非晶硅薄膜太陽能電池的p/i和i/n界面插入緩沖層對(duì)電池性能影響研究

李娟++馮國林

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.073

摘 要：本文建立基于pin型結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池，采用數(shù)值模擬的方法，通過模擬分析表明，在電池的p/i、i/n界面插入緩沖層可以得到電池轉(zhuǎn)化效率為7.474%，比沒有緩沖層電池提高0.305%。

關(guān)鍵詞：非晶硅 緩沖層 轉(zhuǎn)化效率

中圖分類號(hào)：O469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（a）-0073-02

由于非晶硅材料的原子結(jié)構(gòu)是一種共價(jià)無規(guī)的網(wǎng)絡(luò)原子結(jié)構(gòu)，不受周期性結(jié)構(gòu)的約束，具有短程有序、長程無序的結(jié)構(gòu)。無序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致多種結(jié)構(gòu)缺陷和微空洞的形成，這就使得非晶態(tài)半導(dǎo)體材料能隙深處具有缺陷定域態(tài)，這些定域態(tài)提高使載流子復(fù)合率。對(duì)于異質(zhì)結(jié)太陽能電池界面缺陷是不可避免，在p/i、i/n界面存在的晶格失配，這樣就會(huì)使自由載流子復(fù)合幾率提高，從而影響電池的性能。在制備材料的過程中，從材料1到材料2總會(huì)有一個(gè)過渡區(qū)，材料帶隙和電子親和勢的漸變對(duì)提高電池短路電流和填充因子有非常顯著的作用。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

建立一個(gè)單結(jié)pin非晶硅薄膜太陽能電池，其結(jié)構(gòu)為：TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/背電極。模擬計(jì)算插入緩沖層對(duì)電池性能的影響，模擬的過程取緩沖層的厚度為4nm。模擬時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜AM1.5（100mW/cm2）從電池左側(cè)入射，設(shè)入射光在前、背電極表面的反射率在理想情況下分別為0和1，載流子通過復(fù)合中心的間接復(fù)合機(jī)制采用SRH模型[1]。在我們計(jì)算中左右電極界面的電子空穴界面復(fù)合速率都設(shè)定1×107cm/s。電池的工作溫度為300K[2]。

1.2 AMPS原理

AMPS-1D程序主要運(yùn)用Newton-Raphson方法和邊界條件求解相互關(guān)聯(lián)的非線性微分一維泊松方程和電子、空穴連續(xù)性方程，通過數(shù)值計(jì)算分析電池中載流子產(chǎn)生、符合和輸運(yùn)性質(zhì)等各種工作參數(shù)。

模擬中各層半導(dǎo)體材料是a-Si：H，其原子結(jié)構(gòu)特征是長程無序、短程有序的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，存在大量懸掛鍵。無序的結(jié)構(gòu)使價(jià)帶和導(dǎo)帶邊向帶隙延伸出定域化的帶尾態(tài)，在帶隙中部形成了由結(jié)構(gòu)缺陷引起的缺陷態(tài)。廣泛采用a-Si：H能帶分布是Mott-Davis能帶模型[3]，表明了能帶邊和帶隙的電子態(tài)密度隨能量的分布狀況。

由懸掛鍵和鍵畸變引起價(jià)帶尾態(tài)和導(dǎo)帶尾態(tài)可俘獲載流子，對(duì)載流子起陷阱作用。帶尾態(tài)密度近似于指數(shù)分布：

（1）

（2）

式中，EA，ED分別為導(dǎo)帶尾、價(jià)帶尾特征能量；EV，EC分別為價(jià)帶、導(dǎo)帶遷移率邊。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型中各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 在p/i、i/n界面插入緩沖層對(duì)電池效率的影響

對(duì)于異質(zhì)結(jié)，由于結(jié)兩邊材料的帶隙寬度的不同，能帶在界面處是不連續(xù)的，有尖峰的出現(xiàn)，分別稱為導(dǎo)帶和價(jià)帶的帶結(jié)。帶結(jié)是影響異質(zhì)結(jié)性能極為重要的參數(shù)。在載流子輸運(yùn)過程中由于存在勢壘使載流子有效收集遇到困難，本文在p/i、i/n界面分別加入帶隙為1.72eV和1.68eV的納米硅a-Si：H緩沖層，通過調(diào)節(jié)材料的內(nèi)部參數(shù)使其帶結(jié)盡可能降低，這樣緩沖層可以起到一個(gè)帶隙過渡的作用，使勢壘降低，從而使電子有效地被收集，電池效率變大。

從圖1可以看出加入緩沖層后界面的帶明顯降低，結(jié)果表明，插入緩沖層后，電池的性能有明顯的改善。這是因?yàn)榫彌_層主要改善晶格失配的作用，從圖1可看出勢壘降低，這樣減少載流子在界面的復(fù)合。此外，摻入的緩沖層減小界面電勢，從而增加活性層的電場，增加載流子收集。通過優(yōu)化得到7.474%的轉(zhuǎn)化效率。

2.2 插入緩沖層厚度對(duì)電池效率的影響

計(jì)算結(jié)果如圖2所示，電池效率隨緩沖層厚度從1nm逐漸增加到7nm過程中在減小，隨短路電流在減小，F(xiàn)F和VOC沒有變化的情況下導(dǎo)致電池的效率減小。

3 結(jié)語

通過對(duì)電池優(yōu)化模擬的結(jié)果分析可以得到：在p/i、i/n界面插入緩沖層電池轉(zhuǎn)化效率為7.474%，比沒有緩沖層電池提高0.305%；緩沖層的厚度對(duì)電池的開路電壓和填充因子幾乎沒有影響，對(duì)短路電流影響很小，進(jìn)而對(duì)電池的效率影響也很小。

參考文獻(xiàn)

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