微晶硅薄膜太陽電池的模擬計算

許明坤 王向賢

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(fā)電具有清潔、安全、資源廣泛等優(yōu)點。因此，太陽能的利用有很廣的發(fā)展前景。太陽能電池是利用太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上時，形成新的空穴-電子對，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流，把光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)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(wěn)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(fù)相材料[1]。微晶硅（μc-Si:H）薄膜材料具有很多優(yōu)點，如單晶硅高穩(wěn)定、非晶硅節(jié)省材料、制備工藝簡單、低溫（＜200℃）、便于大面積連續(xù)化生產(chǎn)等。具有接近單晶硅的光學(xué)帶隙（1.12eV），可將光譜響應(yīng)擴(kuò)展到紅外區(qū)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(dǎo)了第一個單結(jié)微晶硅薄膜電池。經(jīng)過多年的廣泛深入研究，單結(jié)微晶硅電池最高效率達(dá)到10.3%[6，7]。從本世紀(jì)初開始，我國也開始了對微晶硅材料和電池的研究，經(jīng)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(xué)開發(fā)的模擬軟件，全稱為Analysis of microelectronic and photonic structure。其理論方法是結(jié)合各自相關(guān)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(xù)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(shè)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(kuò)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(jié)構(gòu)可分為非晶和微晶兩類。微晶硅(μc-Si:H)薄膜材料具有高穩(wěn)定性、高電導(dǎo)率、高透光性等特點，而且具有易制備、低成本的優(yōu)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(guān)，而且與沉積參數(shù)有關(guān)。所以對p-μc-Si:H窗口層材料特性進(jìn)行模擬優(yōu)化是非常有意義的工作。

運用AMPS模擬軟件進(jìn)行研究，模擬分析的太陽電池如下圖

圖1 太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of solar cell

電池采用pin結(jié)構(gòu)，其中n層為重?fù)诫s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(shù)。

表1 材料及器件參數(shù)

2 結(jié)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(nèi)部內(nèi)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(chǎn)生光生載流子，要求其具有良好的光學(xué)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(nèi)建電場。在p/i界面處有一勢壘存在，這是由于異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)界面存在的晶格失配引起會界面缺陷態(tài)也會對太陽能電池性能產(chǎn)生較大的影響。

圖2 熱平衡及V=0.8811時能帶結(jié)構(gòu)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(dǎo)體二極管一致。只有在光照下太陽能電池才能起到光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率、填充因子等參數(shù)。

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(fù)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(rèn)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(zhuǎn)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(dāng)帶隙為1.5ev時的短路電流最大，帶隙為1.6ev時轉(zhuǎn)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(shù)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(dāng)帶隙在1.5ev-1.6ev附近時，電池的輸出特性最好。

3 結(jié)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(jié)構(gòu)薄膜太陽電池特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)帶隙為1.6ev時，電池性能最好：JSC=14.919mA/cm2，Eff=7.309%，F(xiàn)F=0.556，Voc＝0.881。從而為在此基礎(chǔ)上對太陽電池的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

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