硅异质结(SHJ)太阳能电池是利用非扩散的n型单晶硅(c-Si)衬底和两个极性相反的非晶硅基选择性接触，作为下一代钝化接触式太阳能电池的一种有前途的技术。本文建立了一个基于Richter理论的数值模型来模拟最近获得的效率为25.11%的SHJ太阳能电池的性能。

串联电阻率(Rs)分析表明，ptype (ρc,p)和n型(ρc,n)接触电阻率之和的上界为0.073Ω cm2。在更新的接触电阻率下，Brendel公式估计的SHJ太阳能电池的理论极限效率为28.5%，与双面隧道氧化钝化接触(TOPCon)太阳能电池的28.7%相当。由SHJ的p型触点和TOPCon的n型触点组成的混合结构原则上可以达到28.9%的极限效率，显示了混合结构太阳能电池的潜力。

1. 简介

光伏界普遍认为，n型硅异质结（SHJ）和隧道氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池是走向下一代钝化接触技术的两条最有前途的路线，展示了高效的太阳能电池和显著的效率潜力。表1总结了经认证的SHJ和TOPCon太阳能电池的转换效率，包括交错式背接触（IBC）结构。

与钝化发射器和后部（PERC）太阳能电池相比，SHJ和TOPCon采用金属电极与硅材料的间接接触，从而大大减少了电接触处的载流子重组，提高了太阳能装置的开路电压（VOC）。

近年来，Brendel等人发表了一系列的文章，介绍和模拟了太阳能设备。 发表了一系列文章，介绍并模拟了硅基太阳能电池的载流子选择性接触，并分析评估了载流子选择性和接触面积分数的理论极限效率。

这个模型吸引人的地方在于，这些载流子选择性接触的行为与具体的电池结构无关，因此，极限效率只依赖于接触的特性，即表面重组电流（J0）和接触电阻率（ρc）。因此，通过各种载流子选择性接触的概念来探索具有普遍性的基准是非常有利的。

一个典型的SHJ太阳能电池由未扩散的n型单晶硅（c-Si）晶片组成，其两侧由全面积的本征/掺杂非晶硅（a-Si:H）薄膜堆、反式导电氧化物（TCO）电极和银网格指钝化。优秀的表面钝化和消除金属/硅的接触使其具有标志性的高VOC。

另一方面，SHJ太阳能电池的串联电阻率（Rs）通常被认为是实现更高效率的门控因素，因为它通过电阻性的内在非晶硅[a-Si:H(i)]薄膜传输，在c-Si/p-接触界面的价带势垒上的热离子/场发射，以及准金属半导体a-Si:H/TCO界面的肖特基障碍。

实际上，最近的研究表明，SHJ中的载流子传输会复杂得多，而且TCO功函数对Rs的影响可以通过工艺优化而减弱。然而，在存在多种载流子传输机制的情况下，专门针对SHJ太阳能电池的Rs分析对SHJ开发者来说仍然是一个挑战。特别是，根据文献，SHJ太阳能电池中p/n接触的ρc值，对Brendel模型非常重要，在某种程度上是分散的，一致性不强，如表2所列。

2019年，汉能制造的前后结构SHJ太阳能电池实现了25.11%的转换效率，并通过了认证。

表1SHJ和TOPCon太阳能电池的部分认证转换效率和VOC。

t.a.：总面积;a.p.：孔径面积;d.a.：指定面积

表2 SHJ太阳能电池中p/n触点的接触电阻率（ρc）。

 exp.：来自实验结果的数据。sim.：来自模拟结果的数据。

ISFH，填充系数（FF）为84.98%，是所有SHJ太阳能电池中报告的最高值。此前，Kaneka证明了FF为83.5%，SHJ-IBC结构为84.65%。递增的FF主要是由减少的Rs驱动的。在这项工作中，我们使用一个数值模型来模拟25.11%能效的SHJ太阳能电池的性能。根据模拟结果，我们试图分解总的Rs，并估计该设备中p/n接触的ρc值。最后，根据Brendel的理论，我们将重新评估SHJ太阳能电池的理论极限转换效率。

2. SHJ太阳能电池的建模

最近，我们开发了一个专门用于SHJ太阳能电池模拟的基于Richter理论的数值模型。鲁对SHJ太阳能电池结构进行了详细的描述。在这项工作中，我们假设一个两边都有随机直立金字塔的晶硅片作为吸收体。由于在清洗过程中的化学圆角步骤，Green-Lambertian光捕集被认为是非理想的，即产生一个小于4n2的平均光路长度。在正面，吸收器由a-Si:H(i)、n型微晶硅-n-氧-铝合金[μc-SiOx:H(n)]、氧化铟锡（ITO）和抗反射的氟化镁（MgF2）层。

在后部，本征和p型非晶硅[a-Si:H(p)]层在光学建模中被省略，因为它们对短路电流（JSC）的贡献在晶圆厚度大于50μm时是可以忽略的。在这样的硅片厚度下，只有近红外光可以通过晶体硅吸收器，而后部具有大带隙的非晶硅几乎可以跨过这个带隙。

然后，它将后部的光学器件简化为ITO、空气和理想的反射器，类似于在平面反射卡盘上测试双面SHJ太阳能电池的情况。带有自由载流子吸收（FCA）的c-Si、a-Si的折射率（n）和消光系数（k）。H(i) , μc-SiOx:H(n) ,ITO , 和MgF2的折射率（n）和消光系数（k）是从文献中提取的，并应用于模型，以利用反射/逃避的光，光产生的电流，和AM1.5G照明下的寄生损失。

模拟的SHJ太阳能电池包括一个未扩散的n型c-Si吸收器和两个接触分数为1的空白钝化触点，导致电气方面的建模相当简单。

表3 本工作中SHJ模拟的参数和模型的摘要。


我们使用Sze和Ng给出的图来确定掺杂物浓度，从掺磷的晶体硅的体电阻率，以及Klaassen的载流子能力。考虑到Schenk提出的带隙变窄，本征载流子浓度（ni）是根据Altermatt的估计计算的。吸收器内的重组机制，即辐射、奥格和肖克利-雷德-霍尔（SRH）过程，分别根据Trupke和Altermatt ,Veith-Wolf , 和Evans制定。

晶体硅表面的重组损失可以归因于钝化接触的J0，或者等同于有效的表面重组速度（Seff）。按照Richter的论点，我们还假设一个光子产生一个电子-空穴对，而且电子和空穴的准费米水平在整个吸收体上是恒定的。此外，还加入了发生在晶体硅吸收体外其他地方的串联电阻率。 表3总结了模拟中包括的参数和模型。

3. 结果和讨论

图1显示了认证和模拟的电流-电压（I-V）特性和外部量子效率（EQE）光谱。

25.11%效率的SHJ太阳能电池，其参数如下：体电阻率为1.1Ωcm，硅片厚度为161μm，平均 Seff 为0.8cm/s。事实证明，里希特理论仍然是SHJ太阳能电池的良好近似，我们的数值模型很好地模拟了太阳能电池的光学和电气性能，尽管EQE光谱有微小的差异，这可能是源于（n，k）数据集。与认证，我们得到了几乎相同的I-V参数：VOC=747.1mV,JSC= 39.56 mA/cm2,FF= 84.98 %,和η = 25.11 %。

数值模型使我们能够在一定程度上分解出总的Rs。如图1a所示，从模拟的I-V中提取的总Rs特征为0.681Ω cm2，与ISFH认证数据给出的0.683Ω cm2非常接近。受体c-Si电阻率的限制，加上吸收器内部和两面的所有复合机制，Rs的固有部分为0.512Ω cm2，由模拟的伪i - v曲线确定，如图2所示，伪填充因子(pFF)为85.78%。

本征r可归因于吸收器外部的电阻损失，这些损失来自于a-Si:H和μc- siox:H层的体积电阻率、ITO和细栅中的侧向传输、ITO/ finger处的接触电阻率、ITO/a-Si:H(p)[或μc- siox:H(n)]和a-Si:H(i)/c-Si界面。如果我们从ISFH认证的数据中取r，可以推导出0.171Ω cm2的外部r。这与Kaneka的结果一致，Yoshikawa报告了FF = 83.8% (pFF = 85.7%)和84.65% (pFF = 85.8%)的SHJ-IBC太阳能电池的外部Rs为0.32和0.20Ω cm2。


图1. (a) 仿真（蓝线）和ISFH认证（红色三角形）的电流-电压（I-V）特性，以及25.11%效率的SHJ太阳能电池的电气参数。(b)仿真（蓝线）和ISFH认证（红色三角形，来自光谱响应数据）外部量子效率（EQE）光谱。还列出了太阳能电池中计算的光学损失。(关于本图例中对颜色的解释，请读者参考本文的网络版）。


数值模型的一个限制是ρc的设置是相当任意的，因为a-Si:H、μcSiOx:H和ITO层的电学性质，如能带结构、掺杂浓度、缺陷分布和功函数没有嵌入计算中。因此，我们将a-Si:H和μc-SiOx:H层的所有电阻损耗，包括a-Si:H(i)/c-Si, ITO/a-Si:H(p)和ITO/μc-SiOx:H(n)界面，都归为ntype和p-typeρc。在这种情况下，我们可以估计ρc的值的上界，然后总r是：


其中，Rs,intr为本征Rs, Rs,c-f和Rs,c-r为前后两侧载流聚集引起的电阻率，ρc,p和ρc,n分别为p型和n型接触的接触电阻率。侧向载流集在Rs中的贡献可以用母线间距2L、母线宽度Wbusbar、手指间距2LT、手指宽度Wfinger、手指电阻率Rfinger inΩ/cm、手指/ITO接触电阻率ρc、手指/ITO、ITO薄片电阻率RITO inΩ/sq来表示。

通过其中LTL/Agrid是SHJ太阳能电池的金属化遮光率的倒数（3.9%）的SHJ太阳能电池。用传输线法（TLM）测得的ρc,finger/ITO是在0.001Ωcm2的数量级。公式中的其他输入公式中的其他输入参数。(2)中的其他输入参数是在前面和后面的栅极测量的，并列在表4中。在前面，由于横向收集的Rs,c-f是0.081Ωcm2。假设有一个空间上的后部电接触，在另一侧的Rs,c-r另一侧的Rs,c-r为0.015Ωcm2。

我们最终得出了a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和a-Si:H(i)/μc-SiOx:H(n)选择性接触的ρc,p和ρc,n之和的"上限"，即0.073Ω cm2。表5列出了模拟中Rs的分解。表明a-Si:H(i)/a-Si:H(p)薄膜堆积物比a-Si:H(i)/a-Si:H(n)的ρc明显高。

考虑到典型的μc-SiOx:H(n)比a- si:H(n)表现出更高的体电阻率，我们认为假设ρc,p比ρc,n大3倍是合理的，即，ρc,p = 0.055Ω cm2和ρc,n = 0.018Ω cm2。值得注意的是，这些值是从实际设备中提取的，但TLM方法的更可靠的测量还需要进一步确认。

图3.转载于参考文献。.p型（绿点）和n型（红点）选择性接触的选择性（蓝线）和接触分数（黑线）。本工作中对p型（绿色钻石）和n型（红色钻石）的最新结果。还展示了Al掺杂的p+，P扩散的n+，以及SiOx/POLY硅(n+/p+)接触，以进行比较。(对于本图例中颜色的解释...关于本图例中对颜色的解释，请读者参考本文的网络版）

为了评估选择接触组合的选择性和理论限制效率，Brendel模型还需要J0输入。Schmidt对于a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和a-Si:H(i)/aSi:H(n)两种情况[18]都使用了2 fA/cm2，这与我们的结果很好地吻合。我们制备了厚度W为53 ~ 168μm的SHJ太阳电池，并在ITO沉积前测试了有效少子寿命τeff[62]。根据1/τeff与2/W相关性，一个表面上的平均Seff为0.63 cm/s，对应于1.1Ω cm的c-Si晶圆体电阻率的J0为2.1 fA/cm2。如文献所示，理论极限效率(ηmax)是J0和ρc通过电子和空穴选择性接触的对数组合选择性(S10,h&e,max)的函数，其表达式如下:


其中Vth为300 K时的热电压，Sh和Se分别为空穴选择接触和电子选择接触的选择性。因此，a- si: h (i)/a- si: h (p/n)堆的空穴(S10,h)和电子(S10,e)的对数选择性分别为14.4和14.9。图3说明了各种选择接触的映射以及这项工作的结果。Brendel公式进一步表明组合选择性(S10,e&h,max)为14.0，最大效率(ηmax)为28.5%。我们最终将更新后的数字放在表6中，表3在Ref.[18]中的简洁副本。

如上所述，在各种硅基光伏技术之间，假设两个极性的全区域选择性接触，Brendel的模型对于比较理论极限效率是非常有用的。从表6中，我们可以大致归结为5个当前的技术趋势(虚线括起来)，即SHJ(红色)、PERC(黑色)、p-TOPCon(蓝色)、n-TOPCon(绿色)和双面TOPCon(橙色)太阳能电池。

不足为奇的是，SHJ和双面TOPCon表现出了巨大的效率潜力，因为其优异的表面钝化和完全消除了金属/c-Si接触。SHJ的限幅效率为28.5%，双面TOPCon的限幅效率为28.7%。换句话说，这两种技术都能够实现更高的效率，而且效率差距并不显著。进一步应用Procel的理论计算结果[31]，ρc,p = 0.022Ω cm2和ρc,n = 0.015Ω cm2，对SHJ的极限效率达到28.6%。PERC、p-TOPCon和n-TOPCon的极限效率分别为24.5%、24.9%和27.1%，主要受接触区的高J0区限制。

此外，参考文献[18]的作者指出，Brendel模型的局限性在于对非接触区域的完全钝化假设和对介质钝化层的要求(目前还没有)，其钝化效果优于选择性接触[18]。fe,max + fh,max < 30%的接触组合在考虑非接触区域的复合时，效率潜力显著降低。对于SHJ结构，得到fe,max + fh,max = 68.3%。

众所周知，SHJ和双面TOPCon太阳能电池的正面都存在严重的寄生吸收[44,63]。另一种电子选择性接触使用硅:a-Si:H(i)/transition-metal--oxide可能有前途的[1],而另一方面,一个从Brendel关键信息的模型是一个a-Si:H(i)/a-Si:H(p)接触孔仍优化在实际太阳能电池设备,联系表演和工艺可行性。

有趣的是，如果能够将a-Si:H(i)/a-Si:H(p)与SiOx/poly-Si(n+)触点结合，如表6所示，理论上可以得到更高的极限效率，达到28.9%。SHJ和TOPCon技术的交叉，使钝化接触技术开发商在追求更高的效率，并最终取得后perc光伏技术的商业成功方面面临着普遍的挑战。

表6表3的副本参考[18]，显示组合选择性(S10,e&h,max，左上角)，接触面积分数最大化效率(fe,max，右上方;fh,max，左下)和理论极限效率ηmax，右下)的计算方法是通过更新a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和a-Si:H(i)/a-Si:H(n)选择性触点的接触电阻来计算的。已更新的号码用红色标出。


4. 总结

我们建立了一个数值模型来模拟25.11% SHJ太阳能电池的性能。通过模拟，a-Si:H(i)/a-Si:H(p)的ρc、p和a-Si:H(i)/μc-SiOx:H(n)的ρc、n分别为0.055Ω cm2和0.018Ω cm2。然后我们使用Brendel的模型来重新评估SHJ太阳能电池的理论极限效率使用这些值。计算得到的极限效率为28.5%，与TOPCon双面太阳能电池的极限效率28.7%相当。有趣的是，结合a-Si:H(i)/a-Si:H(p)和SiOx/多晶硅(n+)触点，太阳能电池的极限效率为28.9%，显示了混合结构太阳能电池的潜力。 

原标题：论硅异质结太阳能电池的极限效率