CN113644002A - 太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，通过暗态I‑V曲线对应样品不同的正面电极面积S绘制出dV/d(lnI)‑I曲线，并结合双(二极管+电阻)等效电路模型对曲线进行分段分析，进而计算出电阻‑电极面积倒数曲线，经曲线拟合得到直线的斜率即为带钝化层的免掺杂异质结电池样品的少数载流子端比接触电阻。本发明结合带钝化层的免掺杂异质结太阳电池少数载流子端载流子传输模型，建立对应的等效电路图，进而得到提取带钝化层的免掺杂异质结太阳电池少数载流子端接触电阻的方法。
Description
技术领域
本发明涉及免掺杂异质结太阳电池性能测试技术领域，具体是一种基于双(二极管+电阻)模型提取带钝化层的免掺杂异质结太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法。
背景技术
太阳电池的关键在于具有良好的钝化接触，优秀的钝化接触需要其具备良好的钝化和较低的接触电阻。免掺杂异质结电池影响其效率的问题更加突出在其接触电阻的问题上，其接触电阻通常比同质结太阳电池高出2～5个数量级，使得其很大程度上抵消了异质结电池在钝化上的优势积累。因此，如何行之有效的准确测试其接触电阻值将对判断免掺杂异质结的质量极为关键。在免掺杂异质结电池中，以n型硅衬底为例，电池的少数载流子端(n型硅的空穴传输端)接触电阻在相同情况下，往往大于多数载流子端(n型硅的电子传输端)1～2个数量级，成为影响电池串阻的重要因素。
但目前接触电阻的测试方法主要为采用不同圆盘大小的CS(Cox and Strack)测试方法(Cox R H,Strack H.Ohmic contacts for GaAs devices[J].Solid StateElectronics,1966,10(12):36-36)和采用传输线矩阵TLM(Transfer Length Method)的测试方法(Reeves G K,Harrison H B.Obtaining the specific contact resistance fromtransmission line model measurements[J].IEEE Electron Device Letters,2005,3(5):111-113)。这两种测试方法均适用于欧姆接触的情况。在多数载流子端的接触电阻的测试，主要为欧姆接触，因此采用以上方法均可准确测量。然而，少数载流子端通常为非欧姆接触，传统接触电阻测试已经失效。
早期，王唯等通过改进CS法成功提取了异质结过渡金属氧化物/n-Si少数载流子端的比接触电阻(Wang W,Lin H,Yang Z,et al.An Expanded Cox and Strack Methodfor Precise Extraction of Specific Contact Resistance of Transition MetalOxide/n-Silicon Heterojunction[J].IEEE Journal ofPhotovoltaics,2019,9:1113-1120)。但为实现良好的钝化质量，通常会在过渡金属氧化物/n-Si间引入钝化层，而***钝化层使该异质结的I-V曲线变得复杂，采用王唯等的方法已无法解释曲线的变化，更无从提取出准确的接触电阻。
发明内容
本发明针对现有模拟过程需要输入至少十几个以上的物理参数，采用免掺杂异质结传输模型难以拟合的缺陷，提出一种太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，结合带钝化层的免掺杂异质结太阳电池少数载流子端载流子传输模型，建立双(二极管+电阻)等效电路图，可以快速获取异质结的关键参数，实现准确、有效地提取出具有钝化层的免掺杂异质结少子端的接触电阻。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，通过暗态I-V曲线对应样品不同的正面电极面积S绘制出dV/d(lnI)-I曲线，并结合双(二极管+电阻)等效电路模型对曲线进行分段分析，进而计算出电阻-电极面积倒数曲线，经曲线拟合得到直线的斜率即为带钝化层的免掺杂异质结电池样品的少数载流子端比接触电阻。
所述的样品，采用带钝化层的免掺杂异质结少数载流子端测试样品，包括作为衬底的n型或p型单晶硅层、设置于衬底一侧的欧姆接触层以及依次设置于衬底另一侧的钝化层、包含电极的功能层，该样品采用光刻法制备隔离层得到，制备过程中功能层中设置不同的正面电极面积S。
所述的钝化层采用但不限于SiOx、a-Si:H(i)或AlOx等材料。
所述的功能层，当衬底为n型硅片时，功能层采用但不限于MoOx、PEDOT:PSS或VOx等高功函数材料；当衬底为p型硅片时，功能层采用但不限于TaOx、TiOx或MgO等低功函数材料。
所述的欧姆接触层为多数载流子传输区域，对于n型硅为多数载流子(电子)的传输，采用但不限于低功函材料或是采用n+层；对于p型硅为多数载流子空穴的传输，采用但不限于高功函材料或是p+层。
所述的不同的正面电极面积S是指：不同直径的圆盘或不同边长的方形盘，优选为不同直径d的圆盘且d＝0.06,0.08,0.10,0.12,0.16,0.20,0.24cm。
所述的暗态I-V曲线测试是指：采用四线法或二线法连接线路，测试得到样品的暗态I-V曲线。
所述的样品总电阻RT，具体为：接触电阻RC，扩散电阻RS和残余电阻R0之和，其中：接触电阻RC包括异质结界面的接触电阻、功能层、金属电极以及a-Si:H(i)的体电阻；扩散电阻RS与硅的厚度以及电阻率有关；残余电阻R0是一个常数值。
所述的双(二极管+电阻)等效电路模型，即带钝化层的免掺杂异质结少数载流子端界面的等效电路，包括并联的空穴电流支路和电子电流支路，其中空穴电流支路包括串联的空穴二极管DP和空穴电阻RP，电子电流支路包括串联的电子二极管DN和电子电阻RN。
所述的分段分析，具体为：流过测试样品的电流I刀IN+IP，其中：
V为等效电路的总电压；I0P和I0N分别表示饱和空穴和电子的电流；RP和RN分别表示空穴和电子传输中遇到的电阻，q为单位电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；利用等效电路与测量免掺杂异质结电池的暗态I-V曲线相拟合，再从通过提取总电阻RT的公式：
其中：V为施加到测试样品的电压，n为理想因子。根据等效电路证实dV/d(lnI)-I曲线前半部分线性曲线的斜率对应空穴传输时的电阻，因此拟合前半部分线性曲线的斜率得到总电阻RT。
所述的电阻-电极面积倒数曲线，通过样品总电阻RT计算得到的扩散电阻RS，绘制r＝RT-RS随电极面积的倒数1/S变化的线性曲线。
所述的少数载流子端比接触电阻，根据电阻-电极面积倒数曲线拟合得到直线的斜率即为带钝化层的免掺杂异质结电池样品的少数载流子端比接触电阻ρC，具体为：
所述的光刻法的具体步骤是：①在样品正面制备钝化层后继续沉积一层隔离层；②在隔离层上旋涂一层光刻胶；③光刻胶烘干后使用掩模版遮盖样品进行紫外曝光；④通过显影形成不同面积大小圆盘阵列；⑤使用HF去除这些圆盘下的隔离层；⑥使用掩模版在裸露的钝化层上沉积功能层/电极。
所述的掩模法是指：在样品正面制备钝化层后采用具有不同面积大小的金属掩膜版对准样品沉积功能层/电极。
技术效果
本发明将传统的CS方法进行优化，因为传统的CS和TLM方法仅能适用于欧姆接触的情况。同时对改进的C.S法进行进一步提升，主要原因是改进的CS法仅适用于提取异质结过渡金属氧化物/n-Si少数载流子端的比接触电阻。在异质结中引入钝化层后(如本征非晶硅或氧化硅)，其异质结的导电特性将变得极为复杂，且少数载流子端的质量非常容易受到异质结界面特性，异质结材料的导电性及功函数等影响，非常容易形成诸如S型曲线，热稳定性不佳等问题。如果一味的通过制备全电池来观察异质结的特性，不仅极大的增加实验周期和难度，而且也并不能很好的表征其特性。本发明通过采用拓展的CS方法并结合暗态I-V曲线的分析方法，可有效地测试带钝化层的异质结少子端的接触特性。
与现有技术相比，通过本发明可更有效准确的提取少数载流子端的接触电阻，且该方法简单易行，为免掺杂异质结太阳电池的电学特性测量提供新的途径。同时，本发明围绕免掺杂异质结的特点，重新修饰和改进接触电阻测试方法，使得其能被有效地应用在材料的筛选和异质结的研究上，缩短研究周期，提升电池效率。
附图说明
图1为带钝化层的免掺杂异质结少数载流子端界面载流子的传输示意图；
图2为带钝化层的免掺杂异质结少数载流子端界面的等效电路图；
图3为运用金属掩膜版通过光刻法得到的样品示意图；
图4为四探针法测试免掺杂异质结少数载流子端比接触电阻样品的示意图；
图5为实施例器件测试样品(d＝0.08cm)与等效电路拟合的结果；
图6为实施例器件测试得到的r-1/S曲线图及拟合结果；
图7为实施例流程图。
具体实施方式
如图7所示，为本实施例涉及一种带钝化层的免掺杂异质结太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，以n型硅作为衬底，采用Ag/MoOx/a-Si:H(i)/n-Si异质结作为免掺杂异质结电池少数载流子端接触电阻测试的样品，包括以下步骤：
步骤1，选择厚度为250μm的单面抛光n型(1Ω.cm)硅片作为衬底，用标准RCA流程清洁硅片，并用4％的HF去除晶片表面的氧化层；
步骤2，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在n型硅衬底上厚度为4nm的a-Si:H(i)薄膜作为钝化层；
步骤3，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备，在非晶硅薄膜上沉积75nm的SiNx薄膜作为隔离层。
步骤4，在隔离层上旋涂光刻胶，通过光刻法利用金属掩模版对圆盘阵列进行构图，随后采用稀4wt％HF溶液去除这些圆盘下的SiNx薄膜，将a-Si:H(i)薄膜裸露出来(如图3所示)；
步骤5，使用具有光刻图案的掩模板，通过热蒸发设备将厚度为10nm/200nm的MoOx/Ag叠层(通过石英晶体微量天平监控并通过椭圆偏振法确认)沉积到裸露的a-Si:H(i)薄膜上，以形成Ag/MoOx/a-Si:H(i)/n-Si异质结如图4所示；
步骤6，在n型硅背面上通过热蒸发沉积LiF/Al(0.5nm/400nm)薄膜形成欧姆接触；
步骤7，通过KEITHLEY2400参数分析仪测试样品的运用四探针法测试不同圆盘面积S对应的暗态I-V曲线；
步骤8，通过取d＝0.08cm的暗态I-V曲线数据，根据S＝πd2/4得到相应的J-V曲线，将所得数据与等效电路的拟合，如图5所示。根据拟合曲线得到dV/d(lnJ)-J曲线的前半部分线性曲线A,B点与J-V曲线中空穴电流占主导时相对应，因此取dV/d(lnJ)-J曲线前半部分线性曲线的斜率才能反映少数载流子端空穴的传输电阻；
步骤9，根据不同的圆盘面积S绘制dV/d(lnI)-I曲线，并根据曲线拟合前半部分线性曲线的斜率得到总电阻RT，n为圆盘序号，d为圆盘的直径，RT是对应的电阻值，得到结果如表1所示。
表1
| n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| d(cm) | 0.06 | 0.08 | 0.10 | 0.12 | 0.16 | 0.20 | 0.24 |
| R<sub>T</sub>(Ω) | 90.00 | 48.59 | 27.82 | 19.60 | 10.83 | 7.85 | 5.33 |
步骤10，采用的n型单晶硅片电阻率为1Ω·cm，厚度为250μm，因此计算得到扩散电阻
再利用r＝RT-RS得到r值，得到结果如表2。
表2
| n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| R<sub>S</sub>(Ω) | 5.47 | 3.57 | 2.50 | 1.84 | 1.11 | 0.74 | 0.52 |
| r(Ω) | 84.53 | 45.03 | 25.33 | 17.76 | 9.73 | 7.11 | 4.81 |
步骤11，根据S＝πd2/4计算得到不同圆盘直径d对应圆盘面积倒数1/S。
如图6所示，将各圆盘得到的r值依次根据各圆盘面积倒数1/S变化制成线性曲线r＝A(1/S)+B。得到拟合直线斜率A＝0.256Ω·cm2，因此计算得出免掺杂异质结电池少数载流子端接触电阻ρC＝0.256Ω·cm2。
与现有技术相比，本发明采用拓展的CS方法并结合暗态I-V曲线的分析方法，可有效地测试带钝化层的异质结少子端的接触特性。本发明结合传输模型的公式建立传输模型的等效电路图，并结合实验结果，精准获取少子端的具有钝化层条件下的接触特性的表征。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征在于，通过暗态I-V曲线对应样品不同的正面电极面积S绘制出dV/d(lnI)-I曲线，并结合双(二极管+电阻)等效电路模型对曲线进行分段分析，进而计算出电阻-电极面积倒数曲线，经曲线拟合得到直线的斜率即为带钝化层的免掺杂异质结电池样品的少数载流子端比接触电阻；
所述的样品，采用带钝化层的免掺杂异质结少数载流子端测试样品，包括作为衬底的n型或p型单晶硅层、设置于衬底一侧的欧姆接触层以及依次设置于衬底另一侧的钝化层、包含电极的功能层，该样品采用光刻法制备隔离层得到，制备过程中功能层中设置不同的正面电极面积S；
所述的双(二极管+电阻)等效电路模型，即带钝化层的免掺杂异质结少数载流子端界面的等效电路，包括并联的空穴电流支路和电子电流支路，其中空穴电流支路包括串联的空穴二极管DP和空穴电阻RP，电子电流支路包括串联的电子二极管DN和电子电阻RN。
2.根据权利要求1所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的功能层，当衬底为n型硅片时，功能层采用MoOx、PEDOT:PSS或VOx材料；当衬底为p型硅片时，功能层采用TaOx、TiOx或MgO材料；
所述的钝化层采用SiOx、a-Si:H(i)或AlOx材料。
3.根据权利要求1所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的欧姆接触层为多数载流子传输区域，对于n型硅为多数载流子或电子的传输，采用低功函材料或是采用n+层；对于p型硅为多数载流子空穴的传输，采用高功函材料或是p+层。
4.根据权利要求1所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的不同的正面电极面积S是指：不同直径的圆盘或不同边长的方形盘。
5.根据权利要求1或4所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的不同的正面电极面积S为不同直径d的圆盘且d＝0.06,0.08,0.10,0.12,0.16,0.20,0.24cm。
6.根据权利要求1或2所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的暗态I-V曲线测试是指：采用四线法或二线法连接线路，测试得到样品的暗态I-V曲线；
所述的样品总电阻RT，具体为：接触电阻RC，扩散电阻RS和残余电阻R0之和，其中：接触电阻RC包括异质结界面的接触电阻、功能层、金属电极以及a-Si:H(i)的体电阻；扩散电阻RS与硅的厚度以及电阻率有关；残余电阻R0是一个常数值。
7.根据权利要求1所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的分段分析，具体为：流过测试样品的电流I刀IN+IP，其中：
V为等效电路的总电压；I0P和I0N分别表示饱和空穴和电子的电流；RP和RN分别表示空穴和电子传输中遇到的电阻，q为单位电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；利用等效电路与测量免掺杂异质结电池的暗态I-V曲线相拟合，再从通过提取总电阻RT的公式：
其中：V为施加到测试样品的电压，n为理想因子，根据等效电路证实dV/d(lnI)-I曲线前半部分线性曲线的斜率对应空穴传输时的电阻，因此拟合前半部分线性曲线的斜率得到总电阻RT。
8.根据权利要求1所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的电阻-电极面积倒数曲线，通过样品总电阻RT计算得到的扩散电阻RS，绘制r＝RT-RS随电极面积的倒数1/S变化的线性曲线。
9.根据权利要求1所述的太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法，其特征是，所述的少数载流子端比接触电阻，根据电阻-电极面积倒数曲线拟合得到直线的斜率即为带钝化层的免掺杂异质结电池样品的少数载流子端比接触电阻ρC，具体为：
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| CN202110914468.1A Active CN113644002B (zh) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 太阳电池少数载流子端接触电阻的测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113644002B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010175484A (ja) * | 2009-01-31 | 2010-08-12 | Calsonic Kansei Corp | バッテリの内部抵抗成分推定方法及び充電容量推定方法 |
| CN204651337U (zh) * | 2012-05-29 | 2015-09-16 | 新加坡国立大学 | 混合太阳能电池 |
| CN110140223A (zh) * | 2016-12-12 | 2019-08-16 | 洛桑联邦理工学院 | 硅异质结太阳能电池以及制造方法 |
-
2021
- 2021-08-10 CN CN202110914468.1A patent/CN113644002B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010175484A (ja) * | 2009-01-31 | 2010-08-12 | Calsonic Kansei Corp | バッテリの内部抵抗成分推定方法及び充電容量推定方法 |
| CN204651337U (zh) * | 2012-05-29 | 2015-09-16 | 新加坡国立大学 | 混合太阳能电池 |
| CN110140223A (zh) * | 2016-12-12 | 2019-08-16 | 洛桑联邦理工学院 | 硅异质结太阳能电池以及制造方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WEI WANG, HAO LIN, ZHENHAI YANG, ZILEI WANG, JIAJIA WANG, LONGFEI ZHANG, MINGDUN LIAO, YUHENG ZENG, PINGQI GAO, BAOJIE YAN, AND JI: "An Expanded Cox and Strack Method for Precise Extraction of Specific Contact Resistance of Transition Metal Oxide/n-Silicon Heterojunction", IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, vol. 9, no. 4, pages 1113 - 1120, XP011730836, DOI: 10.1109/JPHOTOV.2019.2917386 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113644002B (zh) | 2023-12-05 |
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