微晶硅晶體硅HIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池的模擬計算與分析

1、/微晶硅晶體硅HIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池的模擬計算與分析()內(nèi)蒙古師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院內(nèi)蒙古自治區(qū)功能材料物理與化學(xué)重點實驗室,內(nèi)蒙古呼和浩特010022()/()/()摘暋要:運用AFORS灢HET程序模擬分析毺cSicSiicSinHIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池的光伏特性,p灢灢灢毺韓暋兵,周炳卿,郝麗媛,王立娟,那日蘇并研究發(fā)射層厚度、本征層厚度、本征層能隙寬度、界面態(tài)密度以及能帶失配等參數(shù)對太陽能電池光伏特性的影響.計算結(jié)果表明:插入5電池的轉(zhuǎn)換效率最佳;隨著微晶硅本征層厚度增加,電池性能nm較薄微晶硅本征層,降低,電池的界面缺陷態(tài)顯著影響電池的開路電壓和填充因子.對能帶補償情況進行模擬

2、分析,結(jié)果顯示,隨著價乎完全消除.通過優(yōu)化各參數(shù),獲得微晶硅/晶體硅HIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽能電池的最佳轉(zhuǎn)換效率為19.86%.關(guān)鍵詞:微晶硅/晶體硅;異質(zhì)結(jié);太陽電池;模擬計算()中圖分類號:TN302;TN36暋暋文獻標(biāo)識碼:A暋暋文章編號:1001灢灢8735201003灢灢0257灢灢06帶補償(的增大,由界面態(tài)所帶來的電池性能的降低逐漸被消除,當(dāng)殼界面態(tài)帶來的影響幾殼EE0.25eV時,V)V=:)/:)/()日本三洋公司利用P結(jié)構(gòu)的1991年,ECVD制備出轉(zhuǎn)換效率超過16%的aSiH(aSiH(icSinp灢灢灢1,太陽電池他們把這種電池的結(jié)構(gòu)稱為“三洋公司又把面積為1HIT結(jié)構(gòu)暠.

3、2003年,00cm2的HIT太陽電池轉(zhuǎn)換效率的記錄改寫為2并獲得11.2%,8.5%轉(zhuǎn)換效率的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)2.HIT結(jié)構(gòu)太陽電池既3灢4,高溫過程(既減少能耗,又避免硅片在高溫處理過程中產(chǎn)生的性能退化因此,<200曟).HIT結(jié)構(gòu)太陽電池作為高效、穩(wěn)定、低成本的太陽電池越來越受到人們的重視.Tucci等5制備的異質(zhì)結(jié)太陽能電池效率6+:/已達1中科院張群芳等制備出的n目前,文獻7.1%,灢ncSiHcSi異質(zhì)結(jié)太陽電池效率達到17.27%.p灢灢灢有晶體硅電池的高效率、高穩(wěn)定的優(yōu)勢,又發(fā)揮了薄膜材料低成本的特點.這種電池結(jié)構(gòu)簡單,制備中不存在報道的結(jié)果與日本三洋公司的結(jié)果還存在一定

4、的差距.電壓.作為太陽電池的窗口材料,非晶硅薄膜的高電阻率、高吸收性,減少了太陽光的透過率,增大了電池的7灢8,串聯(lián)電阻,降低了電流的收集,而且非晶硅薄膜還存在光致衰退(效應(yīng)限制了其進一步的推廣和應(yīng)S灢W)在H通常采用非晶硅作為發(fā)射層和本征緩沖層,電池通常具有較高的開路IT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池中,:用.微晶硅(薄膜材料具有高穩(wěn)定性、高電導(dǎo)率、高透光性等特點,而且具有易制備、低成本的優(yōu)點,cSiH)灢毺灢10是硅基薄膜太陽電池比較理想的窗口材料,已成為近1但是,關(guān)于微晶硅/0年來太陽電池研究的熱點9.+:/:/AMPS程序計算分析了n灢ncSiHiaSiHcSiHIT結(jié)構(gòu)的能帶補償以及界面態(tài)密度和

5、本征非晶層厚p灢灢灢灢灢度對電池光伏特性的影響.但是AMP對異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽電池有一S程序比較適合非晶硅薄膜電池模擬計算,11灢1213,晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的實驗研究較多而理論工作還相對滯后.胡志華運用美國濱州大學(xué)發(fā)展的定的局限性.德國HM具有更好的準(zhǔn)確I小組研發(fā)的AFORS灢HET軟件專門用于異質(zhì)結(jié)電池的模擬計算,4性.采用ASchmidt等1FORS灢HET軟件計算分析了能帶補償對非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池性能的影響,獲得2并在模擬計算指導(dǎo)下通過實驗制備了15%的極限效率,9.8%的高效率非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池.然而,以前的模擬分析都是用非晶硅作為發(fā)射層及緩沖層,對微晶硅發(fā)射層及緩沖

6、層異質(zhì)結(jié)太陽電池的理論模擬分析還未見報道.本文采用P型微晶硅薄膜作為窗口層,采用本征微晶硅薄膜作為緩沖層,采用收稿日期:2009灢09灢20)基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50662003,:作者簡介:韓暋兵(男,內(nèi)蒙古赤峰市人,內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士研究生,1981-)E灢mailhanbinhsicsgpy·2暋暋暋58·內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)漢文版)第39卷暋使用A模擬計算了不同發(fā)射層厚度、本征層厚度、能隙寬N型晶體硅作為襯底材料,FORS灢HET模擬軟件,()/()/()度、能帶失配以及不同界面態(tài)密度對毺并給cSicSiicSinHIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池性能

7、的影響,p灢灢灢毺1暋物理模型出最佳工藝參數(shù).)模式下對器件進行直流模AFORS灢HET是在半導(dǎo)體材料態(tài)密度(DOS擬.在這種模式下,半導(dǎo)體的能帶電子態(tài)分為導(dǎo)帶、價帶擴展態(tài),導(dǎo)帶、價帶帶尾定域態(tài)以及帶隙定域態(tài).帶尾定域態(tài)主要由鍵角應(yīng)變鍵引起,其態(tài)密度用指數(shù)函數(shù)描述.帶隙定域態(tài)主要由懸鍵造成,其密度呈雙高斯函數(shù)分布,分別對應(yīng)類施主態(tài)和類受主態(tài),二者呈正相關(guān)能關(guān)系,也就是說類施主態(tài)在下,類受主態(tài)在上.對帶隙定域態(tài)密度,AFORS灢HET還提供了一種平均分布的背景模式.對于微晶硅,用指數(shù)函數(shù)和雙高斯分布函數(shù)分別描述帶尾定域態(tài)和+-帶隙定域態(tài).假定施主和受主摻雜全部電離,即ND=ND,NA=NA.+(

8、/:)/(/:)/)日本三洋公司的a雙面SiasiH(icSin)aSiH(iasi(np)灢灢灢灢灢上光前接觸日袋角蟲()/()/()取毺單面異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu),如圖1所示,其襯底cSicSiicSinp灢灢灢毺暋Fi1.SchenaticstructureofgTab.1Theparametersofdifferentlaersinthesimulationy()/()表1暋用于毺太陽電池模擬的主要參數(shù)cSicSinp灢灢圖1暋模擬器件結(jié)構(gòu)示意圖thesimulateddevic“（）¨（）202暳10202暳10層厚/nm帶隙/eV結(jié)構(gòu)參數(shù)暋暋暋電子親和勢/eV光學(xué)帶隙/eV1

9、50()cSii灢毺3.641.7()cSin灢53暳101.11.8202暳10202暳10有效導(dǎo)帶密度/cm-3有效價帶密度/cm-32·-1·-1電子遷移率/cmVs2·-1·-1空穴遷移率/cmVs50150501500191.04暳10192.8暳1013504500受主摻雜濃度/cm-3Urbach尾寬/eV施主摻雜濃度/cm-3電子俘獲截面/cm-2空穴俘獲截面/cm-2帶尾態(tài)密度/cm-3（）189暳10161暳10141暳10201暳10171暳10141暳10161暳10141暳10201暳10171暳10141暳10161.5暳10

10、隙間定域態(tài)分布/cm-3電子俘獲截面/cm-2空穴俘獲截面/cm-215雙高斯5暳1015雙高斯2.5暳1011平均分布1暳10151暳10141暳102暋結(jié)果分析與討論2.1暋發(fā)射層厚度對光伏特性的影響發(fā)射層對電池的整體性能有重要影響,圖2模擬了不同發(fā)射層厚度條件下太陽電池性能參數(shù)的變化情況,在模擬過程中只改變發(fā)射層厚度,保持其他參數(shù)不變,且忽略發(fā)射層與襯底間界面態(tài)的影響.背接觸暋第3期一,模擬結(jié)果表明隨著發(fā)射層厚度的減小,電池各項光伏參數(shù)均提高,其中對開路電壓(和短路電流V)(:影響最大這是因為與c大量載流子在發(fā)射區(qū)復(fù)合.另一J).Si基區(qū)相比較,cSiH發(fā)射層有更多的缺陷,灢灢毺。方面,

11、發(fā)射層擴散長度很短,只有漂移電流無擴散電流,發(fā)射層內(nèi)產(chǎn)生的載流子對總電流幾乎沒有貢獻,所以ocsc、韓暋兵等:微晶硅/晶體硅HIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池的模擬計算與分析·2暋暋暋59·發(fā)射層厚度增加必然導(dǎo)致J進而導(dǎo)致Vo減小,最終導(dǎo)致效率(降低.由內(nèi)量子效FF)sc減小,c和填充因子(毲)()率變化曲線圖3可以看出,隨著發(fā)射層厚度增大,內(nèi)量子效率在短波區(qū)(減弱,這也是短路電300550nm)一流減小的重要原因.所以,發(fā)射層要盡可能薄.阻一一一二、2.2暋本征層對電池性能的影響、滬歹；一短波響應(yīng)變差,導(dǎo)致電池性能下降.根據(jù)太陽電池的理想二極管模型,短路電流一般可表示為圖5是不同緩

12、沖層厚度情況下電池的光譜響應(yīng)曲線.從圖5可以看出,當(dāng)緩沖層的厚度增加時,電池的qV暋暋暋暋JJx-1.p()sc=L-J0ek0T(本征層厚度)九()1·2暋暋暋60·內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)漢文版)第39卷暋、隨著本征層厚度的增加,光生載流子和光生電流密度J在反向飽和電流密度J不變的情況下,JL增大,0sc增,大.當(dāng)本征層厚度增加到一定程度時,內(nèi)建電場強度分布明顯受到影響光生載流子得不到有效收集,表現(xiàn)為一卯卯反向飽和電流增大,從而使JscTsc),暋暋暋暋Voln+1c=0一20,由此可見正比于其變化規(guī)律與相似填充因子與表示為JsJ.FFVoccscc的關(guān)系可用經(jīng)驗公

13、式Vo)vln(v.72oc-oc+0,暋暋暋暋FF=雪voc+1下降.開路電壓Voc與反向飽和電流J0之間的關(guān)系為舶。()2()3料,這就為尋找最佳的能隙寬度,以獲得最大光電轉(zhuǎn)化效率提供了可能.本文模擬計算了不同微晶硅本征層能隙寬度對太陽電池光伏特性的影響,模擬中只改變本征層能隙寬度保持其他參數(shù)及窗口層和界面參數(shù)不,、狐一。、裝搬一界面態(tài)對電池性能的影響2.3暋13,19,在實際太陽電池結(jié)構(gòu)中,由于晶格失配,在各層材料之間不可避免地存在界面缺陷態(tài).研究表明:界面態(tài)對電池性能影響很大,應(yīng)盡量減少和避免.在毺界面態(tài)密度變化范圍cSiH和cSi之間引入界面態(tài),灢灢114S:/為1圖7為不同界面態(tài)密

14、度情況下毺從圖7可以看出,界i太陽電池的性能參數(shù).00cm-2.cSiHc灢灢01（）一11就可以忽略界面態(tài)帶來的影響.1暳10cm-2以下,/)nln(JJsc0)煹1-11-l(,()暋暋暋暋FF4/ln(JJln(JJsc0)sc0)當(dāng)J從而降低太陽電池的效率.可以看到,界面態(tài)密度控制在JF減小,sc不變時,0增大必然導(dǎo)致Voc和F()。凸暋第3期韓暋兵等:微晶硅/晶體硅HIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽電池的模擬計算與分析暋暋暋61··22.4暋能帶補償對電池性能的影響界面特征除了用界面態(tài)描述外,還可以用能帶補償來表征.根據(jù)表1給出的電子親和勢、能隙寬度及能帶圖可以:/推出,圖8

15、是cSiHcsi異質(zhì)結(jié)的能帶補償主要在價帶.灢灢毺根據(jù)電子親和勢的定義,有殼EC=殼殼EV=殼Eg-氈,:其中殼殼Eg分別為毺cSiH與cSi的電子親和勢灢灢氈,氈和殼之差和能隙寬度之差,殼EC和殼EV分別為導(dǎo)帶補償和價帶補償.通過改變微晶硅的電子親和勢(晶體硅的電子親和勢為4.可以模擬能帶補償對電池光伏性能的影響,圖905eV):/理想情況下無本征層時毺cSiHcsi異質(zhì)結(jié)太陽電池的能灢灢帶圖.到無界面態(tài)時的值(Vo68mV,FFc6級由于能帶彎曲而下降.當(dāng)費米能級下降到遠離禁帶中心接近價帶底部時,界面態(tài)幾乎電流下降,從而使光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓和全部飽和,使得通過界面態(tài)產(chǎn)生的復(fù)合漏電填充因

16、子重新得以提高.3暋結(jié)論通過數(shù)值模擬計算,分析了發(fā)射層厚度、界面態(tài)密度、能帶失配以及插入微晶硅本征暋暋Fi.9Theefectofbandoffsetontheperformanceofthesolarcellg圖9暋能帶補償對太陽電池性能的影響:/層對毺在其他參數(shù)條件不變的情況下,插入較薄本征層時,轉(zhuǎn)換效cSiHcsi異質(zhì)結(jié)太陽電池性能的影響.灢灢率增加,但本征層厚度繼續(xù)增加時,電池性能降低.隨著本征層能隙寬度的增加,電池性能增加,但能隙寬度/約為5n帶隙為1.電池性能最好,其中Vom、6eV的本征層時,69.5mV,J35.53mAcm2,FF=c=6sc=阻于界面態(tài)所帶來的電池性能的降低

17、逐漸被消除,當(dāng)殼EV達到0.界面態(tài)所帶來的影響幾乎全部消25eV時,11除.結(jié)果顯示,在低界面缺陷態(tài)密度(當(dāng)發(fā)射層厚度約為5插入厚度1暳10cm-2)和合適的摻雜濃度下,nm,83.48%,=19.86%.毲暑。暑一哼參考文獻:/1暋WakisakaK,TauchiM,SawadaT,etal.Morethan16%solarcellswithanewHIT(doedaSinondoedaSicrsgppy灢灢灢灢/O,:2暋MakotoT,ShinoO.HITTMcellshihefciencrstallineSicellswithnovelstructureCsakaJaanWCPEC灢3

18、ggycyp灢·2暋暋暋62·內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)漢文版)第39卷暋4暋MadellKV,ConradE,SchmidtM.Efficientsiliconheterounctionsolarcellsbasedonpandntesubstratesprocessedyjyp灢灢5暋TuccM,DeCesareG.17%efficienceterounctionsolarcellbasedonptecrstallinesiliconJ.JNonCrstyhjypyy灢灢:/6暋張群芳.高效率nncSiHcSi異質(zhì)結(jié)太陽能電池J.半導(dǎo)體學(xué)報,2007,28:96灢99

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