正向和反向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦-硅HIT電池串聯(lián)電池仿真分析

何鳳琴 馬昀鋒 王冬冬 李得銀 常紀(jì)鵬

（黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司 青海省西寧市 810007）

1 引言

Shockley-Queisser 限制理論指出單節(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率最高只能達(dá)到30%，目前只有多節(jié)太陽(yáng)能電池可以突破Shockley-Queisser 限制理論[2]。在多節(jié)太陽(yáng)能電池中，兩個(gè)或多個(gè)禁帶寬度不同的電池串聯(lián)在一起。一般來(lái)說(shuō)，位于頂部的電池的禁帶寬度較大，底部的電池禁帶寬度較小。假設(shè)頂電池的禁帶寬度是Egtop，則能量大于Egtop的光子被頂電池吸收，能量小于Egtop的光子被底電池吸收。由于高質(zhì)量，低成本的特點(diǎn)，硅太陽(yáng)能電池可以用作底電池。近幾年鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到22.1%，可以用作頂電池[3,4]。

2 器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1和圖2分別是正向結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池和反向結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池。在圖1的正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池中，上面的鈣鈦礦電池分別由減反射層（LiF），前接觸（ITO），緩沖層（MoO3），空穴傳輸層（spiro-OM），鈣鈦礦吸收層（perovskite），電子傳輸層（TiO2）和ITO 連接層組成，下面的硅電池由p+a-Si:H，i a-Si:H，c-Si，i a-Si:H，n+a-Si:H和Ag 電極組成。

在圖2的反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池中，上面的鈣鈦礦電池由減反射層（LiF），前接觸（ITO），緩沖層（SnO2），電子傳輸層（PCBM），鈣鈦礦吸收層（perovskite），空穴傳輸層（NiO），和ITO 連接層組成，下面的硅電池由n+a-Si:H，i a-Si:H，c-Si，i a-Si:H，p+a-Si:H和Ag 電極組成。

各材料參數(shù)由文獻(xiàn)獲得：perovskite[5],TiO2[5],spiro-OM[6,7],a-Si:H[7],c-Si[7],PCBM[8],NiO[8]。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 不同結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池轉(zhuǎn)化效率差別

如圖3所示，正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池短路電流是17.2mA/cm2，轉(zhuǎn)化效率是27.8%，反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池短路電流是19 mA/cm2，轉(zhuǎn)化效率是31.65%，所以反向結(jié)構(gòu)電池短路電流提高1.8 mA/cm2，轉(zhuǎn)化效率提高3.85%。下面我們從兩個(gè)方面來(lái)討論出現(xiàn)這種結(jié)果的原因。

3.1.1 各材料層光子吸收比例

圖4和圖5分別表示反向結(jié)構(gòu)和正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池各層不同的材料吸收光子的比例。由圖4和圖5可以看出兩種串聯(lián)電池中鈣鈦礦層和硅吸收層對(duì)光的吸收最大，且鈣鈦礦層主要吸收波長(zhǎng)為350nm～700nm 的光子，硅吸收層主要吸收波長(zhǎng)為700nm～1000nm的光子。在反向結(jié)構(gòu)中除了鈣鈦礦吸收層和硅吸收層，其它層對(duì)光的吸收很小，寄生吸收可以忽略不計(jì)，而在正向結(jié)構(gòu)中情況卻不同，當(dāng)光的波長(zhǎng)為350nm～580nm 時(shí)spiro-OM 對(duì)光的吸收較大，寄生吸收較大，導(dǎo)致正向結(jié)構(gòu)的短路電流和轉(zhuǎn)化效率降低。

圖1：正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池

圖2：反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池

圖3：串聯(lián)電池I-V

3.1.2 各材料層光電場(chǎng)

下面從光電場(chǎng)的角度來(lái)分析反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池比正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池短路電流和轉(zhuǎn)化效率更高的原因。對(duì)于光電場(chǎng)分布，本文采用傳輸矩陣法(TMM)作為光學(xué)模型，表達(dá)式如下所示：

圖4：反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池不同波長(zhǎng)下各材料吸收光子的比例

圖5：正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池不同波長(zhǎng)下各材料吸收光子的比例

其中，c、λ、ε0分別為真空中的光速、入射光波長(zhǎng)和介電常數(shù)；n 和k 分別是各層材料復(fù)折射率的實(shí)部和虛部，h 為普朗克常量，|E(X)|2為光電場(chǎng)，Q(x,λ)為單位時(shí)間單位面積所吸收的能量。G(x)為載流子產(chǎn)生速率。在正向結(jié)構(gòu)電池中spiro-OM 厚度較大且光電場(chǎng)較強(qiáng)，峰值可以達(dá)到1.13；在反向結(jié)構(gòu)中，PCBM 和NiO 厚度較小且光電場(chǎng)較弱。所以spiro-OM 對(duì)光子吸收較大，而PCBM和NiO 對(duì)光子吸收較小。所以在正向結(jié)構(gòu)中有相當(dāng)一部分光子被spiro-OM 吸收，使得鈣鈦礦層吸收的光子減少，從而使得正向結(jié)構(gòu)短路電流降低，轉(zhuǎn)化效率減小。

3.2 兩種結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池HTM層摻雜濃度影響

在正向結(jié)構(gòu)中隨摻雜濃度增加，由于載流子復(fù)合增加，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到5×1017時(shí)短路電流開(kāi)始下降。IL表示光生電流，Is是反向飽和電流，光照不變所以IL不變，由于隨摻雜濃度增高，接觸勢(shì)壘增高，導(dǎo)致Is減小，所以開(kāi)路電壓增大。摻雜濃度增大使得電阻率減小，所以填充因子增大，并且可以看出在摻雜濃度為1×1017時(shí)轉(zhuǎn)化效率最高，可以達(dá)到27.8%。在反向結(jié)構(gòu)中，NiO 摻雜濃度增加，短路電流和開(kāi)路電壓基本不變，填充因子略微增加。

4 結(jié)論

本文中我們通過(guò)仿真計(jì)算，討論了正向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池和反向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池性能的差別和頂電池HTM 層摻雜對(duì)器件的影響。由前面分析可以看出，反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池的短路電流和轉(zhuǎn)化效率優(yōu)于正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池，主要由于正向結(jié)構(gòu)中spiro-OM 厚度較大，導(dǎo)致寄生吸收較大，所以短路電流和轉(zhuǎn)化效率較小。同時(shí)我們可以看出，對(duì)于正向結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，spiro-OM 作為HTM 層，摻雜濃度為1×1017時(shí)轉(zhuǎn)化效率最高，而反向結(jié)構(gòu)中NiO作為HTM 層，摻雜濃度對(duì)器件影響較小。