_c_Si_Hp_i_n薄膜太阳能电池中i层的设计分析

Λ c2Si∶ H p 2i2n 薄膜太阳能电池中 i 层的设计分析林鸿生(中国科学技术大学物理系 , 合肥 , 230026 )摘要 通过应用 Scharfetter 2Gumm el 解法数值求解 Poisson 方程 , 对热平衡 Λ c2Si∶ H p 2i2n 薄膜太阳能电池进行计算机数值模拟 。 结果表明 , 光吸收体 i 层中 N 型或 P 型掺杂都会在 i 层中造成低场区而不利于光生载流子传输 , 指出 Λ c2Si ∶ H p 2i2n 太阳能电池制造中采用补偿 Λ c2Si∶ H 薄膜充当吸收体 i 层能提高长波 (> 800 nm ) 载流子收集效率 , 从而增大电池的短路电流 。关键词 : Λ c2Si ∶ H p 2i2n 薄膜太阳能电池 载流子收集效率 N ewton 2R aph son 解法中图分类法 : TM 914. 421 引 言Λ c2Si∶ H 的宽禁带和高掺杂效率 (高电导 ) 使它首先被用做 Α 2Si ∶ H 太阳能电池的窗口电极材料 [ 1 ]来改善其电池表面重掺杂层的特性 , 减少在这一层的复合损失 。 随着对 Λ c2Si∶ H 材料性质的进一步研究 , 人们还发现它有比 Α 2Si∶ H 薄膜更高的光吸收系数 , 特别近红外高出 2～ 3 数量级 [ 2 ] , Staebler2W ron ski 效应引起的薄膜性能衰退远比 Α 2Si∶ H 小 [ 3] , 而Λ c2Si∶ H 经氧化其载流子迁移率增大 20 倍 [ 4 ]。 于是长期因高缺陷密度而认为没有应用价值的本征 Λ c2Si∶ H 薄膜原来是一种很有前景的光伏有源材料 , 从而刺激人们研制全 Λ c2Si∶ H p2i2n 型太阳能电池的热情 [ 2, 4, 5 ]。 目前单结 Λ c2Si∶ H p2i2n 薄膜太阳能电池能量转换效率已达 7. 8% [ 4 ] , 短路电流高达 21. 9 mA cm 2 [2 ] , 若它充当 Α 2Si∶ H Λ c2Si∶ H 叠层电池结构底电池 , 获得了 9. 4%的电池能量转换效率 [5 ] , 而且长期光照电池性能衰退很小 [ 2, 5]。 单结Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池中 i 层厚度 1～ 117 Λ m [ 2, 5 ] , 而在叠层电池中 116～ 214 Λ m [ 5 ]。 Λ c2Si∶ H 电池光吸收体 , 中间 i 层则采用未掺杂或补偿 Λ c2Si∶ H 薄膜 [2, 5 ]。本文应用计算机数值模拟方法分析热平衡态 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池的性质 , 讨论光吸收体中间 i 层分别为 N 型和 P 型导电类型时对太阳能电池性能的影响 , 说明在 Λ c2Si∶ H p2i2n太阳能电池制造中 i 层设计选择补偿型 Λ c2Si∶ H 薄膜的原因以及控制补偿度的原则 。2 数学描述图 1 是 Λ c2Si∶ H p 2i2n 薄膜太阳能电池结构简图 。面对太阳光照射是 p Λ c2Si∶ H 窗口电极材料 , 接着是光吸收体 , 有源区 i Λ c2Si∶ H 薄膜 , 第三层 n Λ c2Si ∶ H 为背电极提供欧姆接触 。大家知道 , Λ c2Si∶ H 薄膜是由 1～ 50 nm 小晶粒 Si 嵌镶在非晶硅网络中而成的 [ 2] ,有限的长程有序带来电子非定域化使带尾态宽度减少 , 带尾宽度为 0～ 0107 eV , 而微晶晶第 20 卷 第 4 期1997 年 12 月 电 子 器 件Journal of E lectron D evices V o l. 20,N o. 4D ec. 1997粒间界 、 缺陷在禁带中部引入比 Α 2Si∶ H 要高的 (～ 1018 cm - 3 eV - 1) 常数隙态密度分布 [ 6, 7]。现用如图 2“ U ” 型模型 [ 8 ]来描述 Λ c2Si∶ H 薄膜禁带中连续分布定域态 , 即从导带边 E c 伸入带隙的类受主 U rbach 带尾态为 N (E ) = G doexp (- E E a) , 和从价带边 E v 伸入带隙的类施主 U rbach 带尾态 N (E ) = G doEXP (- E Ed) , 能量 E 起始点分别从导带底和价带顶算起 ,伸入禁带为正 , 禁带中部是常数隙态密度 Gm g, E da是类受主态和类施主态转换能量 。图 1 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池结构简图 图 2 “ U ” 型隙态密度分布图 3 Λ c2Si∶ H p 2i2n 太阳能电池能带图未掺杂 Λ c2Si∶ H 呈 n 型导电 ,这可能是杂质沾染或结构效应引起的 [ 2, 5]。用 N D (cm - 3) 大小电离施主掺杂浓度来概括 。图 3 是热平衡下 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池能高图 , x = 0 处势垒高度为 5 bo, x = L 为 5 bL , L 是器件总长度 。 下列 Poisson 方程描述其热平衡态性质Ε d2?(x )dx 2 = Θ (x ) (1)方程边界条件? (0) = 5 bo - 5 bL? (L ) = 0(2)式中 Ε 是材料介电常数 , ? (x) 不是传统中的电子静电势分布 , 称局部真空能级 [ 8 ] , 它的数值与电子静电势相同但符号相反 , 单位为 eV , 方程 (1) 式右边空间电荷密度 Θ (x ) 表达式为Θ (x ) = q [p (x) - n (x ) + N +D (net) (x) + p t (x ) - nt (x ) ] (3)其中 p (x ) 是价带中空穴浓度 , n (x ) 是导带中电子浓度 ,N +D (net) (x ) 是净有效荷正电分立局域态浓度 , p t (x ) 是连续局域态上俘获的空穴浓度 , nt (x ) 是连续局域态上俘获的电子浓度 。把电池器件进行 400 等分的网络划分 , 通过差分法把方程 (1) 转化成一组差分方程组 ,由 N ewton 2R aph son 解法求解差分方程组 [ 8, 9 ] , 得出器件各网络点上的电子静电势能 ? (x )的精确数值解 , 从而计算出相应的载流子浓度分布 , 空间电荷密度分布 , 电场强度分布以及2 电 子 器 件 第 20 卷能带图 [ 8, 9 ]。 显然只要给器件选择适当的物理参数 , 方程 (1) 和 (2) 求解是在没有任何先决条件下进行的 。 表 1 给出 Λ c2Si∶ H p 2i2n 太阳能电池模拟计算中使用的典型物理参数 [ 2, 5, 7, 9]。共同参数 , Λ c2Si∶ H E g= 1. 60 eV[10 ] , xe= 3. 98 eV[ 11 ] , Ε = 1. 17, T = 300 K。 设 L = 115 Λ m ,5 bp = 1140 eV , 和 5 bL = 011 eV。表 1 模拟计算中使用的典型物理参数参数 p i n厚度 Λ m 01015 0104N D cm - 3 7× 1017N A cm - 3 5× 10 17N c cm - 3 3× 10 19 3× 1019 3× 1019N v cm - 3 2× 10 19 2× 1019 2× 1019G do cm - 3? eV - 1 4× 10 21 4× 1021 4× 1021Gao cm - 3? eV - 1 4× 10 21 4× 1021 4× 1021E d eV 0105 0104 0105E a eV 0103 0102 0103Gm g cm- 3? eV - 1 5× 10 17 5× 1016 5× 1017E da eV 011 011 0113 结果与讨论图 3 是理论计算的 Λ c2Si∶ H p 2i2n 薄膜太阳能电池能带图 , i 层 Λ c2Si∶ H 有源区上的光生电子流向 n Λ c2Si∶ H 背电极 , 而光生空穴为对面窗口电极所收集而形成电池的光生电流 。 现在讨论不同 i 层 Λ c2Si∶ H 设计对电池载流子收集的影响 。3. 1 有源区是本征 i Λ c2Si∶ H 层图 4 Λ c2Si∶ H p 2i2n 太阳能电池电场强度分布图 4 是中间层为本征的 Λ c2Si∶ H 薄膜时 , Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池的电场强度分布 。 随着深入至 i 层的中央 , 电场强度逐步下降 , 极小值为 1. 6× 102V cm。 这种分布是由于电池设计中为了充分利用Λ c2Si∶ H 薄膜的增强近红外吸收而选取厚的 , 如 1. 5 Λ m i Λ c2Si∶ H 薄膜的结果 。如果 i Λ c2Si∶ H 膜厚为 ～ 013 Λ m , 计算表明将有 3. 6× 103 V cm 强度电场均匀穿过 i 层 , 与 a- Si∶ H p2i2n 设计结果相似只强度小 1 个数量级 。所以 Λ c2Si∶ H p2i2n 薄膜太阳能电池光生载流子不是高内建场主导下输运 , 而是扩散与漂移共同支持下进行的 [ 2] , 但与 a2Si∶ H p 2i2n 电池很不同的是 , 电池光谱响应测量表明 [ 2 ] , 虽然 i Λ c2Si∶ H 厚度大到 1. 7 Λ m , 光生载流子实际上全部被收集 , 使电池的短路电流比 Α 2Si∶ H 太阳能电池的最高的还大 ,～ 2119 mA cm 2 [2 ] , 原因是具有微晶结构的 Λ c2Si∶ H 薄膜中电子迁移率增加3第 4 期 林鸿生 : Λ c2Si∶ H p2i2n 薄膜太阳能电池中 i 层的设计分析 了 [ 11 ]。 电池有较长的载流子收集长度 , 这是 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池设计优于 Α 2Si∶ H p2i2n 太阳能电池 i 处 , 文献 [ 5 ]集中讨论 Λ c2Si∶ H 薄膜晶化比对 p2i2n 结构电池性能的影响 。还报道 [4 ] 高浓度氧 、 氢加入能钝化 Λ c2Si∶ H 中微晶晶粒间界和增大晶粒尺寸 , 因而载流子H all 迁移率高达 ～ 35 cm 2 V ? s, 这种材料制作的 p - i- n 电池的能量转换效率达 7. 8% ,填充因子 0. 53[ 4 ]。3. 2 有源区为未掺杂 Λ c2Si∶ H 层如前所述 , 未掺杂 Λ c2Si∶ H 薄膜呈 N 型导电 , 假设有效电离施主掺杂浓度 ,N D = 3101× 1016 cm - 3, 于是方程 (3) 中电池中间 i 层的 N +D (net ) (x ) = N D = 3101× 1016 cm - 3, 解方程(1) 与 (2) 得到有源区为未掺杂 Λ c2Si∶ H 的 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池电场强度分布如图 5(2)。为了比较 , 把有源区为本征 i 层的电场强度一并画于图 5 (1)。从图 5 (2) 看到 , 在 p (Λ c2Si∶ H ) i (Λ c2Si∶ H ) 界面附近电场强度增大 , 有利于避免电池的短波吸收损失 ; 但在靠 nΛ c2Si∶ H 一侧的有源区上电场强度下降 , 出现一定范围低场区域 [ 9] , 最小值 2. 5 V cm。 电场强度减小影响电池对光生载流子收集 , 特别是近红外光生载流子收集率降低 , 使电池的短路电流减小 。3. 3 有源区为微量硼掺杂 Λ c2Si∶ H 层但若对中间层 Λ c2Si∶ H 进行微量硼掺杂 , 掺杂浓度 N A = 213× 1016 cm - 3。 不计及其他杂质沾染或结构效应对 Λ c2Si∶ H 薄膜电学性质的影响 , 则方程 (3) 中电池中间 i 层的 N +D(net) (x ) = - N A = - 213× 1016 cm - 3。 如上计算得出有源区微量硼掺杂的 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池电场强度分布如图 5(3)。 与中间层 Λ c2Si∶ H 呈 N 型时图 5 (2) 相反 , 微量硼掺杂抬高 n (Λ c2Si∶ H ) i (Λ c2Si∶ H ) 界面附近区域的电场强度 , 增大电池长波收集效率 , 但在靠 pΛ c2Si∶ H 一侧光吸收体内出现低场区 , 影响了光生载流子的输运 , 特别给电池短波复合增加损失 。3. 4 有源区为补偿 Λ c2Si∶ H 层图 5 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池电场强度分布综上分析 , 在 Λ c2Si∶ H p2i2n 太阳能电池制造中 , 把 i 层设计成微量硼掺杂 Λ c2Si∶H 薄膜— —补偿 Λ c2Si∶ H 层将能消除未掺杂 Λ c2Si∶ H 生长中杂质侵入或结构效应带来的 N 型导电性质 , 从而把电池中电场强度分布调制成如图 5 (1), 保证电池有足够长载流子收集长度 , 对增大长波 (> 800 nm) 载流子收集效率 [ 2, 5 ]和电池短路电流有利 。 实验 [ 2 ]中电池 i 层制造是在反应气流中加入 10- 6量级的硼而获得的 。 当然掺硼过量 , 即过渡补偿如图 5 曲线 (3) 所示 , 会增加电池短波损失 ;但如果制得略欠补偿的 Λ c2Si∶ H 薄膜光吸收体 , 若其对电池长波收集效率影响不大 , 则能改善电池的短波响应 , 这在 i 层厚度较大的电池中表现要明显 , 这些都需要在实验中予以优化选择 。4 电 子 器 件 第 20 卷参 考 文 献1 Pankove J I, in semiconducto rs and semim etals , edited by Pankove J I, O rlando FL : A cadem ic, 1984,V ol. 21 Part D , 1282 M eier J, F luck iger R , Shah A , et al. 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Jpn J A pp l Phys , 1981; 20: L 121Ana lyses of the iLayer D esign in Com pleteΛ c-Si∶ H p- i-n Th in F ilm Solar CellsL in H ongsheng(D epartm ent of P hysics, U niv. of Sci. & T ech. of Ch ina , H ef ei, 230026 )Abstract A computer sim ulation model of Λ c2Si∶ H p 2i2n th in fil m solar cells at thermo2dynam ic equilib rium using scharfetter 2Gumm el m ethod to solve Po isson equation has beendeveloped. T he results indicate that the n2type dopp ing o r p 2type dopp ing changes theelectric field distribu tion and leads to a low 2field region in the i layer , reducing the tran s2po rt of pho togenerated carrier. A nd adopted the compen sated Λ c2Si∶ H as ligh t absorber ,the carrier collecti on efficiency at w avelength over 800 nm is imp roved, increasing theshort circu it curren t of the cells.Key words Λ c2Si∶ H p2i2n th in fil m solar cellcarrier collecti on efficienceN ewton R aph son2solu tion techn iquePACC 84160 Jt5第 4 期 林鸿生 : Λ c2Si∶ H p2i2n 薄膜太阳能电池中 i 层的设计分析