非晶硅鍺薄膜太陽電池的模擬研究

張研研，陳 祺，李凱豐，周德江，王忠鑫，史力斌

(1.渤海大學 a.新能源學院;b.數理學院，遼寧 錦州 121013;2.太和區職業技能教育中心，遼寧 錦州 121000)

隨著傳統化石能源的日益枯竭以及燃燒化石能源對環境造成的污染日益嚴重，開發清潔、安全、可再生的能源迫在眉睫。太陽能在可再生能源中是最具有發展潛力的［1］。太陽電池中晶體硅太陽電池的生產工藝最為成熟且轉換效率較高，因而在光伏市場上占有85%的份額，但因其生產成本較高，很難滿足工業發展及家庭并網發電的需要［2］。近年來，非晶硅薄膜太陽電池以其較低的生產成本，在市場上所占份額有所增加，但其轉換效率不高且在長時間光照下易出現光致衰退現象［3］。近期發展起來的非晶硅鍺薄膜材料因帶隙在1.1～1.8 eV可調，且隨著鍺含量的增加使其對長波區太陽光的吸收系數增大，因而越來越受到重視。然而，與非晶硅薄膜太陽電池相比，非晶硅鍺單結薄膜太陽電池的工作機理及影響效率的因素尚不明確，文獻報道的此種電池的轉換效率都較低［3］，故可以通過計算機模擬的方法進行分析研究，以便進一步提高電池效率。

本文利用美國濱州大學研發的AMPS(analysis of microelectronic and photonic structures)程序模擬分析了發射層材料、厚度以及背接觸勢壘對非晶硅鍺薄膜太陽電池光伏性能的影響規律，找到了最佳的優化條件，為實驗中改善電池的光伏性能提供參考。

1 物理模型及參數設置

待模擬的非晶硅鍺薄膜太陽電池的結構為TCO/a-Si:H(p+)/a-SiGe:H(i)/a-Si:H(n)/TCO，如圖1所示，其中:a-Si:H(p+)為太陽電池的窗口層;a-SiGe:H(i)為太陽電池的吸收層;a-Si:H(n)層則與前二者構成p-i-n結;TCO(透明導電氧化物薄膜)幫助非晶硅收集橫向電流。

AMPS模擬程序主要是利用一定的邊界條件對泊松方程及電子和空穴連續性方程進行求解，從而得到太陽電池的各項光伏參數。AMPS程序有2種模擬方式，分別為態密度(DOS)和載流子壽命(life time)模式，本文采用的是DOS模式。在此模式下，非晶材料的帶尾定域態采用指數分布，隙間定域態采用高斯分布，沒有考慮界面缺陷態的影響。非晶材料帶尾和隙間定域態分布如圖2所示。模擬中使用的各材料參數主要來自文獻［4-8］，具體如表1所示。模擬所采用的溫度為300 K，光照條件為AM1.5、100 mW/cm2，有效波長范圍為0.3 ～1.1 μm。

圖1 非晶硅鍺薄膜太陽電池結構簡圖

圖2 非晶材料帶尾和隙間定域態分布

2 結果與討論

2.1 窗口層材料的選擇

窗口層分別采用文獻［7］中報道的帶隙為2.10 eV的 a-SiC:H(簡稱 a-SiC1)、文獻［9］中報道的帶隙為1.92 eV的a-SiC:H(簡稱a-SiC2)以及非晶硅。在前接觸保持平帶(即前接觸沒有勢壘)的前提下，模擬對比了三者分別作為非晶硅鍺薄膜太陽電池窗口層時電池的光伏性能，模擬結果見表2。

表1 非晶硅鍺薄膜太陽電池的模擬參數設置

表2 不同窗口層時太陽電池性能比較

從表2的模擬結果可以看出:窗口層的帶隙越寬，就越能使更多的載流子被吸收層非晶硅鍺有效收集，電池的短波響應越好(如圖3所示)，短路電流越高;當帶隙為2.10 eV的非晶硅碳(a-SiC1)作為窗口層時，電池的開路電壓和短路電流雖然很高，但填充因子只有0.269，說明此時出現了s-shape現象，產生的原因是窗口層與吸收層之間較高的價帶失配對空穴起到了一定的阻礙作用，如圖4所示，這與文獻［10］中的實驗結果基本相符。帶隙為1.92 eV的非晶硅碳(a-SiC2)作為窗口層時，其較寬的帶隙使電池的短路電流高于非晶硅作為窗口層的短路電流，但其價帶失配低于a-SiC1作為窗口層時的價帶失配，故填充因子仍較高，導致a-SiC2作為窗口層時電池的轉換效率最高為9.776%，因此非晶硅鍺薄膜太陽電池的窗口層應采用帶隙為1.92 eV的非晶硅碳。

圖3 不同發射層時太陽電池的光譜響應

圖4 不同發射層時太陽電池的能帶

2.2 窗口層厚度對非晶硅/鍺薄膜太陽電池性能的影響

窗口層采用帶隙為1.92 eV的非晶硅碳。圖5為窗口層厚度對電池性能影響的模擬結果。從圖5可見:隨著窗口層非晶硅碳厚度的增加，電池的短路電流、開路電壓和填充因子都有所降低，從而導致電池轉換效率的降低。圖6為窗口層非晶硅碳的厚度為5和15 nm時的量子效率對比結果。從圖6可見:厚度為15 nm時的短波區量子效率明顯不及厚度為5 nm時的短波區量子效率，而長波區的量子效率基本不受窗口層厚度的影響。這是因為非晶硅碳的帶隙較寬，對短波段的光子吸收系數遠高于其在長波段的吸收系數。隨著窗口層厚度的增加，窗口層對短波段的光子吸收增加，產生的光生載流子增加，而較厚的窗口層中出現了低場區(如圖7所示)，光生載流子很難漂移到n區被有效收集，故短波段的量子效率降低，導致短路電流降低。因為窗口層厚度增加使由隙間缺陷引起的復合電流增加，根據式(1)，電池的開路電壓降低，又由式(2)可知，電池的填充因子也隨之降低。故在形成有效pn結的前提下，窗口層厚度越薄越好，最終選擇窗口層厚度為5 nm，此時電池的短路電流為14.613 mA·cm－2，填充因子為0.809，開路電壓為0.840 V，轉換效率為9.920%。

圖5 窗口層非晶硅碳厚度對電池性能的影響

圖6 窗口層厚度分別為5和15 nm時的量子效率

圖7 窗口層中的電場分布

2.3 背接觸勢壘對非晶硅/鍺薄膜太陽電池性能的影響

本研究中背接觸勢壘主要針對電子，為背接觸處導帶與費米能級的能量差，計算方法如式(3)所示。

式(3)中:En表示背接觸勢壘;Ec和EF分別表示導帶底能量和費米能級;φ表示背部TCO的功函數;χ表示n層非晶硅的電子親和勢。圖8為背接觸勢壘對非晶硅鍺薄膜太陽電池性能影響的模擬結果。從圖8可見:隨著En的增大，電池的短路電流不斷降低;當背接觸勢壘超過0.6 eV時，開路電壓和填充因子明顯降低。從能帶圖中可看出產生這種現象的原因，即隨著背部接觸勢壘的增加，能帶向上彎曲，對電子形成阻礙作用，不利于背部電極收集電子，故短路電流降低，如圖9所示。從圖9還可看出:背接觸勢壘為0.11 eV時，背接觸為平帶;背接觸勢壘為0.31 eV時，背接觸勢壘雖與pn結內建電勢方向相反，但該勢壘較小;但背接觸勢壘為0.81 eV時，背接觸勢壘很高，且與內建電勢方向明顯相反，從而導致開路電壓顯著降低，填充因子則隨著開路電壓的降低而降低。綜上，背接觸勢壘越低越好，當背接觸勢壘范圍為0.11～0.51 eV(相應的 TCO功函數為3.91 ～4.31 eV)時，電池的性能較好。

圖8 背接觸勢壘對非晶硅鍺薄膜太陽電池性能的影響

3 結束語

利用AMPS程序對非晶硅鍺單結薄膜太陽電池進行了模擬優化。模擬結果表明:帶隙為1.92 eV的a-SiC:H較適合作為非晶硅鍺薄膜太陽電池的窗口層，且在形成有效pn結的前提下，窗口層越薄越好。通過模擬還發現:背接觸勢壘越高，則電池的轉換效率越低，但當背接觸勢壘在0.11～0.51 eV(相應的TCO的功函數為3.91～4.31 eV)時，背接觸勢壘對電池的性能影響較小。

圖9 背接觸能帶結構

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