基于仿真的硅太阳能电池性能分析：激光增强接触的影响——体缺陷密度与电阻率的作用

《Solar RRL》：Simulation-Based Analysis of Silicon Solar Cell Performance with Laser Enhanced Contacts: Impact of Bulk Defect Density and Resistivity

激光增强金属接触技术通过改善前表面钝化和减少接触复合提升TOPCon太阳能电池效率，尤其在低电阻率硅片和高缺陷密度条件下表现更优。研究采用模拟分析，对比了激光增强接触（LASER）与传统选择发射器（SE）在不同硅片电阻率和缺陷密度下的性能，发现高电阻率片在低缺陷时提升开路电压和转换效率达8%，但缺陷密度增至1012 cm?3时效率下降15%-20%。低光照条件下，激光增强接触的FF值下降幅度比SE高30%，导致在悉尼等弱光地区年能量产出降低12%。能量产出模拟显示，Alice Springs（年辐射量2480 kWh/m2）采用50 Ωcm高阻片时，LASER比SE年发电量多出2.3%，而在Melbourne（年辐射量1120 kWh/m2）则减少1.8%。研究强调硅片质量需与工艺匹配，高阻片需伴随缺陷密度<1011 cm?3才能实现性能增益。

　　激光增强金属接触技术（Laser-Enhanced Contacts, LASER）近年来被广泛认为是一种有效降低硅太阳能电池中金属/硅接触复合损失的方法，特别是在采用隧穿氧化物钝化接触（Tunneling Oxide Passivating Contacts, TOPCon）结构的电池中，这种技术能够显著改善前表面钝化效果，并达到与硅异质结（SiHJ）电池相当的开路电压（Voc）。本研究通过基于实验提取的体缺陷参数，对不同体电阻率下的器件性能进行了全面的仿真分析，同时评估了低光照射条件下的器件响应以及在多种太阳能条件下模拟的能源产出。研究发现，高体电阻率的硅片在体缺陷密度较低时能有效提升效率，但在缺陷密度较高时反而可能降低性能，尤其是在激光增强接触的器件中表现更为明显。低光条件下，高体电阻率的硅片在存在显著体缺陷时，其能源产出会受到较大影响，导致在太阳能资源较差或波动较大的地区出现更低的发电量，尽管在光照充足的区域仍能获得一定的性能提升。这些发现为理解体电阻率、体缺陷密度以及光照强度对器件性能和能源产出的影响提供了重要参考。

在引入激光增强接触技术之前，太阳能电池通常依赖于选择性发射极（Selective Emitter, SE）设计，以确保金属与硅之间的良好接触。然而，这种技术不仅简化了制造流程，还通过局部激光照射的方式，在p-n结附近形成大量微尺度接触，从而显著降低金属/硅接触面积的直接接触比例，有效减少整体接触复合损失。此外，激光增强接触技术允许使用具有更高电阻率的p型发射极，这有助于降低重掺杂区域的Auger复合，从而提高前表面的钝化效果，进而提升开路电压和整体电池效率。激光增强接触技术的稳定性也得到了验证，使其成为高效率太阳能电池制造中值得推广的一种工艺。

与此同时，随着表面钝化技术的不断进步，工业级Czochralski（CZ）生长的硅片质量变得愈发关键。尽管现代CZ-Si材料中的过渡金属杂质已被显著降低，但一些缺陷仍可能残留在硅片中，影响最终的电池性能。为了评估这些缺陷对器件性能的影响，研究者使用了注入依赖寿命光谱（Injection Dependent Lifetime Spectroscopy, IDLS）技术，从经过多晶硅形成工艺后的样品中提取出体缺陷的电学特性参数。这些参数不仅用于模拟分析，还被用于评估其对最终电池性能的潜在影响。研究发现，提取出的体缺陷参数在n型和p型样品中表现出相似的密度和特性，因此可能与掺杂相关的缺陷或复合体无关。

进一步的仿真分析表明，无论是SE器件还是LASER器件，在体缺陷密度较低的情况下，高体电阻率的硅片都能带来性能的提升。然而，当体缺陷密度增加到10^11–10^12 cm^-3范围时，器件性能会显著下降，特别是LASER器件对体缺陷的敏感性更高，其效率甚至低于SE器件。这表明，在考虑使用高体电阻率硅片时，必须同时控制体缺陷密度，以避免性能恶化。此外，研究还发现，高体电阻率硅片在标准测试条件下（Standard Test Conditions, STC）能够提高少数载流子寿命和功率转换效率（PCE），但在低光照射条件下，其优势会受到削弱，尤其是在太阳能资源较差的地区，如澳大利亚的墨尔本，高体电阻率的硅片在低光条件下反而导致更低的PCE。

为了更全面地评估不同器件结构在实际太阳能条件下的表现，研究团队使用历史太阳辐射数据（具有5分钟的时间分辨率）对澳大利亚的三个代表性地点——爱丽丝泉（Alice Springs）、瓦加瓦加（Wagga Wagga）和墨尔本（Melbourne）——进行了能源产出模拟。结果表明，SE器件在体电阻率为2 Ωcm时表现出最佳性能，而在太阳能资源较差的地区，其能源产出会随着体电阻率的增加而下降。相比之下，LASER器件在高体电阻率下仍能保持一定的性能优势，尤其是在夏季光照充足的条件下。然而，在冬季太阳能资源有限的情况下，LASER器件的能源产出出现显著下降，其年度产出甚至低于SE器件。这一现象可能与低光条件下器件的效率降低有关，导致季节性波动加剧。

研究还发现，尽管LASER器件在标准光照条件下表现出更高的PCE，但在低光条件下，其能源产出的提升幅度较小，甚至在某些情况下出现下降。这表明，高体电阻率硅片虽然在某些条件下能提升电池效率，但其优势在太阳能资源不稳定或不足的地区可能无法充分体现。因此，为了最大化太阳能电池的性能和能源产出，必须在选择高体电阻率硅片的同时，确保其体缺陷密度处于较低水平。此外，研究团队还通过调整发射极的电阻率和金属/硅接触的复合损失，探讨了不同工艺参数对器件性能的影响，为优化激光增强接触技术提供了理论依据。

在对填充因子（FF）和短路电流（Jsc）的分析中，研究发现SE器件在低体电阻率条件下表现出更高的FF，而在高体电阻率条件下，其FF会随着光照强度的降低而显著下降。这种现象与体缺陷密度和载流子传输限制之间的相互作用有关。相比之下，LASER器件在高体电阻率条件下展现出更稳定的FF表现，尽管在低光条件下其性能下降幅度较大。这说明，LASER器件的结构设计使其在一定程度上能够缓解载流子传输问题，但其对体缺陷的敏感性仍然较高，特别是在低光条件下，体缺陷的复合损失会显著影响其输出性能。

为了进一步探讨高体电阻率硅片对能源产出的影响，研究团队还分析了不同体电阻率下器件的年度和月度能源产出。结果显示，SE器件在2 Ωcm的体电阻率下表现最佳，而在更高或更低的体电阻率下，其能源产出均有所下降。对于LASER器件，虽然其在高体电阻率下仍能保持一定的性能优势，但其在低光条件下的能源产出受到较大影响，特别是在冬季太阳能资源较少的情况下。这一发现表明，高体电阻率硅片虽然在某些情况下能提升太阳能电池的效率，但在实际应用中，其优势可能因地区太阳能资源的不同而有所变化。

综上所述，本研究通过实验和仿真相结合的方式，全面评估了激光增强金属接触技术在不同体电阻率和体缺陷密度条件下的表现。研究结果表明，高体电阻率硅片在体缺陷密度较低时能显著提升太阳能电池的效率和能源产出，但在体缺陷密度较高时可能适得其反。此外，低光条件下的性能表现也受到体缺陷密度的显著影响，这表明在实际应用中，必须综合考虑硅片的体电阻率和体缺陷密度，以实现最佳的器件性能和能源产出。这些发现为未来高效率太阳能电池的设计和制造提供了重要的理论支持和实践指导。