微晶硅薄膜太陽電池的模擬計算

許明坤 王向賢

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

引言

隨著世界經濟的不斷發展，許多不可再生資源即將枯竭。人類迫切需要尋找新能源。與火電、水電、核電相比，太陽能發電具有清潔、安全、資源廣泛等優點。因此，太陽能的利用有很廣的發展前景。太陽能電池是利用太陽光照在半導體p-n結上時，形成新的空穴-電子對，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流，把光能轉化為電能的半導體器件。

太陽能電池種類繁多，而在所有的太陽能電池中，微晶硅（μc-Si:H）薄膜電池的效率高，穩定性好。氫化微晶硅薄膜（μc-Si:H）是由微晶粒、晶粒邊界、微空洞和非晶硅共存的復相材料[1]。微晶硅（μc-Si:H）薄膜材料具有很多優點，如單晶硅高穩定、非晶硅節省材料、制備工藝簡單、低溫（＜200℃）、便于大面積連續化生產等。具有接近單晶硅的光學帶隙（1.12eV），可將光譜響應擴展到紅外區域。實驗表明：用μc-Si薄膜代替a-Si薄膜作電池的有源層制備的電池，在長期光照下電池的性能衰退極小[2，3]，其提高效率的潛力很大。

世界上，Veprek和Maracek[4]首次制備了微晶硅薄膜。瑞士的MEIER等[5]報導了第一個單結微晶硅薄膜電池。經過多年的廣泛深入研究，單結微晶硅電池最高效率達到10.3%[6，7]。從本世紀初開始，我國也開始了對微晶硅材料和電池的研究，經過幾年的努力，取得令人矚目的成果[8-10]。

本文利用AMPS-1D軟件模擬了以微晶硅作為窗口材料的PIN型太陽能電池的性能。

1 物理模型

AMPS是美國賓州大學開發的模擬軟件，全稱為Analysis of microelectronic and photonic structure。其理論方法是結合各自相關的2個邊界條件求解一維泊松（Possion）方程以及電子和空穴連續性方程。在實際的太陽電池中，許多因素限制著器件的性能，因而在器件的設計和材料的選擇中必須考慮這些因素。例如在背電極上沉積ZnO薄膜增加光封閉效果、選擇光吸收性能好擴散長度較長的材料作為I層材料、選擇合適的窗口材料增加對載流子的收集等。

對于硅基薄膜太陽電池而言，通常選擇P層作為窗口層。在硅基薄膜太陽電池的研究中，可被用作窗口層的材料很多，按其結構可分為非晶和微晶兩類。微晶硅(μc-Si:H)薄膜材料具有高穩定性、高電導率、高透光性等特點，而且具有易制備、低成本的優點[11,12]。因此，微晶硅薄膜是硅基薄膜太陽電池比較理想的窗口材料。然而對于p型微晶薄膜而言，即使薄膜具有相同的厚度，它的材料特性也可能有很大不同。它的光電特性不僅與制備方法有關，而且與沉積參數有關。所以對p-μc-Si:H窗口層材料特性進行模擬優化是非常有意義的工作。

運用AMPS模擬軟件進行研究，模擬分析的太陽電池如下圖

圖1 太陽能電池的結構示意圖Fig.1 The structure of solar cell

電池采用pin結構，其中n層為重摻雜的非晶硅材料，i層為本征非晶硅材料。P型窗口層采用微晶硅(μc-Si:H)材料。正面反射率為0，背面反射率為0.65。表1列舉了模擬計算中所用的材料和器件參數。

表1 材料及器件參數

2 結果分析討論

2.1 能帶圖

圖2是太陽能電池在熱平衡和偏壓為0.8811V下的能帶圖。由圖可以看出，在i層內部內建電場基本上保持不變。I層有兩個作用：首先作為吸收層吸收光子產生光生載流子，要求其具有良好的光學吸收性能；其此作為光生載流子的輸運路徑，要求其具有一定的內建電場。在p/i界面處有一勢壘存在，這是由于異質結界面兩邊的帶隙不同造成的。這一勢壘會直接影響太陽能電池的性能。同時由于異質結界面存在的晶格失配引起會界面缺陷態也會對太陽能電池性能產生較大的影響。

圖2 熱平衡及V=0.8811時能帶結構圖

2.2 電流電壓曲線

圖3 是光照和光暗兩種情況下的電流電壓曲線。可知在光暗下其電流電壓曲線與普通半導體二極管一致。只有在光照下太陽能電池才能起到光電轉換的作用。光照下I-V曲線與x軸的交點為開路電壓，與y軸的交點為短路電流。同時還可以得到轉換效率、填充因子等參數。

圖3 光照及光暗下電流電壓曲線

2.3 微晶硅（μc-Si:H）帶隙對太陽能電池的影響

研究表明，氫化微晶硅薄膜(μc-Si:H)是由微晶粒、晶粒邊界、微空洞和非晶硅共存的復相材料。微晶硅材料的晶相比不同時，其遷移率帶隙也是不同的[13]，一般認為，微晶硅薄膜的晶相比越高，材料的遷移率帶隙越低。圖4~7給出了不同遷移率帶隙的p型微晶硅薄膜作為窗口層時，電池的輸出特性的變化趨勢。

圖4 微晶硅遷移率帶隙對短路電流JSC的影響

圖5 微晶硅遷移率帶隙對轉換效率Eff的影響

圖6 微晶硅窗口層遷移率帶隙對填充因子FF的影響

圖7 微晶硅窗口層遷移率帶隙對開路電壓VOC的影響

可以看出當帶隙為1.5ev時的短路電流最大，帶隙為1.6ev時轉換效率最大，填充因子隨著帶隙逐漸增大，開路電壓在1.5ev和1.6ev附近處取得最大值。這是因為帶隙越高，在p/i界面處的勢壘越小，i層電場強度越大，從而增加了光生載流子的收集效率，電池的各項性能參數也增加。但是帶隙過大時，微晶硅過度到了非晶硅，使得太陽能電池特性降低。綜合分析可得出，當帶隙在1.5ev-1.6ev附近時，電池的輸出特性最好。

3 結論

采用AMPS軟件分析了P型微晶硅 （μc-Si:H）窗口層帶隙對pin結構薄膜太陽電池特性的影響。研究發現當帶隙為1.6ev時，電池性能最好：JSC=14.919mA/cm2，Eff=7.309%，FF=0.556，Voc＝0.881。從而為在此基礎上對太陽電池的進一步優化提供了依據。

[1]Chan K.Y,et al,Influence of crystalline volume fraction on the performance of high mobility microcrystalline silicon thin-film transistors[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2008，354:2505-2508.

[2]Wang Y,et al.Stability of microcrystalline silicon solar cells with HWCVD buffer layer[J].Thin Solid Films，2008，516:733–735.

[3]王巖，等.相變域硅薄膜材料的光穩定性[J].物理學報，2006，55（2）:947-951.

[4]Veprek S and Marecek V.The preparation of thin layers of Ge and Si by chemical hydrogen plasma transport[J].Solid State Electronics,1968，11（7）:683-684.

[5]Meier J,et al.Complete microcrystalline p-i-n solar cells-crystalline or amorphous cell behavior[J].Appl.Phys.Lett，1994，65（7）:860-862.

[6]Mai Y,et al.Improvement of open circuit voltage in microcrystalline silicon solar cells using hotwire buffer layers.Journal of Non-Crystalline Solids[J].2006，352（9-20）:1859-1862.

[7]Finger F,et al.High efficiency microcrystalline silicon solar cells with Hot-Wire CVD buffer layer[J].Thin Solid Films，2008，516：728–732.

[8]朱鋒，等.P型微晶硅材料及在薄膜太陽電池上的應用[J].功能材料與器件學報,2005，11（4）:423-426.

[9]張曉丹，等.提高微晶硅薄膜太陽電池效率的研究[J].物理學報，2006，55（12）:6697-6700.

[10]韓曉艷，等.高速沉積本征微晶硅的優化及其在太陽電池中的應用[J].物理學報，2009，58（6）:4254-4259.

[11]Debajyoti D,J.Madhusudan,Development of highly conducting p-type μc-Si:H films from minordiborane doping in highly hydrogenated SiH4 plasma[J].Materials Letters，2004，58（6）:980-985.

[12]Nasuno Y,Kondo M,Matsuda A.Microcrystalline Silicon Thin—film Solar Cells Prepared at Low Temperature Using PECVD[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2002，74:497.

[13]Pieters B.E,Stiebig H,Determination of the mobility gap of intrinsic in p-i-n solar cells[J].J.Appl.Phys.2009，105（4）:044502.