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上，利用有效介質理論分析了納米硅的光吸收系數和光學帶隙與晶相比的關系。運用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，優化電池結構的方面人們做出了大量科學研究，本征層作為薄膜太陽電池的吸收層承擔著光生載流子的產生并在電場的作用下通過p層和n層被吸收的作用。因此優化本征層材料的參數，是提高太陽能電池效率重要課題。基于以上出發點，利用AMPS-1D軟件進行一維數值模擬，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）以及電池轉化效率（？濁）的影響。

1 物理模型和數值方法

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

1.1 數值方法

1.1.1 AMPS-1D原理

AMPS-1D軟件的工作原理將器件分成N（N<400）等分個計算單元，每個計算單元不大于0.2nm，運用Newton-Raphson方法和邊界條件求解一維泊松方程和電子、空穴連續性方程，通過數值計算求出器件的各種工作參數。在我們計算中左右電極界面的電子空穴界面復合速率都設定1×107cm/s。電池的工作溫度為300K[1]

數值模擬是在態密度（DOS）模式下進行的。對于遷移帶隙的局域化態密度而言，已經被確認其中同時有類受主態（位于帶隙上半部分）和類施主態（位于帶隙下半部分）。不論是類受主態或者類施主態，它們都由指數帶尾態與高斯帶隙態（懸掛鍵）構成。在未摻雜的a-Si：H帶隙中，局域化的態密度被認為是由指數帶尾態和高斯帶隙態組成；而在摻雜的a-Si：H帶隙中，局域化的態密度被認為是由帶尾態、高斯帶隙態和類施主態構成。價帶和導帶帶尾態在能量中呈如下指數分布：

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

對于類受主態、類施主態以及施主態，其帶隙態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連續可調，且幾乎沒有光致衰退效應[2]。我們所模擬的電池的結構中，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構材料，在計算模擬之前首先確定這種兩相材料的各種參數關系，我們利用所得到的參數關系再模擬分析電池的性能。

（1）吸收系數（？琢）隨晶相比（f）的變化。

吸收系數是我們模擬中所要用到的參數，一般情況下，兩種獨立的吸收材料的總的吸收系數可以認為是兩種吸收系數之和， 所以，具有兩相結構的納米硅的材料的吸收系數可表示為：

？琢=？琢cf+？琢a（1-f） （4）

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

（2）光學帶隙（Eopt）與晶相比（f）的關系。

根據光吸收系數？琢隨量子能量變化關系在吸收邊附近遵循的Tauc規律

式中B是與帶尾態密度相關的參數。將 （4）式代入（5）式中， 可得

為了能夠適合工藝技術實際情況， 可以用實驗數據[5]確定上式中的一些常數，簡化（6）式，可得到光學帶隙與晶相比之間滿足下列關系：

根據實驗數據進行擬合， 以確定 a，b，c三個常數[6]，最后得到

利用（8）式可以算出不同晶相比f時的光學帶隙Eopt。

在AMPS-1D模擬計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。

1.2 模型參數設置

模型中各參數設置如表1[7]所示。

2 數值模擬與結果分析

2.1 本征層的晶相比對電池性能的影響

結果表明，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型結構的電池模型，其內建電勢VD主要取決于兩摻雜層的費米能級的位置及有源層的禁帶寬度。設p層的激活能為Eap，n 層的激活能為 Ean，有源層帶隙Eopt，則內建電勢VD=（Eopt-Eap-Ean）/q，因此可以看出電池的光學帶隙在減小，內建電勢將逐漸減小。而一般認為開路電壓略小于內建電勢。

由圖3可知短路電流Jsc隨晶相比的增加而增大。根據有效介質理論[8]計算具有兩相結構的廣義電導？滓與晶相比f的關系為：

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？滓也增大，必然會使短路電流增大。

計算顯示如圖5，在p型和n型材料各項參數如表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。這主要是因為高晶相比的納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、懸掛鍵和缺陷態，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為工藝提供指導，電池的前后電極界面的電子空穴界面復合速率都設定1×107cm/s，本征層厚度為800nm，i層納米硅的晶相比為40%電池效率達到9.509%。相應電池J-V曲線見圖6，其中Pmax為最大功率點。

3 結束語

分析研究了電池結構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。由于納米硅結構隨晶相比的變化出現大量懸掛鍵，導致電子空穴的復合率上升，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，優化后的電池效率達到9.509%。

參考文獻

[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].物理學報學，2009，58（11）： 7921-7925.

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

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

[7]李娟，馮國林. 納米硅異質結薄膜太陽電池的數值模擬[J].寧夏師范學院學報，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，寧夏師范學院，研究方向：量子計算。

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