1 引言
随着每单位电力成本的降低，光伏（PV）技术的能源生产正在增加。太阳能的一个主要优势在于它是最丰富的可再生能源，研究表明，太阳能的流入量是全球能源需求的约10,000倍。截至2018年底，全球装机容量已达到512吉瓦（GW），其中35%为公用事业规模电站。太阳能电池板的生产很简单，因为电池板中没有任何移动部件，并且本质上是固态的。第一代太阳能电池是晶体硅光伏电池，它是最早进入市场的，占全球所有太阳能电池板的90%。第一代太阳能电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅和混合太阳能电池。第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池，因为其厚度仅为几微米，与晶体硅太阳能电池相比，它们由非晶硅和非硅材料（如CdTe、CIGS）制成。由于单结太阳能电池的功率转换效率（PCE）存在33.7%的肖克利-奎伊瑟极限限制[1]，因此进一步提高效率的解决方案是多结太阳能电池技术或纳米技术（第三代）。第三代电池包括硅以外的材料，如纳米管、硅纳米线、太阳能墨水、原始染料、量子点和导电塑料。硅纳米线在增强具有小于光学厚度的扩散长度的材料的PCE方面受到了广泛关注[2]。另一种技术是使用量子点来利用完整的太阳光谱[3]，通过拓宽半导体材料的带隙来实现[4]。应努力进一步减少第一代太阳能电池的损失，因为它们的效率最高且最具商业可用性。
隧道氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池是第一代太阳能电池，其结构已实现了24.4%的效率[5]，这是晶体硅太阳能电池所获得的最高效率。在后部引入了一层超薄氧化物以获得高质量的钝化[6]。最重要的是，由于全面积接触[8]，其制造成本低于其他复杂结构，如PERC、IBC[7]。全球对PERC太阳能电池的需求正在迅速增长。据估计，到2022年，其需求可能从2018年的52吉瓦增长到158吉瓦[9]。在TOPCon结构中，电荷载流子通过绝缘体以量子隧穿机制通过，这钝化了晶片并进一步减少了复合损失[11]。与PERC太阳能电池的生产过程所使用的设备相同，也可以制造TOPCon结构[12-14]。与PERC太阳能电池相比，TOPCon的制造过程相对更简单，因为其后部实现了完全钝化和金属接触[15]。在TOPCon中，由于一维电流流动，后接触的基极电阻降低。具有基本结构和出色性能的多晶硅钝化接触是高效率工业太阳能电池的有力竞争者[16]。在当前形势下，TOPCon结构有能力进入全球市场[17]。
复合是指生成的载流子的损失，这些载流子本可以贡献给电池可以产生的电流或电压。复合主要发生在体部和表面区域[18]。后部的介电层或钝化接触也减少了复合电流。为了收集所有光生载流子，需要最小化表面和体部的复合，这通常发生在生成的载流子在其扩散长度之内时。由于表面体积比的增加，许多硅器件的表面复合[19]比体部复合更需要关注[20]。影响复合的参数包括有效少数载流子寿命τeff、表面复合速度S和发射极复合电流Joe。有效寿命可以根据其位置分为表面寿命τs（以秒为单位）和体寿命τb（以秒为单位）。这两个术语通过反加法相关联，如等式（1）所示。有效载流子寿命表示为表面复合速度的函数，如等式（2）所示。其中W是晶片厚度，D是少数载流子的扩散常数[21-23]。
减少表面复合损失对于进一步提高商用太阳能电池的性能至关重要。在无光照条件下，发射极复合电流大于基极复合电流，这是由于体部区域缺陷密度大、能带隙变窄和俄歇复合过程所致[24]。钝化技术包括降低界面密度和场效应钝化，后者通过引入固定量的另一种类型的电荷来减少一种类型的电荷[7]。在这项工作中，我们研究了表面复合速度和影响表面复合的各种参数的影响。利用HZB（柏林哈恩-迈特纳研究所）开发的用于异质结构的模拟软件AFORS-HET（Automat FOR Simulation of HETero-structures）的数值工具，研究了背表面场（BSF）层和隧道氧化物对SRV的影响[25]。本研究通过数值模拟[26]获得TOPCon结构的优化参数[16]。这项工作是对先前TOPCon研究的补充，详细考虑了SRV对太阳能电池参数的影响，以及使用优化的TOPCon结构来抑制其影响[26-28]。

2 模拟设置
用于AFORS-HET模拟的TOPCon结构如图1所示，表1列出了TOPCon结构不同层所需的数值模拟值[29]。
3 结果与讨论
随着隧道氧化物厚度的增加，隧穿效率降低，而BSF层掺杂浓度的增加则提高了隧穿效率。为了提高太阳能电池的效率，需要优化这些参数。将优化的TOPCon结构和BSF结构进行比较，以获得开路电压（V_OC）和短路电流（J_SC）的变化。
3.1 隧道氧化物宽度的影响
隧道氧化物提高了背面的钝化质量[30]，降低了电流复合密度。复合电流密度是另一种表示SRV（表面复合速度）的方式。更厚的氧化物层增加了电子和空穴准费米能级之间的带隙，从而提高了V_OC，并将漏电流降至几乎为零[15]。通过改变SRV来观察其对太阳能电池参数的不利影响。如图2所示，随着薄氧化物层宽度的增加，SRV的影响减小。
应用隧道氧化物层可以减少背面SRV的影响。在没有氧化物层（约0 nm厚度）的情况下，当背面SRV从1 × 104变化到1 × 107 cm/s时，V_OC从730 mV显著下降到640 mV，效率从25%降低到22%。随着氧化物宽度的增加，SRV的影响被抑制，V_OC和J_SC值增加。在图2a中，当厚度超过0.8 nm时，由于优异的表面钝化质量，SRV对V_OC的影响减小。在图2b中，隧道氧化物厚度超过1 nm时，J_SC急剧上升，表明钝化效果优异且接触电阻率低。填充因子（FF）最初保持不变，但超过0.9 nm或1 nm厚度后开始恶化。这种衰减的原因可以从暗态J-V特性中看出，随着每增加0.2 nm氧化物厚度，隧穿电流密度降低（15-16倍）[31]，并且寄生电阻增加。由于这些影响，结构的效率在厚度达到1 nm时增加，然后开始下降。随着氧化物厚度的增加，隧穿效率降低，看起来由于电流通道减少，转换效率应该降低。然而，氧化物层的应用也减少了由于良好钝化和通过隧穿选择性通过电荷载流子而引起的复合。复合的减少在隧穿效率降低中占主导地位，因此总体转换效率增加。直到由于氧化物厚度增加（超过1 nm）导致寄生电阻增加而导致FF显著下降之前，转换效率都在增加。为了抑制SRV对太阳能电池效率的影响，隧道氧化物层的厚度必须保持在约0.8 nm至1 nm之间。

3.2 BSF引起的场效应钝化
TOPCon结构背面采用的背表面场（BSF）层会产生场效应钝化。具有p-n-n+结构的太阳能电池模型，在n-n+空间电荷区不会形成耗尽区[32]。由于浓度水平的急剧变化，会建立电压（参考方程3），产生与p-n结产生的电场方向相同的高电场。该电场使少数载流子（在这种情况下为空穴）因高掺杂浓度引起的扩散梯度而在背面加速。随着氧化物层厚度的增加，隧穿效率降低。然而，通过适当掺杂后n+层可以实现高隧穿电流，从而改善隧穿效率。分析了不同SRV条件下BSF的影响，并获得了合适的掺杂值，该值随后与选定的氧化物层厚度一起研究，以获得结构的优化值。
在图3中，当BSF浓度为10^19 cm^-3时，考虑从10^4到10^7 cm/s变化的后SRV，V_OC从730 mV下降到620 mV，J_SC从40下降到38.2 mA/cm^2。本研究采用薄氧化物层（约0 nm）来研究场效应钝化的影响，并获得显著的掺杂值。随着BSF掺杂的增加，V_OC和J_SC值增加，因为复合电流降低。V_OC的增加还归因于BSF层产生的附加内建电压，因此随着掺杂值的增加，V_OC值增加。由于BSF对SRV的抑制作用已达到最大可能水平，且无法进一步降低复合，因此J_SC在高掺杂值下达到饱和。由于V_OC的大幅增加，效率也增加。
由于n型费米能级钉扎效应，模拟一直进行到最大浓度10^21 cm^-3。随着n型掺杂的增加，费米能级向导带移动，减少了阳离子空位和“电子杀死”现象的形成[33]。掺杂浓度为10^18到10^20 cm^-3是令人满意的，既能获得优异的效率，又能防止在高掺杂水平下明显的俄歇复合。

3.3 隧道氧化物厚度和BSF掺杂的优化
随着氧化物厚度的增加，隧穿效率降低，而随着掺杂浓度的增加，隧穿效率提高。因此，为了实现TOPCon电池的高性能和良好的隧穿电流，需要进行优化。如图4所示，观察了从0.8 nm到1 nm的氧化物厚度和从10^16到10^20 cm^-3的BSF掺杂浓度的各种器件参数。当氧化物层较厚且掺杂密度较低时，由于表面复合，开路电压较低。随着掺杂密度的增加，V_OC和J_SC均增加。在掺杂密度约为10^17 cm^-3时，如图4a所示，无论氧化物层厚度如何，隧穿电流密度均增加。图4c中，在达到高掺杂浓度（10^19 cm^-3）之前，填充因子较低，且1 nm隧道氧化物结构的效率显著增加，也是出于同样的原因。
4 结论
利用数值工具AFORS-HET对TOPCon结构进行了优化，以减少SRV对太阳能电池性能的影响。分别对隧道氧化物和BSF的厚度和掺杂进行了优化。在优化的BSF掺杂（= 1019 cm-3）和氧化物层厚度（= 1 nm）下，观察到开路电压增加了40 mV，短路电流增加了5 mA/cm2。优化后的电池表现出760 mV的开路电压、43 mA/cm2的短路电流、80%的填充因子和25%的效率。