本征緩沖層厚度對納米硅/晶體硅異質結太陽電池的影響

郭群超， 劉 陽

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

2014年，松下和夏普公司分別制備出25.6%和25.1%的高效率異質結太陽電池后[1-2]，世界各地又掀起了一場異質結太陽電池研究的浪潮[3-8]。常規異質結太陽電池是在晶硅襯底上沉積非晶硅材料制成的[6，8]，這樣既保留了非晶硅太陽電池開路電壓較高的特點，又繼承了單晶硅太陽電池短路電流高的優勢。納米硅材料是介于微晶硅和非晶硅材料之間的一種晶體結構[9-12]，其構成與非晶硅十分相似，不同之處在于，納米硅是非晶硅中存在一定數量納米尺寸的硅晶粒。這部分納米晶粒產生了所謂的量子尺寸效應，導致納米材料的能隙不但沒有降低反而變得更寬。因此，利用納米材料制備的太陽能電池具有反常的、超過非晶硅電池的高開路電壓。用納米硅替代非晶硅制備異質結太陽電池可以期待能得到更高的電池效率。運用wxAMPS軟件模擬了界面態密度對納米硅(nc-Si:H)/晶體硅(c-Si)異質結太陽電池性能影響，并且采用在界面處增加緩沖層的辦法來降低界面態對異質結太陽電池的消極影響。

1 實驗基礎

1.1 wxAMPS與AMPS-1D軟件的區別

AMPS-1D軟件是一款針對薄膜太陽能電池的模擬軟件[13]。此軟件利用泊松方程、電子連續性方程和空穴連續性方程分別得出電子準費米能級、空穴準費米能級和電勢，而后再由電子準費米能級、空穴準費米能級和電勢出發，可以得到太陽電池的一系列光伏特性。但AMPS-1D軟件在求解算法、物理模擬及界面等方面存在著一定的局限性。文獻[14-18]在AMPS-1D軟件原物理模型的基礎上又添加了兩種隧穿電流模型，并且重寫了程序內核，改進了求解算法，開發了wxAMPS軟件。這款軟件的性能更加穩定、通用性更強，而且還具有更方便的操作界面，可以利用其他的光學模型，能夠更好地模擬更多的新型太陽電池。表1對兩種軟件從用戶界面和計算性能兩方面進行了對比，可以看出wxAMPS具備一定的優勢，本文采用wxAMPS軟件進行模擬計算。

表1 AMPS和wxAMPS軟件對比分析[1]

1.2 納米硅/晶體硅異質結太陽電池結構參數設置

此異質結電池器件結構見圖1所示，襯底采用150 μm厚的P型晶體硅，摻雜濃度為1.3×1015cm-3；窗口層為厚度為50 nm的N型納米硅，摻雜濃度為1×1017cm-3；在N型晶體硅與P型納米硅之間設計一層厚度在0～50 nm之間變化的本征納米硅緩沖層(Buffer層)，具體參數設置范圍見表2。模擬的太陽光照條件為溫度300 K，AM1.5 100 mW/cm2。

圖1 模擬器件結構示意圖

1.3 本征緩沖層參數設置

影響異質結器件最大的問題是界面的缺陷態。在P-nc-Si:H與N-c-Si:H中插入一層1 nm的本征緩沖層，界面態密度在5×1010～5×1014cm-3之間變化，在禁帶中呈雙高斯分布，詳見表3。

2 結果與分析

2.1 界面態密度對光伏特性的影響

在異質結太陽能電池中，由于材料內部和邊界處都存在缺陷，而且不同材料之間存在晶格失配，因此在各材料的交界面之間必然存在界面缺陷態。在此采用wxAMPS軟件研究了界面態缺陷密度對納米硅/單晶硅異質結電池性能的影響。圖2為界面密度在1010～1014cm-2范圍內，納米硅(nc-Si:H)/晶體硅(c-Si)異質結太陽電池的主要性能參數變化。

表2 nc-Si:H/c-Si異質結太陽電池的結構參數

表3 本征納米晶硅緩沖層(buffer層)缺陷參數范圍

由圖2可知：當界面態密度在5×1010～5×1012cm-2時，電池性能基本不變化。當界面態密度超過6×1012cm-2，隨著界面態密度增加電池的性能快速下降；當界面態密度達到1×1013cm-2時，開路電壓從701 eV下降至483 eV，并且填充因子與短路電流也有所下降，導致轉換效率從22.3%跌至14%；當界面態密度達到1×1014cm-2時，短路電流也大幅度下降至8.2 mA/cm2，開路電壓下降至150 mV，填充因子降為20%，而轉換效率下降至僅有2.5%。可見，當界面態密度保持在1×1011cm-2以下時，對該異質結電池的影響可忽略；然而界面缺陷態密度達到或超過1×1013cm-2時，對該異質結電池性能的影響非常顯著，尤其是電流下降很快。漏電電流和填充因子關系[19]為

(1)

式中：FF為填充因子；JSC為短路電流；J0為漏電電流。

短路電流的突然大幅下降原因是在界面處電子復合引起漏電電流增加。并且漏電電流增大也使開路電壓與填充因子下降，從而導致電池的光電轉換效率下降。

2.2 本征納米硅緩沖層(buffer層)厚度對光伏特性的影響

在異質結太陽電池沉積過程中，應該采取措施盡量減小界面態密度。實際生產中可采用增加表面處理工序來降低界面態密度。下文討論增加本征納米硅緩沖層的辦法對降低界面態密度的影響是否有效。

在nc-Si:H/c-Si異質結太陽電池中，設定界面態密度為8×1012cm-2，保持P-nc-Si:H窗口層和單晶硅層的參數不變，在兩層之間插入一層本征納米硅(參數設定見表3)。圖3所示為該異質結太陽電池的性能隨本征納米硅緩沖層(buffer層)厚度變化趨勢。從圖3可見，沒有緩沖層的基礎電池光電轉換效率為20.2%。在此電池上插入僅1 nm的納米本征緩沖層后，電池效率迅速提高至24.4%(開路電壓為701 mV，短路電流為43 mA/cm2，填充因子為81%)。但是隨著本征層厚度的遞增，光電轉化率又逐步減小了。尤其是當本征層厚度到達10 nm時，電池的性能急劇下降，開路電壓降至641 mV，短路電流為43 mA/cm2，填充因子為75%，轉換效率降為20.67%。因此，在P型納米硅窗口層和單晶硅之間加入1～10 nm以內厚度的本征納米緩沖層能夠有效抵消界面態密度對電池帶來的消極影響，但如果緩沖層超過10 nm則效果相悖。

圖2 界面態密度對電池性能的影響

圖3 本征層厚度對太陽電池的影響

圖4和圖5分別為不同本征層厚度的異質結電池外量子效率和光譜響應圖。

圖4 不同本征層厚度的異質結電池外量子效率

圖5 不同本征層厚度的異質結電池的光譜響應

圖6為不同緩沖層厚度的異質結電池外量子效率在300 nm處的比較。由圖6可見，緩沖層厚度超過10 nm后短波響應下降趨勢更加明顯。

圖6 不同緩沖層厚度的異質結電池外量子效率在300 nm處比較

比較可知，有1 nm緩沖層的異質結電池相對于無緩沖層的電池短波響應有所增加。這是因為本征納米緩沖層一定程度上抑制了界面態的消極影響。但是隨著緩沖層厚度增大，尤其是超過10 nm之后，其短波響應反而越差。分析認為，緩沖層過厚導致電池內建電場寬度增加，電場強度下降，光生載流子收集效率下降。反向飽和電流增加，短路電流下降，填充因子和開路電壓也降低，電池效率進一步降低。因此，適當的納米緩沖層厚度可提高異質結電池的效率，但不宜過厚。該結論與韓兵等[19]對微晶硅/晶體硅HIT電池的計算結果相似，只是緩沖層厚度范圍有所不同。

3 結 論

采用wxAMPS軟件對nc-Si:H/c-Si異質結太陽電池進行了模擬計算。分析發現，界面態密度超過1×1013cm-2時，將會嚴重影響該異質結太陽電池的開路電壓和填充因子。采用在P-nc-Si:H和單晶硅基體之間插入一層1～10 nm本征納米硅緩沖層的辦法可以有效抵消缺陷態密度的影響，提高nc-Si:H/c-Si異質結電池的效率，但如果緩沖層厚度過厚會適得其反。