微晶硅_晶体硅HIT结构异质结太阳电池的模拟计算与分析

第 39 卷 第 3 期2010 年 5 月内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版 )Journal of Inner Mongolia Normal University ( Natural Science Edition )Vol. 39 No. 3May 2010收稿日期 : 2009209220基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50662003 )作者简介 : 韩 兵 ( 1981 - ) ,男 ,内蒙古赤峰市人 ,内蒙古师范大学硕士研究生 ,E2mail :hanbingphysics @yahoo. cn通信作者 : 周炳卿 ( 1963 - ) ,男 ,内蒙古兴和县人 ,内蒙古师范大学教授 ,博士 , 主要从事光电薄膜材料与太阳能电池研究 ,E2mail :zhoubq@imnu. edu. cn微晶硅 / 晶体硅 H IT 结构异质结太阳电池的模拟计算与分析韩 兵 , 周炳卿 , 郝丽媛 , 王立娟 , 那日苏( 内蒙古师范大学物理与电子信息学院 内蒙古自治区功能材料物理与化学重点实验室 ,内蒙古 呼和浩特 010022 )摘 要 : 运用 A FORS2H ET 程序模拟分析 μ c2Si (p ) /μ c2Si (i) / c2Si (n) HIT 结构异质结太阳电池的光伏特性 ,并研究发射层厚度 、 本征层厚度 、 本征层能隙宽度 、 界面态密度以及能带失配等参数对太阳能电池光伏特性的影响 .计算结果表明 : 插入 5 nm 较薄微晶硅本征层 ,电池的转换效率最佳 ; 随着微晶硅本征层厚度增加 ,电池性能降低 ,电池的界面缺陷态显著影响电池的开路电压和填充因子 . 对能带补偿情况进行模拟分析 ,结果显示 ,随着价带补偿 (Δ EV ) 的增大 ,由界面态所带来的电池性能的降低逐渐被消除 ,当 Δ EV = 0. 25 eV 时 ,界面态带来的影响几乎完全消除 . 通过优化各参数 ,获得微晶硅 / 晶体硅 HIT 结构异质结太阳能电池的最佳转换效率为 19. 86 %.关键词 : 微晶硅 / 晶体硅 ; 异质结 ; 太阳电池 ; 模拟计算中图分类号 : TN 302 ; TN 36 文献标识码 : A 文章编号 : 1001228735 (2010 ) 0322025722061991 年 ,日本三洋公司利用 PECVD 制备出转换效率超过 16 %的 a2Si : H (p) / a2Si : H (i) / c2Si( n) 结构的太阳电池 [ 1 ] ,他们把这种电池的结构称为 “ HIT 结构” . 2003 年 ,三洋公司又把面积为 100cm2 的 HIT 太阳电池转换效率的记录改写为 21. 2 % ,并获得 18. 5 %转换效率的大规模工业化生产 [ 2 ] . H IT 结构太阳电池既有晶体硅电池的高效率 、 高稳定的优势 ,又发挥了薄膜材料低成本的特点 . 这种电池结构简单 ,制备中不存在高温过程 ( < 200 ℃ ) ,既减少能耗 ,又避免硅片在高温处理过程中产生的性能退化 [324] . 因此 , HIT 结构太阳电池作为高效 、 稳定 、 低成本的太阳电池越来越受到人们的重视 . Tucci 等 [ 5] 制备的异质结太阳能电池效率已达 17. 1 % ,中科院张群芳等 [ 6] 制备出的 n + 2nc2Si : H/ p2c2Si 异质结太阳电池效率达到 17. 27 %. 目前 ,文献报道的结果与日本三洋公司的结果还存在一定的差距 .在 HIT 结构异质结太阳电池中 ,通常采用非晶硅作为发射层和本征缓冲层 ,电池通常具有较高的开路电压 . 作为太阳电池的窗口材料 ,非晶硅薄膜的高电阻率 、 高吸收性 ,减少了太阳光的透过率 ,增大了电池的串联电阻 ,降低了电流的收集 ,而且非晶硅薄膜还存在光致衰退 (S2W) 效应 [ 728 ] ,限制了其进一步的推广和应用 . 微晶硅 (μ c2Si : H )薄膜材料具有高稳定性 、 高电导率 、 高透光性等特点 ,而且具有易制备 、 低成本的优点 ,是硅基薄膜太阳电池比较理想的窗口材料 ,已成为近 10 年来太阳电池研究的热点 [ 9210 ] . 但是 ,关于微晶硅 /晶体硅异质结太阳电池的实验研究较多 [ 11212] ,而理论工作还相对滞后 . 胡志华 [ 13 ] 运用美国滨州大学发展的AM PS程序计算分析了 n + 2nc2Si : H/ i2a2Si : H/ p2c2Si HIT 结构的能带补偿以及界面态密度和本征非晶层厚度对电池光伏特性的影响 .但是 AM PS程序比较适合非晶硅薄膜电池模拟计算 ,对异质结构太阳电池有一定的局限性 . 德国 HM I 小组研发的 A FORS2H ET 软件专门用于异质结电池的模拟计算 ,具有更好的准确性 . Schmidt 等 [ 14 ] 采用 A FORS2H ET 软件计算分析了能带补偿对非晶硅 / 晶体硅异质结太阳电池性能的影响 ,获得 25 %的极限效率 ,并在模拟计算指导下通过实验制备了 19. 8 %的高效率非晶硅 / 晶体硅异质结太阳电池 . 然而 ,以前的模拟分析都是用非晶硅作为发射层及缓冲层 ,对微晶硅发射层及缓冲层异质结太阳电池的理论模拟分析还未见报道 . 本文采用 P 型微晶硅薄膜作为窗口层 ,采用本征微晶硅薄膜作为缓冲层 ,采用内蒙古师范大学学报 ( 自然科学汉文版 ) 第 39 卷 N 型晶体硅作为衬底材料 ,使用 A FORS2H ET 模拟软件 ,模拟计算了不同发射层厚度 、 本征层厚度 、 能隙宽度 、 能带失配以及不同界面态密度对 μ c2Si(p) /μ c2Si(i) / c2Si (n) HIT 结构异质结太阳电池性能的影响 ,并给出最佳工艺参数 .图 1 模拟器件结构示意图Fig1. Schenatic structure ofthe simulated devic1 物理模型A FORS2H ET 是在半导体材料态密度 (DOS ) 模式下对器件进行直流模拟 . 在这种模式下 ,半导体的能带电子态分为导带 、 价带扩展态 ,导带 、 价带带尾定域态以及带隙定域态 . 带尾定域态主要由键角应变键引起 ,其态密度用指数函数描述 . 带隙定域态主要由悬键造成 ,其密度呈双高斯函数分布 ,分别对应类施主态和类受主态 ,二者呈正相关能关系 ,也就是说类施主态在下 ,类受主态在上 . 对带隙定域态密度 ,A FORS2H ET 还提供了一种平均分布的背景模式 . 对于微晶硅 ,用指数函数和双高斯分布函数分别描述带尾定域态和带隙定域态 . 假定施主和受主掺杂全部电离 ,即 N +D = N D ,N -A = N A .日本三洋公司的 a2Si (p) / a2si : H (i) / c2Si ( n) / a2Si : H (i)/ a2si ( n + ) 双面异质结太阳电池结构有较高的转化效率 ,但是成本太高 . 本文的电池模拟采取 μ c2Si(p) /μ c2Si(i) / c2Si (n)单面异质结太阳电池结构 ,如图 1 所示 ,其衬底为 300μ m 厚的 N 型 CZ2Si 片 ,发射层为 p 型微晶硅 ,微晶硅和晶体硅之间是本征微晶硅缓冲层 . 假定电池的表面反射率为 0. 1 ,背面反射率为 0 ,电池无陷光和背场效应 ,正 、 背面电极均为欧姆接触 . 微晶硅和晶体硅材料参数分别取自文献 [ 13 ,15219 ] ,见表 1.模拟太阳光的照射条件为 25 ℃ AM 1. 5 ,100 mW/ cm2 ,有效波段范围 0. 3～ 1. 1μ m.表 1 用于 μ c2Si(p) / c2Si( n) 太阳电池模拟的主要参数Tab. 1 The parameters of different layers in the simulation结构参数 μ c2Si(p) μ c2Si(i ) c2Si( n)层厚 / nm 1～ 30 1～ 50 3 × 105电子亲和势 / eV 3. 6～ 4 3. 6～ 4 4. 05带隙 / eV 1. 6 1. 1 ～ 1. 8 1. 12光学带隙 / eV 1. 7 1. 7 1. 12有效导带密度 / cm - 3 2 × 1020 2 × 1020 2. 8 × 1019有效价带密度 / cm - 3 2 × 1020 2 × 1020 1. 04 × 1019电子迁移率 / cm 2 ? V - 1 ? s - 1 50 50 1 350空穴迁移率 / cm 2 ? V - 1 ? s - 1 15 15 450受主掺杂浓度 / cm - 3 9 × 1018 0 0施主掺杂浓度 / cm - 3 0 0 1. 5 × 1016Urbach 尾宽 / eV 0. 02/ 0. 01 0. 02/ 0. 01电子俘获截面 / cm - 2 1 × 1016 1 × 1016空穴俘获截面 / cm - 2 1 × 1014 1 × 1014带尾态密度 / cm - 3 1 × 1020 1 × 1020隙间定域态分布 / cm - 3 5 × 1015双高斯 2. 5 × 1015双高斯 1 × 10 11平均分布电子俘获截面 / cm - 2 1 × 1017 1 × 1017 1 × 10 15空穴俘获截面 / cm - 2 1 × 1014 1 × 1014 1 × 10 142 结果分析与讨论2. 1 发射层厚度对光伏特性的影响发射层对电池的整体性能有重要影响 ,图 2 模拟了不同发射层厚度条件下太阳电池性能参数的变化情况 ,在模拟过程中只改变发射层厚度 ,保持其他参数不变 ,且忽略发射层与衬底间界面态的影响 .?852?第 3 期 韩 兵 等 : 微晶硅 / 晶体硅 HIT 结构异质结太阳电池的模拟计算与分析 模拟结果表明 ,随着发射层厚度的减小 ,电池各项光伏参数均提高 ,其中对开路电压 (V oc) 和短路电流( Jsc ) 影响最大 . 这是因为与 c2Si 基区相比较 ,μ c2Si : H 发射层有更多的缺陷 ,大量载流子在发射区复合 . 另一方面 ,发射层扩散长度很短 ,只有漂移电流无扩散电流 ,发射层内产生的载流子对总电流几乎没有贡献 ,所以发射层厚度增加必然导致 Jsc 减小 ,进而导致 V oc和填充因子 ( F F) 减小 ,最终导致效率 (η ) 降低 . 由内量子效率变化曲线 (图 3) 可以看出 ,随着发射层厚度增大 ,内量子效率在短波区 ( 300～ 550 nm) 减弱 ,这也是短路电流减小的重要原因 . 所以 ,发射层要尽可能薄 .图 2 发射层厚度对太阳电池性能的影响 图 3 内量子效率随发射层厚度的变化Fig. 2 The effect of the emitter layer thickness Fig. 3 Extermal quantum effiencicy change withon the performance of the solar cell the thickness ofthe emitter layer2. 2 本征层对电池性能的影响2. 2. 1 本征层厚度的影响 图 4 是不考虑界面态时 ,电池光伏特性随微晶硅本征层厚度的变化曲线 . 不插入本征层时 ,光电转换效率为 19 % ; 本征层厚度为 1 nm 时 ,光电转换效率最高 ,由 19 %增加到 19. 9 % ; 本征层厚度继续增加 ,光电转换效率减小 ; 本征层厚度大于 30 nm 时 ,电池性能反而变差 ,这一结果可由图 5得到证明 .图 4 本征层厚度对太阳电池性能的影响 图 5 光谱响应随本征层厚度的变化Fig4. The effect of the intrinsic layer thickness Fig. 5 Spectral response change withon the performance of the solar cell the thickness of the intrinsic layer图 5 是不同缓冲层厚度情况下电池的光谱响应曲线 . 从图 5 可以看出 ,当缓冲层的厚度增加时 ,电池的短波响应变差 ,导致电池性能下降 .根据太阳电池的理想二极管模型 ,短路电流一般可表示为J sc = J L - J0 exp ( qVk0 T) - 1 . (1)?952?内蒙古师范大学学报 ( 自然科学汉文版 ) 第 39 卷 随着本征层厚度的增加 ,光生载流子和光生电流密度 J L 增大 ,在反向饱和电流密度 J 0 不变的情况下 , Jsc 增大 . 当本征层厚度增加到一定程度时 ,内建电场强度分布明显受到影响 ,光生载流子得不到有效收集 ,表现为反向饱和电流增大 ,从而使 J sc 下降 . 开路电压 V oc 与反向饱和电流 J 0 之间的关系为V oc = k Tq [ ln ( J scJ0) + 1 ] , (2)由此可见 ,V oc 正比于 J sc ,其变化规律与 Jsc 相似 . 填充因子 FF 与 V oc 的关系可用经验公式 [ 20] 表示为FF = voc - ln ( voc + 0. 72)voc + 1 , (3)其中 voc = qVock T . 所以 ,随着本征层厚度的增加 , FF 缓慢减小 ,而 V oc 和 F F 的减小导致光电转换效率进一步下降 . 由图 4 可知 ,优化本征层厚度应控制在 5 nm 左右 .2. 2. 2 本征层带隙宽度的影响 在实验上 ,可以通过控制材料的晶化率来获得不同能隙宽度的微晶硅材料 ,这就为寻找最佳的能隙宽度 ,以获得最大光电转化效率提供了可能 . 本文模拟计算了不同微晶硅本征层能隙宽度对太阳电池光伏特性的影响 ,模拟中只改变本征层能隙宽度 ,保持其他参数及窗口层和界面参数不变 . 图 6 给出不同本征微晶硅层能隙宽度对太阳电池性能的影响 ,可以看出 ,微晶本征层光学带隙在 1. 6 eV时电池性能最佳 .可见 ,与传统微晶硅电池不同 ,HIT 太阳电池本征层的主要作用是作为缓冲层减少异质结界面态密度 ,而单晶硅才是电池的主要有源区 .图 6 本征层能隙宽度对太阳电池性能的影响 图 7 界面态对太阳电池性能的影响Fig6. The effect of the band gap on the Fig. 7 The efect of defect density on theperformance of the solar cell performance of the solar cell2. 3 界面态对电池性能的影响在实际太阳电池结构中 ,由于晶格失配 ,在各层材料之间不可避免地存在界面缺陷态 . 研究表明 [ 13 ,19 ] ,界面态对电池性能影响很大 ,应尽量减少和避免 . 在 μ c2Si : H 和 c2Si 之间引入界面态 ,界面态密度变化范围为 1010 ～ 1014 cm - 2 . 图 7 为不同界面态密度情况下 μ c2Si : H/ c2Si 太阳电池的性能参数 . 从图 7 可以看出 ,界面态密度对光伏特性的影响很大 . 在不考虑界面态时 ,开路电压和填充因子分别高达 668 mV 和 0. 834. 随着界面态密度的增加 ,电池性能急剧下降 ,界面态密度为 1 × 1014 cm - 2 时 ,开路电压和填充因子分别下降为320 mV 和 0. 59 ,短路电流和效率却分别只有 0. 45 mA/ cm2 和 0. 8 %. 这主要是由于附加的界面复合引起漏电电流 J0 增加 . 根据 ( 2) 式及填充因子 F F 与 J 0 的关系式 [ 13]FF 1 - 1ln ( Jsc / J0 )1 - ln ( ln ( J sc / J 0 ) )ln ( Jsc / J0 ), (4)当 J sc 不变时 , J0 增大必然导致 V oc和 F F 减小 ,从而降低太阳电池的效率 . 可以看到 ,界面态密度控制在1 × 1011 cm - 2以下 ,就可以忽略界面态带来的影响 .?062?第 3 期 韩 兵 等 : 微晶硅 / 晶体硅 HIT 结构异质结太阳电池的模拟计算与分析 图 8 无本征层的异质结太阳电池能带图Fig. 8 The band diagram of the solar cellswithout bufer layer2. 4 能带补偿对电池性能的影响界面特征除了用界面态描述外 ,还可以用能带补偿来表征 . 根据表 1 给出的电子亲和势 、 能隙宽度及能带图可以推出 ,μ c2Si : H/ c2si 异质结的能带补偿主要在价带 . 图 8 是理想情况下无本征层时 μ c2Si : H/ c2si 异质结太阳电池的能带图 .根据电子亲和势的定义 ,有 Δ EC =Δ χ ,Δ EV =Δ Eg -Δ χ ,其中 Δ χ 和 Δ Eg 分别为 μ c2Si : H 与 c2Si 的电子亲和势之差和能隙宽度之差 ,Δ EC 和 Δ EV 分别为导带补偿和价带补偿 . 通过改变微晶硅的电子亲和势 (晶体硅的电子亲和势为 4. 05 eV) 可以模拟能带补偿对电池光伏性能的影响 ,图 9为模拟计算不同界面态下所得光伏性能随能带补偿的变化曲线 . 由图 9 可以看出 ,随着 Δ EV 的增大 , J sc变化很小 ,而图 9 能带补偿对太阳电池性能的影响Fig. 9 The efect of band off set on the performance of the solar cellF F、 V oc和 η 均增大 . 当 Δ EV 为 0. 1～ 0. 38 eV时 ,电池性能较好 ; Δ EV 达到 0. 25 eV 时 ,界面态的影响几乎全部被掩盖 ,电池性能恢复到无 界 面 态 时 的 值 ( V oc ～ 668 mV , F F～83. 6 ,η ～ 19. 8 %) . 这是由于随着 Δ EV 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下降 . 当费米能级下降到远离禁带中心接近价带底部时 ,界面态几乎全部饱和 ,使得通过界面态产生的复合漏电电流下降 ,从而使光电转换效率 、 开路电压和填充因子重新得以提高 .3 结论通过数值模拟计算 ,分析了发射层厚度 、界面态密度 、 能带失配以及插入微晶硅本征层对 μ c2Si : H/ c2si 异质结太阳电池性能的影响 .在其他参数条件不变的情况下 ,插入较薄本征层时 ,转换效率增加 ,但本征层厚度继续增加时 ,电池性能降低 . 随着本征层能隙宽度的增加 ,电池性能增加 ,但能隙宽度大于某一特定值时 ,电池性能开始下降 ,最佳本征层能隙宽度为 1. 6 eV. 界面缺陷态是决定电池性能的关键因素 ,显著影响电池的开路电压和填充因子 . 对不同能带补偿情况进行模拟分析表明 ,随着 Δ EV 的增大 ,由于界面态所带来的电池性能的降低逐渐被消除 , 当 Δ EV 达到 0. 25 eV 时 ,界面态所带来的影响几乎全部消除 . 结果显示 ,在低界面缺陷态密度 (1 × 1011 cm - 2 ) 和合适的掺杂浓度下 ,当发射层厚度约为 5 nm ,插入厚度约为 5 nm 、 带隙为 1. 6 eV 的本征层时 ,电池性能最好 ,其中 V oc = 669. 5 mV , J sc = 35. 53 mA/ cm 2 , F F =83. 48 % ,η = 19. 86 %.参考文献 :[ 1 ] Wakisaka K ,Taguchi M ,Sawada T ,et al. 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