 应用两种不同的近似方法，描述带隙间带跃迁俄歇复合寿命与基底掺杂浓度的依赖关系。
• 在相同的复合与掺杂条件下，模拟n型与p型硅基底的太阳能电池性能。
• 将计算得到的开路电压、短路电流与填充因子与α-Si:H/i-n-Si异质结太阳能电池的实验数据进行比较。
• 通过将理论曲线拟合至实验I-V特性，提取表面复合速度与串联电阻参数。
• 将实验与计算参数之间的完全一致作为模型有效性的验证标准。

实验结果

研究问题

• RQ1 当铁相关肖克利-里德-霍尔复合占主导时，掺杂类型（n型与p型）如何影响光伏效率？
• RQ2 为何在相同复合条件下，提高掺杂浓度可提升n型电池效率，却会降低p型电池效率？
• RQ3 对俄歇复合寿命采用不同近似方法，如何影响效率随掺杂浓度变化的趋势预测？
• RQ4 理论模型在多大程度上能准确再现具有本征非晶硅层的HIT太阳能电池的实验特性？
• RQ5 在HIT电池中，表面复合速度与串联电阻的哪些取值能使理论与实验结果完全一致？

主要发现

• 铁相关深能级的复合参数非对称性导致n型硅太阳能电池在掺杂浓度提高时效率上升，而p型电池效率下降。
• n型电池的理论预测与α-Si:H/i-n-Si异质结太阳能电池的实验数据高度吻合，证实了模型的有效性。
• 从实验I-V曲线中提取的表面复合速度与串联电阻值，与理论仿真中使用的参数完全一致。
• 两种俄歇复合寿命近似方法得出的定性趋势相似，支持了效率分析的稳健性。
• 计算值与实测太阳能电池参数（Voc、Isc、FF）之间的完全一致，验证了模型在预测器件性能方面的准确性。
• 本研究证实，当存在铁污染且掺杂浓度得到优化时，n型硅比p型硅更有利于实现高效太阳能电池。