薄膜太陽能中納米硅本征層晶相比對電池性能影響的研究

摘 要：我們在建立pin型納米硅薄膜太陽能電池模型的基礎(chǔ)上，利用有效介質(zhì)理論分析了納米硅的光吸收系數(shù)和光學(xué)帶隙與晶相比的關(guān)系。運(yùn)用AMPS-1D程序模擬分析了納米硅本征層晶相比對電池性能影響。結(jié)果表明納米硅本征層太陽電池的晶化率在40%-60%時，電池的效率比較高。

關(guān)鍵詞：晶相比；納米硅；薄膜太陽能電池

近年來圍繞著提高太陽能電池效率，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)的方面人們做出了大量科學(xué)研究，本征層作為薄膜太陽電池的吸收層承擔(dān)著光生載流子的產(chǎn)生并在電場的作用下通過p層和n層被吸收的作用。因此優(yōu)化本征層材料的參數(shù)，是提高太陽能電池效率重要課題。基于以上出發(fā)點(diǎn)，利用AMPS-1D軟件進(jìn)行一維數(shù)值模擬，研究模擬納米硅本征層晶化率對電池開路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）以及電池轉(zhuǎn)化效率（？濁）的影響。

1 物理模型和數(shù)值方法

運(yùn)用美國賓夕法尼亞大學(xué)發(fā)展的一維微光電子結(jié)果分析模型AMPS-1D（Analysis of Microelectronic and Photonic Structures）模擬分析非晶硅薄膜太陽電池性能，其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，對于J-V模擬計(jì)算時，光照條件為AM1.5（100 mW/cm2），在理想情況下設(shè)入射光在前、背電極表面的反射率分別為0和1。

1.1 數(shù)值方法

1.1.1 AMPS-1D原理

AMPS-1D軟件的工作原理將器件分成N（N<400）等分個計(jì)算單元，每個計(jì)算單元不大于0.2nm，運(yùn)用Newton-Raphson方法和邊界條件求解一維泊松方程和電子、空穴連續(xù)性方程，通過數(shù)值計(jì)算求出器件的各種工作參數(shù)。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[1]

數(shù)值模擬是在態(tài)密度（DOS）模式下進(jìn)行的。對于遷移帶隙的局域化態(tài)密度而言，已經(jīng)被確認(rèn)其中同時有類受主態(tài)（位于帶隙上半部分）和類施主態(tài)（位于帶隙下半部分）。不論是類受主態(tài)或者類施主態(tài)，它們都由指數(shù)帶尾態(tài)與高斯帶隙態(tài)（懸掛鍵）構(gòu)成。在未摻雜的a-Si：H帶隙中，局域化的態(tài)密度被認(rèn)為是由指數(shù)帶尾態(tài)和高斯帶隙態(tài)組成；而在摻雜的a-Si：H帶隙中，局域化的態(tài)密度被認(rèn)為是由帶尾態(tài)、高斯帶隙態(tài)和類施主態(tài)構(gòu)成。價帶和導(dǎo)帶帶尾態(tài)在能量中呈如下指數(shù)分布：

其中N（Ev）和N（Ec）依次是在帶邊能量Ev和Ec帶尾態(tài)密度，EA和ED依次是導(dǎo)帶尾和價帶帶尾的特征斜率。

對于類受主態(tài)、類施主態(tài)以及施主態(tài)，其帶隙態(tài)通過高斯分布表述如下：

其中，Edb，Ndb和？滓db依次是能量位置，密度以這些懸掛鍵的變化，Ndb代表單位體積單位能量的態(tài)密度。

1.1.2 i層納米硅薄膜的晶相比對電池特性的影響

納米硅（nc-Si：H）或者氫化微晶硅（μc-Si：H），這種硅薄膜材料是由納米硅晶粒、晶粒間界和非晶相共存的復(fù)合相材料，其帶隙隨著晶相比的不同，由1.2 eV到1.7 eV連續(xù)可調(diào)，且?guī)缀鯖]有光致衰退效應(yīng)[2]。我們所模擬的電池的結(jié)構(gòu)中，其中本征層是一種微晶或納米顆粒鑲嵌在非晶中的兩相結(jié)構(gòu)材料，在計(jì)算模擬之前首先確定這種兩相材料的各種參數(shù)關(guān)系，我們利用所得到的參數(shù)關(guān)系再模擬分析電池的性能。

（1）吸收系數(shù)（？琢）隨晶相比（f）的變化。

吸收系數(shù)是我們模擬中所要用到的參數(shù)，一般情況下，兩種獨(dú)立的吸收材料的總的吸收系數(shù)可以認(rèn)為是兩種吸收系數(shù)之和， 所以，具有兩相結(jié)構(gòu)的納米硅的材料的吸收系數(shù)可表示為：

？琢=？琢cf+？琢a（1-f） （4）

其中？琢a是氫化非晶硅的吸收系數(shù)，？琢c是晶體硅的吸收系數(shù)。于是我們根據(jù)（4）式可以求出納米硅的不同晶相比的吸收系數(shù)，式中？琢a和？琢c的數(shù)據(jù)分別取自文獻(xiàn)[3]和[4]。

（2）光學(xué)帶隙（Eopt）與晶相比（f）的關(guān)系。

根據(jù)光吸收系數(shù)？琢隨量子能量變化關(guān)系在吸收邊附近遵循的Tauc規(guī)律

式中B是與帶尾態(tài)密度相關(guān)的參數(shù)。將 （4）式代入（5）式中， 可得

為了能夠適合工藝技術(shù)實(shí)際情況， 可以用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]確定上式中的一些常數(shù)，簡化（6）式，可得到光學(xué)帶隙與晶相比之間滿足下列關(guān)系：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合， 以確定 a，b，c三個常數(shù)[6]，最后得到

利用（8）式可以算出不同晶相比f時的光學(xué)帶隙Eopt。

在AMPS-1D模擬計(jì)算軟件中通過輸入不同晶相比（f）硅材料從而可以得到太陽能電池J-V特征參數(shù)。

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

模型中各參數(shù)設(shè)置如表1[7]所示。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 本征層的晶相比對電池性能的影響

結(jié)果表明，如圖2所示隨著本征層晶相比從0～90%的增加，電池的開路電壓Voc從1.0428V在降低到0.4980V。對于pin型結(jié)構(gòu)的電池模型，其內(nèi)建電勢VD主要取決于兩摻雜層的費(fèi)米能級的位置及有源層的禁帶寬度。設(shè)p層的激活能為Eap，n 層的激活能為 Ean，有源層帶隙Eopt，則內(nèi)建電勢VD=（Eopt-Eap-Ean）/q，因此可以看出電池的光學(xué)帶隙在減小，內(nèi)建電勢將逐漸減小。而一般認(rèn)為開路電壓略小于內(nèi)建電勢。

由圖3可知短路電流Jsc隨晶相比的增加而增大。根據(jù)有效介質(zhì)理論[8]計(jì)算具有兩相結(jié)構(gòu)的廣義電導(dǎo)？滓與晶相比f的關(guān)系為：

隨著晶相成分的增加，本征層材料的遷移率隙Eg減小，μ？子乘積增大電導(dǎo)？滓也增大，必然會使短路電流增大。

計(jì)算顯示如圖5，在p型和n型材料各項(xiàng)參數(shù)如表1不變的情況下，i層晶相比從0-90%的變化，得到電池效率隨晶相比的變化從11.5%遞減到6%，如圖5所示。這主要是因?yàn)楦呔啾鹊募{米硅中就會存在較多的晶粒及其晶粒間界（簡稱晶界），晶界存在各種界面態(tài)、懸掛鍵和缺陷態(tài)，形成了高密度的陷阱，影響載流子壽命。所以納米硅一般取晶相在40%～60%電池效率比較高。

2.2 優(yōu)化的納米硅太陽能電池

基于以前和本文的研究，對電池取一組最佳參數(shù)為工藝提供指導(dǎo)，電池的前后電極界面的電子空穴界面復(fù)合速率都設(shè)定1×107cm/s，本征層厚度為800nm，i層納米硅的晶相比為40%電池效率達(dá)到9.509%。相應(yīng)電池J-V曲線見圖6，其中Pmax為最大功率點(diǎn)。

3 結(jié)束語

分析研究了電池結(jié)構(gòu)中本征層為納米硅材料的晶化率對電池性能的影響，研究結(jié)果表明：隨著晶相成分的增大，電池的開路電壓逐漸減小，短路電流逐漸增大，填充因子降低，電池的效率隨晶相比的增大而減小。由于納米硅結(jié)構(gòu)隨晶相比的變化出現(xiàn)大量懸掛鍵，導(dǎo)致電子空穴的復(fù)合率上升，不利于載流子的收集。所以納米硅一般取晶相在40%～60%電池效率比較高，優(yōu)化后的電池效率達(dá)到9.509%。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡宏琨，陶科.柔性襯底非晶硅薄膜太陽電池界面處理的研究[J].物理學(xué)報(bào)學(xué)，2009，58（11）： 7921-7925.

[2]Spear W E， Le Comber P G. Solid State Commun[J].Adv. Phys. 1975， 17：1193-1196.

[3]Yoshinori Yukimoto. Amorphous Semiconductor Technologies Devices [A].1983 JARECT Vol.6[C].1983，228.

[4]William C，et al. Handbook of Semiconductor Silicon Technology[M].U.S.A. Noyes Publications 409.

[5]郝會穎，等.2004第十三屆全國化合物半導(dǎo)體材料、微波器件和光電器件學(xué)術(shù)會議暨第九屆全國固體薄膜學(xué)術(shù)會議論文集[C].

[6]郝會穎，孔光臨，等.非晶/微晶兩相硅薄膜的電池計(jì)算機(jī)模擬[J].物理學(xué)報(bào)，2005，54（7）：3370-3373.

[7]李娟，馮國林. 納米硅異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池的數(shù)值模擬[J].寧夏師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，36（3）：46-50.

[8]Yoshida K. 1986， Phil. Magazine B 53：55.

[9]Green M.Solar Cells： Operating Principles，Technolongy，and System Applicationgs. Chap.5. Englewood Cliffs： Prentice Hall，1982：85-102.

作者簡介：李娟（1981-），漢族，女，寧夏固原人，碩士研究生，助教，寧夏師范學(xué)院，研究方向：量子計(jì)算。

馮國林（1983-），漢族，男，寧夏固原人，博士研究生，講師，寧夏師范學(xué)院，研究方向：高溫超導(dǎo)。