c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)分析

1、a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)分析 *林鴻生 馬 雷(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系 , 合肥 , 2300262001-09-10收稿 , 2002-01-14收改稿摘要 :通過(guò)應(yīng)用 S c h a r f e t t e r -G u m m e l 解法數(shù)值求解 P o i s s o n 方程 , 對(duì)熱平衡態(tài) a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池 進(jìn) 行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析 , 著重闡述在 a -S i /c -S i 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng) 能電池中嵌入 i (a -S i :H 緩沖薄層的作用 , 指出采 用 嵌入 i (a -S i :H 緩沖薄層設(shè)計(jì)能有效增強(qiáng)光生載流子

2、的傳輸與收集 , 從而提高 a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的 性能 , 同時(shí)還討論 p +(a -S i :H 薄膜厚度和 p 型摻雜濃度對(duì)光生載流子傳輸與收集的影響 , 而高強(qiáng)度光照射下模 擬計(jì)算表明 , a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池具有較高光穩(wěn)定性 。 關(guān)鍵詞 :異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池 ; 牛頓 -拉普森解法 ; 氫化非晶硅隙態(tài)密度 ; 載流子收集 中圖分類(lèi)號(hào) :T M 914. 42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1000-3819(2003 04-470-06A n a l y s i s o f t h e D e s i g nf o r a -S i /c

3、 -S i H e t e r o j u n c t i o nS t r u c t u r e S o l a r C e l l sL I N H o n g s h e n g MA L e i(D e p a r t m e n t o fP h y s i c s , U n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g yo fC h i n a , He f e i ,230026, C HN A b s t r a c t :A c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d

4、 e l o f a -S i /c -S ih e t e r o j u n c t i o n s o l a r c e l l s a t t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m u s i n g a S c h a r f e t t e r -G u m m e l s o l u t i o no f P o i s s o n ' s e q u a t i o nh a s b e e n d e v e l o p e d . I t s t r e s s e st h er o l eo f t h e

5、i (a -S i :H b u f f e rt h i nl a y e ri n s e r t e d i n t ot h ea -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l s . D u e t o t h e u s e o f d e s i g n s o f t h e i n s e r t i o no f a ni (a -S i :H b u f f e r t h i n l a y e r i n t o p -n h e t e r o j u n c t i o n , t h e c

6、o l l e c t i o n a n d t r a n s p o r t o f p h o t o -g e n e r a t e d c a r r i e r s e f f e c t i v e l y i n c r e a s e , e n h a n c i n gt h e p e r f o r m a n c e s o f a -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l s . A l s o , t h e i n f l u e n c e s o f t h i c k n e

7、s s a n d p -t y p e d o p p i n gc o n c e n t r a t i o no f p +(a -S i :H t h i nf i l m s i na -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l so nt h ec o l l e c t i o na n d t r a n s p o r t o f p h o t o -g e n e r a t e d c a r r i e r sa r e d i s c u s s e d . U n d e r t h e c

8、o n d i t i o no f p r o l o n g e d l i g h t s o a k i n g , t h e s i m u l a t i o ns h o w s t h a t a -S i /c -S i h e t e r o j u n c i o ns t r u c t u r e s o l a r c e l l p o s s e s s e s h i g hl i g h t s t a b i l i t y. K e y w o r d s :h e t e r o j u n c t i o n s o l a rc e l l ;

9、N e w t o n -R a p h s o n s o l u t i o n t e c h n i q u e ; d e n s i t yo f s t a t e s i na -S i :H ; c a r r i e r c o l l e c t i o nE E A C C :8420; 2560B第 23卷 第 4期2003年 11月固體電子學(xué)研究與 進(jìn)展R E S E A R C H &P R O G R E S S O F S S EV o l . 23, N o . 4N o v . ,2003*E -m a i l :h s l i n u s t c

10、 . e d u . c n基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (N o. 698760241引 言非 晶 (薄 膜 -晶 態(tài) 硅 異 質(zhì) 結(jié) , 諸 如 a -S i /c -S i ,µc -S i /c -S i 和 a -S i C /c -S i 等結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池近年來(lái) 得到人們愈來(lái)愈濃厚的興趣 14, 原因是晶態(tài)硅半 導(dǎo) 體 太陽(yáng)能電池能 量轉(zhuǎn) 換 效 率 雖 高 達(dá) 24%,但 造 價(jià)昂貴 , 而 a -S i :H 基太陽(yáng)能電池 不僅 能 大面 積 生 產(chǎn) , 造價(jià)又 低廉 , 可是 內(nèi) 在 的 S t a e b l e r -Wr o n s k i 效 應(yīng) 使

11、其穩(wěn)定性差 , 非晶 (薄 膜 -晶 態(tài) 硅異 質(zhì) 結(jié) 結(jié)構(gòu) 是綜合兩者優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮各自長(zhǎng)處的最佳設(shè)計(jì) , 而 且 這種結(jié)構(gòu)電池能在較低溫度下 (<250ºC 制造 , 從而避免采用傳統(tǒng)的高溫 (>900ºC 擴(kuò)散工藝來(lái)獲 得 p -n 結(jié) , 這不但節(jié)約能源 , 而且低溫環(huán)境使得 a -S i :H 基 薄 膜 摻 雜 , 禁 帶 寬 度 、 厚 度 得 以 較 精 確 控 制 , 為優(yōu)化器件特性提供機(jī)會(huì) ; 低溫沉積過(guò)程中單 晶硅片彎曲 , 變形小 , 因而其厚度可取作為本底光 吸收材料光學(xué)所要求的 最低值 , 約 80µm , 改 善少 數(shù)載流子

12、擴(kuò)散長(zhǎng)度與電池總厚度比值 , 從而允許采 用 " 低品質(zhì) " c -S i 以及 p o l y -S i 1。 非晶 (薄膜 -晶態(tài) 硅異質(zhì)結(jié)在制造大面積 、 高效率 、 低價(jià)格 、 穩(wěn)定性好 的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池中具有巨大的潛力 。非 晶 (薄 膜 -晶 態(tài) 硅 異 質(zhì) 結(jié) 制 造 中 采 用 所 謂 H I T 技 術(shù) (H e t e r o j u n c t i o nw i t hi n s e r t e dI n t r i n s i cT h i n -l a y e r , 即 對(duì) p n 結(jié) 嵌 入 本 征 緩 沖 薄 層 , 從 而 很好提高其太陽(yáng)

13、能電池性能 14。 如在 120ºC 下通 過(guò) 化 學(xué)汽相沉積 (P E C V D 技術(shù) 把 a -S i :H 薄 膜 直 接 沉積于 N 型單晶硅 n (c -S i 本底材料上形成 p + (a -S i :H /n (c -S i 異質(zhì)結(jié) , 可獲得 12. 3%電池能量 轉(zhuǎn)換效率 , 但若嵌入質(zhì)量好的 i (a -S i :H 緩沖薄層 , 電池的能量轉(zhuǎn)換效率將提高到 14. 8%2。 本文準(zhǔn) 備 應(yīng) 用 S c h a r f e t t e r -G u m m e l 解 法 數(shù) 值 求 解 P o i s s o n 方程 , 對(duì)熱平衡態(tài) a -S i /c -S

14、 i 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能 電池進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬 , 推出其能帶圖 , 電場(chǎng)強(qiáng) 度分布等 , 著重分析嵌入 i (a -S i :H 薄層提高 a -S i / c -S i 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池 性能 的 原因 以 及 a -S i /c -S i 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中 p +(a -S i :H 薄膜厚度和 p 型 摻雜濃度設(shè)計(jì) , 并討論其穩(wěn)定性 。2物理模型圖 1是 p +(a -S i :H /i (a -S i :H /n (c -S i 異 質(zhì) 結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 。 下列 P o i s s o n 方程描述其 熱平衡態(tài)性質(zhì) :(x =2d x 2=c (x (1 圖 1p +(a -S

15、 i :H /i (a -S i :H /n (c -S i 異 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖d i e . 1S c h e m a t i c d i a e r a m o f p +(a -S i :H /i (a -S i :H /n (c -S i s o l a r c e l l式中 b (x 稱(chēng)局部真空能級(jí) , 它的數(shù)值與電子靜電 勢(shì) 相同 , 但符號(hào)相反 , 其單位為電子伏特 5, f ; (x 是材料介電常數(shù) 。 于是電池中電場(chǎng)強(qiáng)度 g (x 由下 式得出 :g (x =d x方程 (1 右邊空間電荷密度 c (x 表示為 :c (x =h i (x j k (x

16、+l +m (k n o (x +i t (x j k t (x (2 其 中 i (x 是價(jià)帶中空穴濃度 , k (x 是導(dǎo)帶中電子濃度 , l +D (k n o (x 是 凈 有 效 荷 正 電 分 立 局 域 態(tài) 濃度 , it (x 是 連 續(xù) 局 域 態(tài) 上 俘 獲 的 空 穴 濃 度 , k t (x 是連續(xù)局域態(tài)上俘獲的電子濃度 。方 程 (2 中 it (x 和 kt (x 表 達(dá) 式 依 賴(lài) 于 a -S i :H 隙態(tài)密度分布的具體形式 , 本文采用用圖 2圖 2" p " 型隙態(tài)密度分布d i e . 2p -s h a p e dd i s t r

17、 i b u t i o no f e a ps t a t e s的 " p " 型分布模型 5, f , 即從導(dǎo)帶邊 qC伸入帶隙的 1 r 44期 林鴻生等 :a -S i /C -S i 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)分析類(lèi) 受 主 U r b a c h 帶 尾 態(tài) 為 N (E =G a o e x p (-E /E a , 和價(jià)帶邊 E V 伸入帶隙的類(lèi)施主 U r b a c h 帶尾 態(tài) N (E =G d o e x p (-E /E d, 能量 E 起始點(diǎn)分別從 導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂算起 , 伸入禁帶為正 , 禁帶中部是 常數(shù)隙態(tài)密度 G m g , 其能量范圍從

18、 E L 0到 E =E U P -E L 05, 6, E d a 是類(lèi)受主態(tài)和類(lèi)施主態(tài)轉(zhuǎn)換能量 。 表 1列出 a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池模擬計(jì) 算 中 使 用 的 典 型 物 理 參 數(shù) 2, 46。 a -S i :H 的 E g =1. 72e V , 電 子 親 和 能 x e=4. 0e V , 介 電 常 數(shù) =11. 7, 而 c -S i 的 E g =1. 12e V , x e =4. 05e V , =11. 9。 模擬計(jì)算中 T =300K , 器件總長(zhǎng)度為 L , L=4. 0µm 。 b o 是 x =0處勢(shì)壘高度 , b L 是 x

19、 =L 處勢(shì) 壘 高度 , b 0=1. 35e V , b L =0. 28e V , 方 程 (1 的 邊界條件 :V(0 =b o -b LWV(L =0(3把器件進(jìn)行 400等分的網(wǎng)格劃分 , 通過(guò)差分法 把 方 程 (1 轉(zhuǎn) 化 成 一 組 差 分 方 程 組 , 由 X e Y Z o -a p h o 解法求解 差 分 方程 組 5, 6, 得出 器件 網(wǎng) 格 點(diǎn)上電子局部 真空能 級(jí) V 的精 確 數(shù)值 解 , 從 而 計(jì)算出相應(yīng)的能帶圖 , 電場(chǎng)強(qiáng)度和空間電荷濃度分布等 5, 6。 顯然 ,只要給器件選擇恰當(dāng)?shù)奈锢韰?shù) , 方 程 (1 和 (3 求解是在沒(méi)有任何先決條件下進(jìn)

20、行的 。 a -S i :H 太陽(yáng)能電池在光照射下性能出現(xiàn)衰退影響了它的應(yīng)用 。 在文獻(xiàn) 7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中支持了 空間電荷效應(yīng)是 a -S i :H 太陽(yáng)能電池光誘導(dǎo)性能衰退的主要物理機(jī)制 8, 繼而應(yīng)用數(shù)值模擬方法 6進(jìn) 一步論證并得出結(jié)論 , 在光照 射 下 a -S i :H 太 陽(yáng) 能 電池光生空穴俘獲產(chǎn)生的帶正電缺陷使電池內(nèi)部 有 了 凈 正 空 間 電 荷 , 從 而 把 高 電 場(chǎng) 調(diào) 制 到 p /i 界 面 , 而使 i /界面附近電場(chǎng)強(qiáng)度下降以至出現(xiàn)小于1_104V /c m 準(zhǔn) 中 性 區(qū) (低 場(chǎng) 死 層 a , 低 場(chǎng) 死 層 a 降低 a -S i :H 太陽(yáng)能電池對(duì)

21、光生載流子收集 ,使 電池性能隨著光照射而衰退 。 本文繼續(xù)應(yīng)用計(jì)算機(jī) 數(shù)值模擬方法分析 a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電 池 的 穩(wěn) 定 性 , 用 N b 來(lái) 表 示 在 光 照 下 a -S i :H 中 由 于 空 穴俘 獲正空間 電 荷 密度 的 增 加 量 , 取 N b =5_1016c m -36, 7, 9, 于 是 被 光 照 射 過(guò) 的 a -S i /c -S i 異 質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中空間電荷效應(yīng)也應(yīng)用方程 (1 來(lái) 模擬 , 但此時(shí)空間電荷密度 c (x應(yīng)取以下形式 :c (x =d N b b e (x -f (x b N b g (f h i (x

22、b e Z (x -f Z(x c -S i 沒(méi)有 S Z e b j e r -kr o l i 效應(yīng) , N b=0。 表 m n o p q /r o p q異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池模擬 計(jì)算使用的典型物理參數(shù) s n t . m s u v w x y q r n z y u x q r y n |n v w v |, v d n q n y w f o |r o y w v |q z n w q o n q n n o p q /r o p q u v w v |o j n r w q o n o z n |r v z z P a r a m e Z e r /u i Z p (a -S i

23、 :H i (a -S i :H (c -S i L /µm 0. 050. 033. 92N g /c m-35_1014N A /c m -37_1017N C /c m-32_10192_1019 2. 8_1019N V /c m-32_10192_10191. 09_1019G d o /c m -3·e V -17. 222_10217. 222_1021G a o /c m -3·e V-17. 222_10217. 222_1021E d /e V 0. 05330. 0433E a /e V 0. 0370. 027G m g /c m -3&#

24、183;e V-15_10165_1015Ed a /e V 0. 860. 863結(jié)果與討論3. m y b(n o p q :H /n (r o p q 異 質(zhì) 結(jié) 中 n o p q :H 膜 厚設(shè)計(jì)圖 3是理論計(jì)算的 p b(a -S i :H 0. 08µm /(c -S i異 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池 能 帶 圖 。 異 質(zhì) 結(jié) 位 于 0. 08µm 處 ,能帶不連續(xù) , 價(jià)帶頂有跳變 , 而且在靠近表 面 (x=0 區(qū)域能帶向下彎曲 。 圖 3p b(a -S i :H 0. 08µm /(c -S i異質(zhì)結(jié)太陽(yáng) 能 電 池 能帶圖 (取電池 0

25、0. 25µm 區(qū)域 F i g . 3B a dd i a g r a m o f p b (a -S i :H 0. 08µm /(c -S ih e Z e r o j u c Z i o o j a r c e j j (x =00. 25µm 圖 4(1 是 p b(a -S i :H 0. 08µm /(c -S i 異質(zhì) 結(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布 , x =0. 08µm 交界面上電場(chǎng)強(qiáng)274固 體 電 子 學(xué) 研 究 與 進(jìn) 展23卷度最大 , 為 |1. 28×105V /c m |, 保證了對(duì)勢(shì)壘區(qū)光 生載流子的抽取 ,

26、勢(shì)壘區(qū)主要延伸于 c -S i上 , 單晶 硅中載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度有幾百微米 ,載流子傳輸可以 主要因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行 , 電場(chǎng)的存在并不重要 (如 在接近電池 c -S i 收 集 電 極 x =2. 9µm 處 ,電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 最 低 , 為 |0. 68V /c m | , 但 a -S i :H 等 非 晶 薄 膜 缺陷密度高 , 載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度極短 (<0. 1µm , 膜 內(nèi) 光生載流子要依靠其膜 內(nèi) 高 電場(chǎng) ( 1×104V /c m 驅(qū) 使才為 電極所 收 集 , 而 形 成 光 生 電 流 , 有 關(guān) 非晶薄膜內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分析對(duì)于其太陽(yáng)能電池應(yīng)

27、用 至關(guān)重要 , 這也是這一研究工作的出發(fā)點(diǎn) , 但從圖4(1 看 到 , p +(a -S i :H 膜 內(nèi) 有 小 于 1×104V /c m 的 準(zhǔn) 中 性 區(qū) (低 場(chǎng) " 死 層 " , 如 x =0. 04, 0. 05, 0. 06µm , 強(qiáng)度分別為 |6. 06×102V /c m |, |3. 57×103V /c m |和 |1. 41×104V /c m |, 低場(chǎng)區(qū)的出現(xiàn)不 利于光生 載 流 子 傳 輸 與 收 集 , 但 若 把 p +(a -S i :H 膜厚減薄至 0. 04µm ,

28、 則如圖 4(2 所示 , 膜內(nèi)低場(chǎng) 區(qū)幾乎消失 , 如 x =0. 02µm 處 ,強(qiáng)度為 |9. 32×103V /c m |, 因此 p +(a -S i :H 膜越薄 , 光生載流子的傳 輸與收集就越容易 。圖 4a -S i /c -S i異質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 分 布 (取 電 池 00. 25µm 區(qū)域 (1 p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i , (2 p +(a -S i :H 0. 04µm /n (c -S iF i g . 4E l e c t r i c f i e

29、l dp r o f i l e s i na -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l (x =00. 25µm (1 p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i ,(2 p +(a -S i :H 0. 04µm /n (c -S i , r e s p e c t i v e l y特 別 值得注意 的 是 , 如 圖 4(1 和 (2所 示 , 在 靠 近表面 (x=0 區(qū) 域 內(nèi) 存 在 反 電 場(chǎng) , 表 面 上 反 電 場(chǎng)強(qiáng)度最大 , 隨著深入體內(nèi)而減小 ,

30、 如 p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i 異 質(zhì) 結(jié) , x =0, 0. 01, 0. 02, 0. 03µm ,電場(chǎng)強(qiáng)度分別為 +4. 05×104, +1. 87×104, +4. 85×103, +1. 01×103V /c m ,反 電 場(chǎng) 區(qū) 域 (00. 03µm 是膜厚的 3/8, 而 p +(a -S i :H 0. 04µm /n (c -S i 異質(zhì)結(jié) , x =0, 0. 01µm , 反電場(chǎng)強(qiáng)度 +4. 03×104, +1. 46

31、5;104, 反電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值減少 , 區(qū)域范 圍 也減小為 (00. 01µm , 僅是膜厚的 1/4, 反電 場(chǎng)區(qū)域的能帶向下彎曲 , 如圖 3。 反電場(chǎng)將阻擋電極 對(duì) 光 生 空 穴 的 收 集 , 但 如 剛 才 所 揭 示 的 , p +(a-S i :H 膜愈薄 , 不僅膜內(nèi)小于 1×104V /c m 的低場(chǎng)區(qū) 愈窄 , 而 且反 電場(chǎng)區(qū)域和強(qiáng)度也愈小 , p +(a -S i :H 膜薄還 使 載 流 子 擴(kuò) 散 運(yùn) 動(dòng) 變 得 重 要 , 這 樣 光 生 空穴在接近表面時(shí)除了高電場(chǎng)下漂移運(yùn)動(dòng)的慣性 外還能借助擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來(lái)沖破反電場(chǎng)到達(dá)收集電極 ,這時(shí)由于光生載

32、流子的有效收集 , 增大了電池的短路電流 , 而 且 厚 度 盡 可 能 薄 的 p +(a -S i :H 薄 膜 還 能減 少 入 射 光 及 光 生 載 流 子 在 p +(a -S i :H 層 損 失 , 于是薄 的 p +(a -S i :H 薄 膜 設(shè) 計(jì) 將 能 提 高 電 池 的 性能 , 例如把 p +(a -S i :H 薄膜厚度從 40n m 減 薄 到 5n m , p +(a -S i :H /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池的短路電流密度將由 25升高至 30m A /c m 2,而 能量轉(zhuǎn)換效率則由 9. 2%提高到 12. 3%2,不過(guò)太 薄

33、的 p +(a -S i :H 膜與 c -S i所形成的是淺異質(zhì)結(jié) , 受界面影響較大 , 異質(zhì)結(jié)特性不易做好 。3. 2p +(a -S i :H /n (c -S i 異 質(zhì) 結(jié) 中 a -S i :H 薄 膜的 p 型雜質(zhì)濃度選擇如果降低 p +(a -S i :H 薄膜摻雜 , 取 N A =1×1017c m -3, 計(jì)算的 p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池 能 帶 示 于 圖 5, 異 質(zhì) 結(jié) 位 于 0. 08µm 處 , 能帶不連續(xù) , 價(jià)帶頂有跳變 , 在靠近表面 (x=0區(qū)域能帶不

34、是向下而是向上彎曲 。 圖 6(1 是 p +(a -S i :H 薄 膜 摻 雜 為 N A =1×1017c m -3的 p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i 異質(zhì)結(jié)的 電場(chǎng)強(qiáng)度分布 , 把 p +(a -S i :H 薄膜中 N A =7×1017c m -3摻 雜 的 p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 的電場(chǎng)強(qiáng)度分布重新畫(huà)在圖 6(2 。 x =0. 08µm 交界 面 上 , 兩 種 電 池 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 都 最 大 , 但 N A =1×1017c m

35、 -3摻雜的強(qiáng)度減弱為 |5. 42×104V /c m |, 不 過(guò)有意思的是 , 靠近表面的反電場(chǎng)區(qū)域消失 在靠 近 表面 (x=0 區(qū)域 , 能帶向上彎曲 , 見(jiàn)圖 5; 而且 電池的大部分非晶薄膜中電場(chǎng)強(qiáng)度變大 , 最小值是x =0. 03µm 處強(qiáng)度為 |1. 66×104V /c m |, 以至小 于 1×104V /c m 的低場(chǎng)區(qū)也消失 , 所以降低 p +(a-S i :H /n (c -S i 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中 a -S i :H 薄膜 p3744期 林鴻生等 :a -S i /C -S i異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)分析 圖 5p +

36、(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池 能帶圖 (取電池 00. 25µm 區(qū)域 , 其中 p +(a -S i :H 薄膜摻雜 N A =1×1017c m-3F i g . 5B a n dd i a g r a m o f p +(a -S i :H 0. 08µm /n (c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l (x =00. 25µm , a n dN A =1×1017c m -3 inp +(a -S i :

37、H f i l m 型摻雜濃度有利于電池光生載流子的傳輸與收集 。 但 為 了 增 加 電 池 內(nèi) 電 勢(shì) 和 減 小 串 聯(lián) 電 阻 , a -S i :H 薄膜摻雜濃度要適當(dāng)調(diào)高 , 伴隨高摻雜出現(xiàn)的小于1×104V /c m 低場(chǎng)區(qū)和靠近表面反電場(chǎng)區(qū)域 ,如上 節(jié)所分析 , 隨著 p +(a -S i :H 膜厚進(jìn)一步減薄 , 對(duì)光 生 載 流 子 傳 輸 與 收 集 的 影 響 愈 來(lái) 愈 不 重 要 ,所 以 a -S i /c -S i異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)中都選擇薄的重 摻雜 p +(a -S i :H 薄膜 。 圖 6p +(a -S i :H 0. 08µm

38、 /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池 電 場(chǎng)強(qiáng)度分布 (取電池 00. 25µm 區(qū)域 (1 p +(a -S i :H 中 N A =1×1017c m -3, (2 p +(a -S i :H 中 N A =7×1017c m -3F i g . 6E l e c t r i c f i e l dp r o f i l e s i np +(a -S i :H 0. 08µm /n(c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l (x=00. 25µm (1 N A =

39、1×1017c m -3,(2 N A =7×1017c m-3i np +(a -S i :H f i l m , r e s p e c t i v e l y3. 3p +(a -S i :H /i (a -S i :H /n (c -S i異質(zhì)結(jié)中嵌 入的 i (a -S i :H 緩沖薄層的作用 讓 p +(a -S i :H 0. 05µm /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 嵌 入 0. 03µm i (a -S i :H 薄膜設(shè)計(jì)成 H I T 結(jié)構(gòu) -p +(a-S i :H 0. 05µm /i (a -S i :H 0. 03

40、µm /n (c -S i異質(zhì)結(jié) 太 陽(yáng)能電池 , 其能帶圖見(jiàn)圖 7, p +(a -S i :H /i (a -S i :H 異 質(zhì) 結(jié) 位 于 0. 05µm 處 , i (a -S i :H /n (c -S i異 質(zhì) 結(jié) 于 0. 08µm 處 ,能 帶 不 連 續(xù) , 價(jià) 帶 頂 有 跳 變 , 在靠近表面 (x=0 區(qū)域能帶向下彎曲 。 圖 7p +(a -S i :H 0. 05µm /i (a -S i :H 0. 03µm /n (c -S i異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池能帶圖 (取電池 00. 25µm 區(qū)域 F i g .

41、7B a n dd i a g r a m o f p +(a -S i :H 0. 05µm /i (a -S i :H 0. 03µm /n (c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l (x =00. 25µm 計(jì) 算 p +(a -S i :H 0. 05µm /i (a -S i :H 0. 03µm /n (c -S i異質(zhì)結(jié) 太陽(yáng)能電池電場(chǎng)強(qiáng)度分布示于 圖 8(1 , 這時(shí)沉積在 c -S i上非晶薄膜總厚度即 p +(a -S i :H 和 i (a -S i :H 厚

42、 度 之 和 是 0. 08µm ,現(xiàn) 把 0. 08µm p +(a -S i :H 與 n (c -S i 形成的異質(zhì)結(jié)電場(chǎng) 強(qiáng)度分布 重 新 畫(huà) 在 圖 8(2 ,比 較 它 們 的 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 分 布發(fā)現(xiàn) , 嵌入 0. 03µm i (a -S i :H 薄膜后異質(zhì)結(jié) 非晶 薄 膜中 最 大電 場(chǎng)強(qiáng)度由 x =0. 08µm 向 表 面移動(dòng)到 x =0. 06µm 處 , 強(qiáng)度減少為 |9. 05×104V /c m |, 但電池的非晶薄膜中大于 1×104V /c m 高場(chǎng) 區(qū) 域則由 (0. 060. 08

43、µm 擴(kuò)大到大于 (0. 040. 08µm ; 小于 1×104V /c m 的低場(chǎng)區(qū)域移向表面 ,從 (0. 040. 06µm 變 窄 到 (0. 030. 04µm , 強(qiáng) 度卻增大 , 如圖 8所示 , 未嵌入 a -S i :H 薄層時(shí) , x=0. 04, 0. 05, 0. 06µm , 強(qiáng)度分別為 |6. 06×102V /c m|, |3. 57×103V /c m |和 |1. 41×104V /c m |, 嵌 入 474固 體 電 子 學(xué) 研 究 與 進(jìn) 展23卷4期 林鴻生等

44、:aS/ -i -iC S 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)分析 45 7 -iH 3 aS: 薄層后 , =0 0 , . 4µ 強(qiáng)度分別是 | . x . 3 0 0 m, 3 4 和 | . 7 0 V/m| x . 4µ 4 ×1 V/m| 1 7 ×1 8 0 c c , =0 0 m 處 , 度 從 | . 6 1 3 V/m| 大 到 | . 7 1 4 強(qiáng) 60× 0 17× 0 c 增 -iH V/m| 而 反 電 場(chǎng) 區(qū) 域 寬 度 則 從 未 嵌 入 aS: 薄 c ; 層 的 ( 0 0 m 為 ( 0 0 m 電 場(chǎng)

45、 強(qiáng) 度 0 . 3µ 縮 0 . 2µ , 也 稍 減 弱, x 0 0 0 m 處, 別 從 + 4 0 × 如 = , . 2µ 分 .5 4 3 1 , 4 8 × 1 V/m 減 小 到 + 4 0 × 1 4, 0 + .5 0 .4 0 c +3 7 × 1 3 V/m, 以 嵌 入 的 aS: 緩 沖 薄 層 .2 0 -iH c 所 雖然增加電池的串聯(lián)電阻損失 , 但它帶來(lái)的雙異質(zhì) 結(jié)對(duì)電場(chǎng)調(diào)制的結(jié)果卻與上述減薄 aS: 膜厚的 -iH 一樣 , 起到了增強(qiáng)光生載流子有效收集和增大電池 短路電流的 作 用

46、, 且 嵌 入 的 iaS: 薄 層 還 把 而 ( -iH + 重?fù)诫s p ( -iH 的高隙 態(tài)密度對(duì) 異 質(zhì)結(jié) 面 附 近 aS: 載流子復(fù)合的影響隔開(kāi)來(lái) , 鈍化 aS/-i 質(zhì) 結(jié) , -icS 異 + 改善電池的光 生 伏 特 效 應(yīng) , 用 p ( -iH n c 應(yīng) aS: / (與 ( -iH S i異質(zhì)結(jié)嵌入 iaS: 緩沖薄層設(shè)計(jì) , 未 嵌入 反 -iH aS: 薄 層 相 比 , 向 暗 電 流 密 度 減 少 2個(gè) 數(shù) 量 級(jí), 電池短路電 流密度 增大達(dá) 3 . 7 9mA/m2, 池 c 電 能量 轉(zhuǎn) 換 率 從 1 . % 提 高 到 1 . % 入 4n 2

47、3 48 嵌 m 2 ( -iH iaS: 薄層 。 為此先來(lái)看光輻照引 是否會(huì)給電池帶來(lái)不穩(wěn)定性 ? + 起的電池電場(chǎng)強(qiáng)度分布的變化 。 重畫(huà)無(wú)光照時(shí) p ( -iH . 5µ iaS: 0 0 m/ ( -i異 aS: 0 0 m/( -iH . 3µ n cS 質(zhì)結(jié)電場(chǎng) 強(qiáng) 度 分 布 于 圖 9 1 , 用 高 強(qiáng) 度 光 照 射 (現(xiàn) + 1 6 -3 計(jì) ( = 5 1 c 如 前 所 述, 算 該 異 質(zhì) 結(jié) 太 × 0 m , N 陽(yáng)能電池的電場(chǎng)強(qiáng)度分布 , 如圖 9 2 所示 , 9 2 圖 ( ( 與 ( 差 無(wú) 幾 , 是 光 照 射 使 小

48、 于 1 1 4 V/m 只 1相 × 0 c 的 低 場(chǎng) 區(qū) 強(qiáng) 度 稍 變 大, x 0 0 m 處, 度 從 如 = . 3µ 強(qiáng) 3 3 | . 8 1 V/m| 大 為 | . 7 1 V/m| 反 34 × 0 51× 0 c 變 c ; 電場(chǎng)強(qiáng)度也稍減弱 , x 0 0 , . 2µ 處 , 度 如 = .100 m 強(qiáng) 從 + 1 8 × 1 4, 3 7 × 1 3 V/m 變 小 為 + 1 5 .4 0 + .2 0 .4 c ×1 4, . 9 0 V/m, 0 +2 6 ×1 3

49、 c 即光照射反能稍增強(qiáng)非 晶薄膜中光生載流子的傳輸和收集 , 而光照射又不 引 起 cS 中 光 生 載 流 子 輸 運(yùn) 的 改 變 , 會(huì) 發(fā) 生 電 不 -i 池 性 能 因 光 輻 射 而 退 化 , -icS 異 質(zhì) 結(jié) 結(jié) 構(gòu) 太 aS/-i 12 陽(yáng)能電池具有較高的光穩(wěn)定性 , 。 + 圖 9 p ( -iH . 5µ iaS: 0 0 m/ (-i aS: 0 0 m/( -iH . 3µ n cS 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池光輻照前后電場(chǎng)強(qiáng)度分布( 取 電池 0 . 5µ 區(qū)域 ( 0 2 m 1 光輻射前 , 2 光輻照 ( 后 + . 5µ

50、i Fg 9 E eti i dpoi si i. lcr e rfe np ( -iH0 0 m/ cf l l aS: 圖 8 aS/-i 質(zhì) 結(jié) 太 陽(yáng) 能 電 池 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 分 布 ( 電 取 -icS 異 池 0 . 5µ 區(qū)域 ( p ( -iH . 5µ i 0 2 m 1 + aS: 0 0 m/ (-iH0 0 m/ (-i, 2 p ( -iH . 8 . 3µ n cS ( + aS: 0 0 aS: µ n cS m/ (-i Fg 8 E eti i dpoi si -icS h trjn t n i. lcr e rfe

51、 naS/-i eeou ci cf l l o . slrcl ( = 0 0 2 m ( ( -iH0 oa el x . 5µ 1 p aS: 0 m/( -iH0 0 m/ (-i,( p ( 5µ iaS: . 3µ n cS 2 + a S: 0 0 m/ (-i,rset ey iH . 8µ n cS ep ci l v + ( -iH . 3µ n cSh trjn t nslr aS: 0 0 m/ (-i eeou ci oa o cl( =0 . 5µ eoe( a datr( el x 0 2 m b fr

52、1 n f e 2 poo g dl h sa ig ep ciey rln e i t o kn ,rset l g v 參 考 文 獻(xiàn) 1 B rg r D rb shG,F hn r R rp rt no ocet ,G a oc a re W .P e aai f o E eg nryMae n o C l ,1 9 ; 9 5 t ra dS l e s 9 7 4 : 3 l ( aS: ( cS eeou cin slrcl .S l n -i H/ p -ih trjn t o oa el s o 2 T nk a a aM,T g c i a u h M,T u aS t l

53、 eeo me t s d ,e a.D vlp n 3 4 aS/-i . -icS 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性 p ( -iH iaS: / (-i結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太 aS: /( -iH n cS 陽(yáng) 能 電 池 有 一 本 征 aS: 厚 薄 層 , 在 光 照 射 下 它 -iH + o e aS/ -i eeou cinslrcl :AC - T fn w -iC S h trjn t o oa el s JHI ( t ial cn tu td jn t nh trjn t n wi Aric l o srce u ci -eeou ci fi y o o t h (1: 1 1 35

54、8 itis ti- yr . J n J A p h sI 1 9 ; 1 nr i hnl e p nc a p lP y , 9 2 3 下轉(zhuǎn)第 4 5頁(yè) ( 9 4期 3 王安國(guó)等 :非對(duì)稱(chēng)寬邊耦合 C W 微波濾波器的散射參數(shù)設(shè)計(jì) P 成電路的理論與設(shè)計(jì) 。 45 9 S cs ah eK. h ct r g p rmeesa d drcin l T esat i e n aa tr n i t a e o cu lr a ayi o c aatr t al tr n td o pe n ls s f h rcei i l s c y emiae ay smmer ti cu ld

55、ta s sin l e i a c o pe rn mi o s is n n n ih mo e eu n o g n o sme im. E E T a sMT 1 9 ; 8 du I E rn T, 9 0 3 (47 2 4 : 1 4 5 吳詠詩(shī)( 97 WU Yo gh 1 2 年 出 生 , n si 現(xiàn) 15 年 于 南 開(kāi) 大 學(xué) 電 機(jī) 系 畢 業(yè), 為 天 90 津 大 學(xué) 電 子 信 息 工 程 學(xué) 院 教 授, 國(guó) 電 中 子學(xué)會(huì)會(huì)士 , 榮譽(yù)會(huì)員 。 在學(xué)術(shù)刊物與會(huì) 議 上 已 發(fā) 表 論 文 1 0余 篇 。 近 年 研 究 興 1 趣 為: 工 智 能 及

56、神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 在 微 波 電 路 人 設(shè) 計(jì) 中 的 應(yīng) 用, 片 微 波 集 成 電 路 的 理 單 論與設(shè)計(jì) , 三維微波集成電路的理論與設(shè)計(jì)等 。 丁 潤(rùn) 濤 ( I R na 男 , 9 8年 出 13 D NG u to 生, 籍貫 上 海 , 為 天 津 大 學(xué) 電 子 信 息 工 現(xiàn) 程學(xué)院 教 授 , 士 生 導(dǎo) 師 , 國(guó) 電 子 學(xué) 會(huì) 博 中 會(huì)士 。 主要從事信號(hào)與信息處理 、 圖像處 理, 視頻技術(shù)等方面的研究 。 曾發(fā)表論文 七十余篇 。 4 ,D n Wa g A G,Wu Y S ig R T.T e satr g n h ct i en p rmeesa d

57、euv ln ewok ftesmmer aa tr n q iae tn t rso h y ti c cu ldl e nih mo e eu o pe i si n o g n o sme im. rco 0 0 n du P o f2 0 I E As aii oeec nCrut a dS s ms E E i aP c cC frneo i i n yt , f c s e 2 0 : 0 2 4 0021 0 5 T iah Vi i . y r ti j k Asmmer o pe rn mi inl e p a ti u ldta s s o i s cc s n i a i

58、h mo e eu me im.I E T a s MT n n n o gn o s du E E rn T, 1 7 ; 3 9 : 3 7 9 952(74 3 吳詠詩(shī) , 丁潤(rùn) 濤 . 對(duì) 稱(chēng) 支 持 寬 邊 耦 合 共 面 波 導(dǎo) 非 6 王安國(guó) , 的模式分析 . 電子學(xué)報(bào) , 0 0 3 ( 3 0 9 2 0 ; 0 3 : 9 3 3 王安國(guó) ( 98 WANG An u 1 5 年 出 生 , go 博 士 , 9 2年 于 南 京 工 學(xué) 院 ( 東 南 大 現(xiàn) 18 學(xué) 無(wú)線 電 工 程 系 畢 業(yè) , 為 天 津 大 學(xué) 電 現(xiàn) 子 信 息 工 程 學(xué) 院 副 教 授, 國(guó) 電 子 學(xué) 會(huì) 中 高 級(jí) 會(huì) 員, 學(xué) 術(shù) 刊 物 與 會(huì) 議 上 已 發(fā) 表 在 論文 2 多 篇 , 年