硅基量子结构材料及在HIT太阳电池中的模拟研究_论文简报终稿by张晓宇

硅基量子结构材料及在 HIT 太阳电池中的模拟研究张晓宇 张丽平 刘正新中科院上海微系统与信息技术研究所1. 研究背景与内容薄膜晶体硅异质结 (HIT) 太阳电池因其开路电压高、晶硅可薄性化、制备工艺温度低和高温输出特性良好等特点，有望替代传统晶硅太阳能电池 [1] 。当前对 HIT 的研究主要集中于异质结界面的研究与优化以及光吸收的增强 [2] 。量子点（ QDs） 结构具有低维量子尺寸限制效应，利用该结构可以有效增加电池对低能光子的利用率 [3] 。本课题基于 HIT 太阳电池，主要研究低维材料的结构、特性及载流子输运的物理机制，以期实现低界面复合和高光吸收的 HIT 太阳电池。本文研究内容主要有：（ 1）理论分析硅 /锗（ Si/Ge）量子点结构量子尺寸效应对能带的影响及载流子隧穿机制；（ 2）设计 QDs-HIT 太阳电池的结构并优化其性能，分析量子点结构的引入对 HIT 太阳电池性能的影响。2. 研究结果与讨论2.1 Si/Ge QDs 物理特性图 1 Si/Ge QDs 阵列在不同量子尺寸下的（ a）能带结构（ b）周期性势垒及波函数分布和（ c）隧穿概率图 1（ a）所示为通过 Kronig – Penny 模型计算并利用 matlab 编程得到的 Si/Ge QDs 尺寸为6.5 nm、间隔为 1.5 nm 能带结构，从中可看出对于不同的波矢取向，能级存在着不同程度的劈裂。进一步分析可知，对于一定的量子点尺度，当其间距大于 4 nm 时，能级近似不变；而随着间距的进一步减小，量子点能级迅速增加，因此量子点间距小于 4nm 时， Si/Ge QDs 能带可调。图 1（ b）和（ c）所示分别为尺寸 5 nm、间距 2 nm 量子点的周期性势垒，波函数分布以及隧穿概率分布。由图可知，对于较小的量子间距， 其波函数非局域化， 即载流子可以隧穿穿过势垒，有利于中间带结构的形成，从而方便低能光子通过中间带 -导带、价带 -中间带的载流子传输而被吸收；而量子间距较大（ ~20 nm ）时，波函数完全局域化，载流子无法穿过势垒。在图 1(c)中也可以发现有限周期势垒结构导致的载流子波函数分布不均匀性。2.2 量子点结构在 HIT 太阳电池中的应用图 2（ a）所示为 11 层锗厚度 1 nm 、硅厚度 5 nm 的量子点结构置于晶体硅前侧构成 HIT 太阳电池的结构示意图。通过 silvaco 软件求解泊松 -薛定谔方程并计入量子效应的影响，可以得到QDs-HIT 太阳电池的电学性能。如图 2（ b）所示为理想情况下前、后侧量子点电池外量子效率随量子点层数的变化。 将量子点结构置于晶体硅受光面时， 由于晶体硅中的载流子重新分布， 在短波和可见光波段外量子效率有一定的波动， 而长波段则由于量子点的引入而增加其光子利用率；将量子点结构置于晶体硅背光侧则只是改变了背光侧空穴的生成率， 并没有对大范围的载流子分布产生影响。理想情况下， 11 层量子点结构在晶体硅受光侧的引入将使短路电流从 34.3 mA/cm 2提升到 35.6mA/cm 2，从而大大增强其电学性能。图 2（ a）前侧 QDs-HIT 电池结构， （ b）理想情况下前、后侧量子点电池外量子效率随 QDs层数的变化， （ c） QDs-HIT 电池电学性能随 QDs 中载流子寿命的变化然而，量子点中载流子的复合对电池的开路电压等性能具有较大的影响。如图 2（ c）所示为 QDs-HIT 电池光电性能随量子点载流子寿命的变化。一方面， QDs 中较高的复合速率会导致开路电压的迅速衰减； 另一方面， 背光侧量子点结构会使晶体硅中的少子空穴大量进入量子点复合， 导致短路电流大大降低，故量子点结构在背光侧的引入不能提升短路电流。 实际情况下， 由于工艺条件的不可控， Si/Ge 量子点的价带存在显著的关联态，载流子寿命接近 1μ s[4] ，故量子点的引入将导致开路电压降低。2.3 界面缺陷对量子点电池的影响氢化非晶硅钝化层和晶体硅（ a-Si:H/c-Si ）的界面缺陷对 HIT 太阳电池以及相关量子点电池的光电性能都具有较大影响。图 3（ a）所示为 HIT 太阳电池能带结构及界面复合机制，界面处的空穴将俘获晶体硅一侧的多数载流子电子， 进而与非晶硅一侧的多子空穴复合， 从而降低费米能级间距与开路电压。图 3（ b）所示为 HIT 以及具有不同载流子寿命的受光侧 QDs-HIT 太阳电池光电性能随界面缺陷密度的变化。相对 HIT 而言，受光侧量子点电池开路电压对界面缺陷更为敏感，主要原因是载流子的重分布使晶体硅靠近 a-Si:H/c-Si 界面处电子大量聚集。图 3（ a） HIT 太阳电池能带结构及界面复合机制， （ b） HIT 、不同载流子寿命前侧量子点电池光电性能随界面缺陷密度的变化3. 结论本文利用理论分析，得到了 Si/Ge 量子点结构的能带、以及量子点阵列的隧穿性能；利用silvaco 仿真软件对含量子点的 HIT 电池进行模拟，结果显示前侧量子点电池可以有效增加短路电流，而由于量子点体内、 a-Si:H/c-Si 界面的高复合率，开路电压显著下降。高质量的非晶硅表面钝化可以有效降低界面缺陷态，有助于维持引入 QDs 至受光面 HIT 太阳电池的开路电压。参考文献[1]Taguchi, M., Yano, A., Tohoda, S., Matsuyama, K., Nakamura, Y., Nishiwaki, T., Fujita, K., Maruyama, E., 2014, Ieee Journal of Photovoltaics 4 (1), 96-99. [2]Wen, X.X., Zeng, X.B., Liao, W.G., Lei, Q.S., Yin, S., 2013, Solar Energy 96, 168-176. [3]Tawancy, H.M., 2012, Journal of Materials Science 47 (1), 93-99. [4]Fukatsu, S., Sunamura, H., Shiraki, Y., Komiyama, S., 1997, Applied Physics Letters 71 (2), 258-260.