非晶硅薄膜太陽能電池的p/i和i/n界面插入緩沖層對電池性能影響研究

李娟++馮國林

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.073

摘 要：本文建立基于pin型結構非晶硅薄膜太陽能電池，采用數值模擬的方法，通過模擬分析表明，在電池的p/i、i/n界面插入緩沖層可以得到電池轉化效率為7.474%，比沒有緩沖層電池提高0.305%。

關鍵詞：非晶硅 緩沖層 轉化效率

中圖分類號：O469 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0073-02

由于非晶硅材料的原子結構是一種共價無規的網絡原子結構，不受周期性結構的約束，具有短程有序、長程無序的結構。無序結構導致多種結構缺陷和微空洞的形成，這就使得非晶態半導體材料能隙深處具有缺陷定域態，這些定域態提高使載流子復合率。對于異質結太陽能電池界面缺陷是不可避免，在p/i、i/n界面存在的晶格失配，這樣就會使自由載流子復合幾率提高，從而影響電池的性能。在制備材料的過程中，從材料1到材料2總會有一個過渡區，材料帶隙和電子親和勢的漸變對提高電池短路電流和填充因子有非常顯著的作用。

1 物理模型和數值方法

1.1 物理模型

建立一個單結pin非晶硅薄膜太陽能電池，其結構為：TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/背電極。模擬計算插入緩沖層對電池性能的影響，模擬的過程取緩沖層的厚度為4nm。模擬時采用標準的太陽光譜AM1.5（100mW/cm2）從電池左側入射，設入射光在前、背電極表面的反射率在理想情況下分別為0和1，載流子通過復合中心的間接復合機制采用SRH模型[1]。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[2]。

1.2 AMPS原理

AMPS-1D程序主要運用Newton-Raphson方法和邊界條件求解相互關聯的非線性微分一維泊松方程和電子、空穴連續性方程，通過數值計算分析電池中載流子產生、符合和輸運性質等各種工作參數。

模擬中各層半導體材料是a-Si：H，其原子結構特征是長程無序、短程有序的無規網絡結構，存在大量懸掛鍵。無序的結構使價帶和導帶邊向帶隙延伸出定域化的帶尾態，在帶隙中部形成了由結構缺陷引起的缺陷態。廣泛采用a-Si：H能帶分布是Mott-Davis能帶模型[3]，表明了能帶邊和帶隙的電子態密度隨能量的分布狀況。

由懸掛鍵和鍵畸變引起價帶尾態和導帶尾態可俘獲載流子，對載流子起陷阱作用。帶尾態密度近似于指數分布：

（1）

（2）

式中，EA，ED分別為導帶尾、價帶尾特征能量；EV，EC分別為價帶、導帶遷移率邊。

1.3 模型參數設置

模型中各參數設置如表1所示。

2 數值模擬與結果分析

2.1 在p/i、i/n界面插入緩沖層對電池效率的影響

對于異質結，由于結兩邊材料的帶隙寬度的不同，能帶在界面處是不連續的，有尖峰的出現，分別稱為導帶和價帶的帶結。帶結是影響異質結性能極為重要的參數。在載流子輸運過程中由于存在勢壘使載流子有效收集遇到困難，本文在p/i、i/n界面分別加入帶隙為1.72eV和1.68eV的納米硅a-Si：H緩沖層，通過調節材料的內部參數使其帶結盡可能降低，這樣緩沖層可以起到一個帶隙過渡的作用，使勢壘降低，從而使電子有效地被收集，電池效率變大。

從圖1可以看出加入緩沖層后界面的帶明顯降低，結果表明，插入緩沖層后，電池的性能有明顯的改善。這是因為緩沖層主要改善晶格失配的作用，從圖1可看出勢壘降低，這樣減少載流子在界面的復合。此外，摻入的緩沖層減小界面電勢，從而增加活性層的電場，增加載流子收集。通過優化得到7.474%的轉化效率。

2.2 插入緩沖層厚度對電池效率的影響

計算結果如圖2所示，電池效率隨緩沖層厚度從1nm逐漸增加到7nm過程中在減小，隨短路電流在減小，FF和VOC沒有變化的情況下導致電池的效率減小。

3 結語

通過對電池優化模擬的結果分析可以得到：在p/i、i/n界面插入緩沖層電池轉化效率為7.474%，比沒有緩沖層電池提高0.305%；緩沖層的厚度對電池的開路電壓和填充因子幾乎沒有影響，對短路電流影響很小，進而對電池的效率影響也很小。

參考文獻

[1] Shockley W，Read W T.Statistics of the Recombinations of Holes and Electrons[J].Phys Rev，1952，87（5）：835-842.

[2] 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.

[3] Cohen M H，Frittzsche H，Ovshinsky S R.Simple Band Model for Amorphous Semiconducting Alloys[J].Phys.Rev.Lett.，1969（22）：1065-1068.

[4] 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.endprint