界面態對ZnO/AlSb太陽能電池性能影響的模擬研究

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(1.西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2.日本東京理科大學理學部物理學科，東京 162-8601)

ZnO是一種寬禁帶的直接帶隙半導體材料，禁帶寬度為3.3 eV，屬于六方鉛鋅礦結構，本征的ZnO薄膜具有很高的電阻率，但通過摻入Ⅲ族雜質(Ga,In,Al)后ZnO可轉換為導電的薄膜[1]。摻Al氧化鋅(ZAO)薄膜具有很低的電阻率和高的光透射率，載流子濃度達1020cm-3[2]，寬帶隙、高電導率、高透明度、良好的熱穩定性、無毒以及自然儲存量豐富等優點使其是很好的電池窗口層材料(ITO)替代品和異質結半導體材料[3-4]。

AlSb是二元化合物間接半導體材料，禁帶寬度為1.62 eV，吸收系數可達104～105cm-1[5]，很適合作為太陽能電池的吸收層，用于制造太陽能電池的理論轉換效率可達27%以上[6]。未摻雜的AlSb半導體一般呈現p型半導體性質。Johnson[7]通過共蒸發制備的AlSb薄膜其空穴濃度達1015cm-3。由于AlSb半導體的原材料Al、Sb儲存量豐富，并且價格低廉以及對光的高吸收等優點，被廣泛運用于p-n結二極管和太陽能電池中，是半導體器件研究的熱門材料之一[8]。

界面態是異質結太陽能電池的核心問題，在異質結太陽能電池中，界面態會嚴重影響太陽能電池的各參數，目前對界面態的研究主要集中在各類非晶硅薄膜HIT異質結太陽能電池[9-11]。對界面態的研究分析有助于實際生產中對器件質量的提高。本文利用摻Al氧化鋅作為電池的窗口層和n層，與AlSb材料組成nip異質結太陽能電池，利用AMPS對該電池性能進行模擬，針對n/i界面上的界面缺陷對電池填充因子和轉換效率的影響進行模擬，并分析其內在機制。由于該軟件沒有明確地提供一種界面缺陷態載流子復合模型[11]，因此本文模擬中采用在n/i界面插入一層很薄的高態密度層來表示異質結界面態。

1 器件模型及參數

模擬的電池結構示意圖如圖1所示，n層為摻Al的ZnO,摻雜濃度為1×1019cm-3，厚度d1為30 nm，p層為摻Be的AlSb，摻雜濃度為1×1018cm-3，厚度d4為100 nm。在n層與p之間是厚度d3為500 nm作為本征層i層使用的弱p型AlSb(濃度為1×1015cm-3)，n層與i層之間是1 nm的界面層d2。

圖1 器件結構示意圖

本文運用美國賓州大學開發的AMPS軟件對其模擬，該軟件通過解泊松方程以及器件邊界條件得到自洽解可模擬各種同質異質結太陽能電池，一維下泊松方程為

(1)

圖2 高斯分布模型[9]

在高斯模型下，隙間定域態密度呈雙高斯函數分布，分別對應類施主態和類受主態，二者呈正相關系[12]。其中NDG、NAG分別為高斯類施主缺陷態密度和高斯類受主缺陷態密度，WDSd、WDSa為類施主態和類受主態高斯峰半寬度，EDON、EACP為類施主態高斯峰和類受主態高斯峰到導帶底與價帶頂的能量值。本次模擬中假設NDG=NAG，EACPG=EDONG。模擬中光照條件為AM1.5，100 mW/cm2正背面反射率分別取0和1，模擬中所用的參數來自文獻[5,14]，具體數值見表1所示。

表1 模擬中所用參數值

表1(續)

2 結果與分析

2.1 不考慮界面態時對電池的模擬

在不考慮界面態時電池的J-U曲線如圖3所示，此時得到電池的短路電流密度為31.417 mA/cm2，轉換效率為18.08%，填充因子達0.493，開路電壓為1.168 V。

從J-U曲線中可以看出，在不考慮界面態時，該電池體系有大的短路電流和比較高的開路電壓與轉換效率。

圖3 不考慮界面態時的J-U曲線

2.2 考慮界面態時對電池的模擬

在n/i界面插入1 nm的高缺陷態密度界面層運用高斯模型進行模擬，態密度從9×1010/cm3逐漸增大到9×1018/cm3，對應電池的短路電流密度從31.424 mA/cm2降低到27.829 mA/cm2，開路電壓從1.168 V降低到0.752 V，短路電流和開路電壓下降趨勢緩慢。填充因子和轉換效率變化很明顯，分別從0.493、18.085%降低到0.113、2.539%，填充因子和轉換效率隨不同界面高斯缺陷態密度對數值(NDG值)的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以很明顯地看出，隨著界面缺陷態密度的增加，電池的轉換效率和填充因子迅速下降，在態密度達到9×1013/cm3(對數值為30時)后電池的填充因子和短路電流下降幅度很大。為了直觀地觀察填充因子的變化，我們作出在態密度分別為9×1010/cm3、9×1015/cm3以及9×1018/cm3下電池的J-U曲線，如圖5所示。

圖4 填充因子和轉換效率隨不同態密度對數值的變化曲線

圖5 不同態密度電池的J-U曲線

從圖5可以看出，隨著態密度的增加，電池的J-U曲線開始變形，出現異常拐彎的情況。而填充因子定義為太陽能電池J-U曲線下最大長方形面積與乘積Uoc×Isc之比，J-U曲線的好壞直接關系著填充因子，在高態密度下通過圖5的J-U曲線可以很直觀地看出填充因子很低而轉換效率(η=FFUocIsc/Pin)在開路電壓與短路電流變化不是很大時，隨著填充因子的降低，電池的轉換效率也隨之降低。為了進一步探索填充因子變化的內在機制，我們從載流子復合上來考慮，觀察不同態密度下載流子的復合情況，其中復合率取對數值(圖6中RT值)，選取態密度分別為9×1010/cm3、9×1015/cm3和9×1018/cm3條件下作圖，其復合曲線如圖6所示。

圖6 不同態密度下載流子的復合曲線

從圖6可以看出，隨著態密度的增加，n/i界面處載流子的復合也隨之加大，在缺陷態密度值從9×1010/cm3增大到9×1018/cm3時，復合的對數值從原來的40增大到接近55，復合值增大了幾個數量級。隨著載流子的復合加大電池的填充因子迅速降低，而太陽能電池的填充因子受寄生電阻的影響較大。其中電池的寄生電阻主要包括串聯電阻和并聯電阻，其等效電路圖如圖7所示。

圖7 太陽能電池等效電路圖

圖中：Isc為電池的短路電流；Rs是串聯電阻；Rsh為并聯電阻。當串聯電阻和并聯電阻處在典型值時，寄生電阻對電池的最主要影響是減小填充因子。引起串聯電阻的因素有穿過電池發射區和基區的電流流動、金屬電極接觸電阻以及頂部和背部的金屬電阻，本次模擬中這些因素是不涉及的。并聯電阻主要是由電池內部缺陷以及雜質引起表現為分流效應，界面缺陷導致載流子復合引起復合電流，它是通過并聯電阻Rsh來體現的。在不考慮串聯電阻Rs時電池的最大功率近似等于無并聯電阻Rsh時的功率減去并聯電阻所消耗的功率，方程如式(2)所示。

(2)

定義rsh=Rsh/Rch為標準串聯電阻，其中Rch=Ump/Imp是電池在最大輸出功率時輸出電阻，則式(2)式變形得

(3)

在開路電壓與短路電流受并聯電阻影響不是很大的情況，結合式(2)、(3)可得到并聯電阻和填充因子的關系為：

(4)

FF′=FF(1-1/rsh)

(5)

對不被并聯電阻影響的填充因子用FF0表示， FF′用FFsh表示，則式(5)變形得

FFsh=FF0(1-1/rsh)

(6)

從式(6)可以看出隨著并聯電阻的減小，電池的填充因子也隨之降低，在界面態存在的情況下，隨著缺陷態密度的增加載流子復合增大，進而表現為復合電流增大，復合電流的增大相當于并聯電阻的減小，從而電池的填充因子值降低。結合圖5的J-U曲線、圖6的載流子復合曲線、圖7的電池等效電路圖和有關并聯電阻和填充因子的關系式，可以得出，在界面態存在的情況下，隨著界面缺陷態密度的增加，光生載流子在界面的復合加大，從而復合電流增大，進一步表現為電池并聯電阻減小，導致了電池的填充因子減小，隨之電池的轉換效率也降低。

3 結論

本文通過AMPS軟件對n-ZnO/i-AlSb/p-AlSb異質結太陽能電池進行了模擬研究，主要對n/i界面層的界面缺陷態對電池填充因子和轉換效率的影響進行了分析。模擬中發現，隨著界面態密度的增加，電池的填充因子和轉換效率迅速下降，界面態密度的增加會促進光生載流子的復合，表現為電池并聯電阻值減小，從而導致電池填充因子值降低，最終電池的轉換效率下降。通過模擬分析得出異質結的界面態嚴重影響著電池的性能，特別是電池的填充因子和轉換效率，因此實際生產中應重視太陽能電池異質結界面的處理，降低界面缺陷態密度，從而提高電池性能。

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