非晶硅晶体硅HIT太阳电池研究

非 晶 硅 / 晶 体 硅 HIT太 阳 电 池 研 究摘 要： 运用 AMPS程序模拟计算了 p-型非晶硅 / n-型晶体硅 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 异质结太阳电池的光伏特性。通过对不同带边补偿情况下的计算结果同文献报道相比较， 得出导带补偿小部分 (0.18eV) ， 价带补偿大部分 (0.5eV) 的基本结论。同时还证实，界面态是决定电池性能的关键因素，显著影响电池的开路电压（ VOC）和填充因子（ FF） 。最后计算了这种电池理想情况下（无界面态、 有背面场、 正背面反射率分别为 0 和 1） 的理论效率 Eff=27% (AM1.5 100MW/cm2 0.40-1.10 μ m波段 ) 。关键词： a-Si:H/c-Si 异质结，太阳电池，计算机模拟1 前言晶体硅太阳电池具有转换效率高，生产技术成熟的优点，一直以来占据太阳电池世界总产量的绝大部分 [1] 。但传统晶体硅太阳电池生产中的高温（ 9000C 以上） 扩散制结工艺又限制了生产效率的提高和产品成本的进一步降低。 多年来各国科学家一直在努力研究探索低成本高产量的高效薄膜太阳电池制造技术 [2] 。氢化非晶硅 （ a-Si:H ） 太阳电池生产工艺温度较低 （ 4000C以下） ， 便于大规模生产，因此受到各国科学家的普遍重视并得到迅速发展 [3] 。 但是， 氢化非晶硅 （ a-Si:H ）太阳电池的光致退化（ Staebler-Wronski 效应）问题始终没有得到很好的解决，同时其光电转换效率还有待进一步提高。一条可行的途径是用宽带隙的 a-Si 作为窗口层或发射极， 单晶硅、 多晶硅片作衬底， 形成所谓的异质结太阳电池 [4,5] 。这种电池既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。本文运用 AMPS-1D[6] 计算机模拟程序分析模拟了这种结构，并就相关物理问题作了初步探讨。2 物理模型模拟分析的太阳电池材料和结构参数见表 -1 。衬底为 250 微米厚的 n- 型晶体硅 （掺杂浓度为 1.4 × 1016cm-3） ， n+层 （掺杂浓度为 2.5 × 1020cm-3） 厚度为 100nm。p- 型非晶硅厚度为 10nm（掺杂浓度为 1.0 × 1019cm-3） 。2 表 -1 模拟计算中所用参数Tabl-1 Parameters for calculation 参数 p-a-Si:H i-a-Si:H c-Si 厚度 (nm) 电子亲合势 (eV) 迁移率带隙 (eV) 光学带隙 (eV) 相对介电常数有效态密度 N C，NV（ cm-3eV-1）电子迁移率 μ n 空穴迁移率 μ p带尾态密度Urbach 尾宽电子俘获截面空穴俘获截面隙间定域态分布电子俘获截面空穴俘获截面掺杂浓度10 3.45~4.00 1.80 1.72 11.90 2.5× 10202.5× 1020 10（ cm2V -1s-1）0.8（ cm2V -1s-1）1021cm-3eV-1 0.05(E D)/0.03 (E A)eV 1× 10-17cm-2 1× 10-15 cm-29.5× 1018 双高斯分布1× 10-15 cm-21× 10-14 cm-2N A=1× 1019cm-3 0~100 3.45~4.00 1.80 1.72 11.90 2.5× 10202.5× 1020 10（ cm2V -1s-1）0.8（ cm2V -1s-1）1021cm-3eV -1 0.05(E D)/0.03(E A)eV 1× 10-17 cm -21× 10-15 cm -25× 1016 双高斯分布1× 10-15 cm -21× 10-14 cm -2250000 4.05 1.12 1.12 11.90 2.8× 10191.04× 1019 1350（ cm2V-1s-1）450（ cm2V -1s-1）1014cm-3eV -1 0.01(E D)/0.01(E A)eV 1× 10-17 cm-21× 10-15 cm-21× 1012 平均分布1× 10-15 cm-21× 10-14 cm-2N D=1.4× 1016cm-3非晶硅和晶体硅的吸收系数如图 -1 所示，分别取自有关参考文献 [7,8] 。400 500 600 700 800 900 1000 110010100100010000100000c-Sia-SiCoefficient/cm-1Wavelength / nm图 -1 计算所用非晶硅和晶体硅的吸收系数Fig. 1 Absorption coefficients of a-Si and c-Si used for calculation 计算中，除理论最大效率计算之外，正背面反射率分别为 0.1 和 0，无陷光结构。顶电极界面（也就是 p- 型非晶硅一侧的电极界面）和底电极界面（也就3 是 n- 型晶体硅一侧的电极界面）的电子空穴界面复合速率均为 1× 107cm/s，接触势垒分别为 0.26eV（顶电极）和 0.1eV（底电极） 。3 模拟分析与讨论3.1 界面态对光伏特性的影响众所周知， 影响异质结器件光电特性的核心问题除了能带不连续性以外， 还有界面缺陷电子态。通过在 a-Si:H 和 c-Si 之间引入一层 “界面层” ，厚度为 1nm（约 4 个原子层） ，悬键态体密度在 1015-10 19cm-3 之间（由此可推算出界面态面密度 Nint 为109-10 13cm-2 之间） ，在带隙（ 1.12eV）中呈双 Gaussian分布，电子空穴俘获截面分别为 1× 10-14 cm2、 1× 10-15 cm2（类施主态）和 1× 10-15cm2、 1× 10-14cm2（类受主态） 。图 2 为计算所得不同界面态密度情况下， p-a-Si:H/n-c-Si 太阳电池在AM1.5， 100mW/cm2 模拟光照条件下的光伏特性的影响。可以看出，界面态对光伏特性的影响很大，尤其是填充因子（ FF）和开路电压（ VOC） 。在不考虑界面态时，电池效率和填充因子分别高达 24%和 83.2%(无陷光结构 ) 。随着界面态密度的增加，除短路电流以外，电池性能急剧下降，界面态密度为 5× 1013cm-2 时，电池效率和填充因子分别下降为 9%和 0.65 ，开路电压却只有 0.4V。这主要是由于界面缺陷态引起耗尽区的产生复合电流增加， 表现为反向漏电电流增大， 从图 3 看出，反向漏电电流随界面态密度增加而增加，而且当界面态密度从 5× 1012m-2 变为 5× 1013m-2 时， 反向漏电电流增长近三个数量级。 根据太阳电池的理想二极管模型，开路电压与反向饱和电流 J0之间的关系为1ln0JJqkTV SCOC （ 1）1E948121620241E10 1E13Eff1E121E11Eff(%)N INT ( cm -2 )50607080FFFF(%)0.20.40.60.8V OCV OC(V) 353637383940J SCJ SCmA/cm24 图 2 不同界面态密度对太阳电池光伏特性的影响Fig. 2 Impact of interfacial states density on photovoltaic performances of solar cells 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.01E-81E-71E-61E-51E-41E-30.010.11N INT =5*10 13 cm -2N INT =5*10 12 cm -2N INT =5*10 11 cm -2N INT =5*10 10 cm -2J D(mA/cm2)Reverse Bias (V)图 3 不同界面态密度太阳电池的反向暗电流Fig. 3 Different reverse current densities with different interfacial states density 在 SCJ 不变时， J0 的增大， VOC减小。填充因子 FF与 J0 间在串联电阻可以忽略的情况下也存在类似的关系式 [9] : 000lnlnln1ln11JJJJJJFF SCSCSC（ 2）因此， VOC和 FF 的减小，必然导致太阳电池效率的下降。3.2 分析能带补偿（ Band-gap Offset ）的影响。异质结的能带图取决于材料对的电子亲合势、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度以及界面态密度等多种因素。 这给异质结带来了多样性， 我们也因此不能像对待同质结那样，简单地由结两边费米能级的位置就能推断出能带图的主要特征。原因是界面处材料的电子亲合势不同， 能带不再连续， 同时界面态对结两边费米能级也有影响。根据电子亲合势的定义，我们可以得到：CE （ 3）GV EE （ 4）Δ χ 为 nc-Si:H(a-Si:H) 和 c-Si 的电子亲合势之差， Ec为 nc-Si:H(a-Si:H)和 c-Si 的带隙差。虽然有不少作者报道过非晶硅电子亲合势的测量结果，但由5 于非晶硅、 纳米硅薄膜的结构复杂性和多样性， 使得这类参数具有一定程度的不确定性。 而晶体硅参数相对比较确定， 因此我们通过改变非晶硅电子亲合势来模拟能带补偿对器件光伏特性的影响。 Ec 在 0.05-0.60eV 之间变化（晶体硅的电子亲合势为 4.05eV） 。图 4 给出了 Ec 为 0.10eV 和 0.30eV 的热平衡条件下的能带图。0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20-6.5-6.0-5.5-5.0-4.5-4.0EC=0.10eVEC=0.30eVEFEVECn+-nc-Si:Hc-SiE(eV)Deepth of device(m)图 4 不同能带补偿情况下的能带图Fig. 5 Band compensation under different energy band diagram平衡条件下，异质结两边空间电荷区内自建电势 Vb可分别表示为：022 cnDbnxqNV （ 5）022 ccAbcxqNV （ 6）式中 q 为电子电荷， N为掺杂浓度， x 为空间电荷区厚度， ε 为介电常数，下标 n 表示纳米硅、非晶硅一侧， c 表示晶体硅一侧。两边空间电荷区受电中性条件的约束， xn ND =xc NA，因而有6 nDcAbcbnNNVV（ 7）即两边的自建势反比于掺杂浓度和介电常数的乘积， 低掺杂的晶体硅一侧自建势较高，空间电荷区也更厚。图 4 中可以看出，晶体硅一侧耗尽区较宽 ( 近150nm)，能带弯曲或自建势主要在晶体硅一侧。值得指出的是， 由于异质结处存在能带不连续性， 结区总的势垒高度并不等于空间电荷区自建电势之和。 电流过程还应受到能带突变量， 即能带补偿的影响。1012141618200.40.50.60.70.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.600.750.90N INT =10 10 cm -2N INT =10 11 cm -2N INT =10 12 cm -2FF(fill factor)E C ( E G - E V )(eV)333435N INT =10 10 cm -2N INT =10 11 cm -2N INT =10 12 cm -2J SC(mA/cm2)( b )( a )图 5 能带补偿对太阳电池性能的影响 ,图（ a） 、 （ b）中实线分别表示不同界面密度情况下短路电流 Jsc 和填充因子 FF ，虚线则分别表示开路电压和转换效率。Fig. 5 With compensation of solar cells can influence, Figure (a), (b) solid line, respectively, under different interface circuit current density Jsc and fill factor FF, open circuit voltage, respectively, while dotted lines and conversion efficiency. 图 5 为计算所得光伏特性随能带补偿的变化曲线， 可以看出， 短路电流几乎不受能带补偿的影响， 而开路电压和填充因子以及光电转换效率具有类似的变化规律。随着 Ec 的增大，由于界面态所带来的开路电压和填充因子的减小逐渐被消除，当 Ec 达到 0.5eV 左右时界面态的影响几乎完全被掩盖。电池参数又恢复到无界面态时的值 ( η -19%， Voc-0.68V ， FF＞ 0.84) 。随着 Ec 的增大， 在晶体硅一侧的模拟界面层内的费米能级由于能带弯曲而上升。 当 Ec增大到 0.4-0.5eV 时， 费米能级上升到远离禁带中心接近导带底部，界面态几乎全部饱和， 使得通过界面态的产生复合漏电电流下降， 从而使光电转7 换效率、 开路电压和填充因子从新得以恢复提高。我们还对理想情况 （即不考虑界面态） 在不同的能带补偿情况下进行了模拟计算， 发现能带补偿对理想情况时短路电流、 开路电压和填充因子均无影响， 说明能带补偿是通过界面态来对器件产生影响的。关于 nc-Si:H/c-Si 异质结的能带补偿，目前还未见有文献报道。关于(a-Si:H) /c-Si 异质结的能带不连续性，我们特别进行了数值模拟，模拟结果支持带隙差主要补偿在价带的观点。3.3 本征非晶硅层厚度的影响在 n+-a-Si:H/c-Si pn 结中插入本征非晶层有助于电池性能的提高， Tanaka小810121416180.40.50.60.70 20 40 60 80 100 1200.60.70.8i-layer thickness(nm)FF(fillfactor)3031323334N INT =10 10 cm -2N INT =10 11 cm -2N INT =10 12 cm -2J SC(mA/cm2)( b )N INT =10 10 cm -2N INT =10 11 cm -2N INT =10 12 cm -2(%)( a )V OC(V)图 6 本征缓冲层厚度对太阳电池性能的影响Fig. 6 Intrinsic buffer layer thickness on solar cell performance （ a） 、 （ b）中实线分别表示不同界面密度情况下短路电流 Jsc 和填充因子FF，虚线则分别表示开路电压和转换效率。组正是采用这种结构获得了 18.1%的光电转换效率，也正是因为这层薄的非晶硅本征层，并把这种电池命名为 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thin-layer ）太阳电池。8 图 6 是计算得到的不同界面态密度情况下电池光伏特性随本征非晶硅缓冲层厚度的变化。 填充因子和开路电压的变化趋势与界面态密度有关， 当界面态密度在小于 1011cm-2 时，二者都存在极大值以及相应的优化厚度（ 30-40nm） ，这一结果和 Tanaka和 Anderson 等人的实验结果定性吻合。而当界面态密度达到1012cm-2 量级时，非晶硅本征层的引入只能使电池性能变坏。因此， 我们可以推断，通过适当引入钝化工艺，如氢稀释等离子体硅烷分解或适量掺入卤族元素（如 F）等手段可以使 nc-Si:H:F/c-Si 界面的缺陷态密度降到低于 1011cm-2 的数量级。优化厚度的存在说明有相反过程在起作用， 一方面开路电压随本征非晶硅厚度增加而提高， 而另一方面短路电流却随缓冲层厚度的增加而单调下降。 这是由于非晶硅层的短波吸收增加， 而相应的光生载流子又得不到有效的收集 （非晶硅的载流子迁移率相比晶体硅较低） ，从而使短路电流下降。0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.20.30.40.50.60.70.80.91.0with 10nm buffer layerwith 100nm buffer layerQEWavelenth(nm)图 7 本征缓冲层厚度对太阳电池短波响应的影响Fig. 7 Intrinsic buffer layer thickness on the response of solar short-wave图 7 是不同缓冲层厚度情况下电池的光谱响应曲线。当缓冲层的厚度增加时，电池的短波响应变差。3.4 理论极限效率的计算以上计算都是在没有陷光结构的情况下进行的，因此效率只能达到 24%。而我们知道晶体硅 pn 结电池的理论效率高达 29%（ AM1.5， 100MW/cm2） ，实际已作到了 24.5%[10] 。那么 p-a-Si:H /n-c-Si 电池又能达到多高的效率呢？在一定光9 照条件下，要提高效率，唯一的途径是提高量子效率，增加光吸收。一方面采用绒面结构或减反射膜以减少正表面的反射损失到最低限度， 或增加电池厚度以减少硅的长波低吸收区的透射损失。 然而电池厚度的增加势必又会带来光生载流子收集效率的下降，同时还会增加成本， 常用的办法是在背面设置光反射器， 将透射光反射回来再次吸收，提高光生电流从而提高光电转换效率。-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8-40-30-20-100Eff: 27%FF: 82%VOC : 0.786VJSC: 41.5mA/cm 2Currentdensity(mA/cm-2)Voltage ( V )图 8 理想情况下 p-a-Si:H/n-c-Si 的伏安特性曲线Fig. 8 Calculated J-V curve for ideal case图 8 为计算所得的 J-V 曲线（无界面态、有背面场、正背面反射率分别为 0和 1） ，最大理论效率 Eff max=27%（ AM1.5 100MW/cm2 0.38-1.10 μ m波段）4 结论与建议4.1 结论通过数值模拟计算， 并同已有实验结果比较， 得出了 a-Si/c-Si 异质结界面的能带补偿大部分在价带（约 0.5eV） ，少量在导带（约 0.2eV）的结论。在 HIT 结构中随着本征层厚度的增加， 电池的短路电流急剧下降。 这是由于具有高吸收系数的 a-Si 本征层吸收了更多的短波光子，而由此产生的光生载流子又不能被很好收集的缘故。界面态显著影响 a-Si/c-Si 异质结太阳电池的光伏特性。 随着界面态密度的增加，电池的开路电压、 填充因子及转换效率明显降低。 原因是通过界面态的产生复合过程引起漏电电流的增加，从而降低了开路电压和填充因子。计算表明这种电池理想情况下 （无界面态、有背面场、正背面反射率分别为0 和 1）的理论极限效率 Eff=27% (AM1.5 100MW/cm2 0.40-1.10 μ m波段 ) 。4.2 建议10 HIT 太阳电池虽然诞生的时间不长， 但是凭借其廉价高效的巨大优势迅速抢占国际光伏市场， 成为目前太阳电池研发及应用领域中最耀眼的一颗新星。 随着人们对 HIT 异质结技术研究的不断深入以及 HIT 太阳电池制备技术的不断改进，由 HIT 太阳电池主导国际光伏市场的日期已离我们越来越近了。从中也可以看出， 发展使用新原理、 新结构及新材料的太阳电池对于推动光伏技术的向前发展显得何等地重要。参考文献[1] J.E. 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Lett. 66 ,1995, 3636-3638 11 The study of solar cells HIT of amorphous silicon/ crystalline silicon Abstract: AMPS simulator, which was developed by Pennsylvania State University, has been used to simulate photovoltaic performances of a-Si:H/ c-Si HIT (H Heterojunction with Intrinsic Thin layer) solar cells. It is concluded that the bandgap difference among a-Si and c-Si is largely compensated at valence band (about 0.5eV) with a small conduction band edge offset (about 0.2eV) after comparing the calculated results to reported data. It is shown that interface states are essential factors prominently influencing open circuit voltages ( VOC) and fill factors (FF) of these structured solar cells. Theoretical maximum efficiency of up to 27%(AM1.5 100mW/cm2 0.40~1.1 μ m) has been obtained with BSF structure, idealized light-trapping effect(RF=0 , RB=1) and no interface states. Key words: a-Si:H/c-Si hetero-junction, solar cell, computer simulation