MoS2/SnS異質結太陽能電池的模擬研究

趙航航，袁吉仁，鄧新華，黃海賓

(1.南昌大學理學院，南昌 330031；2.南昌大學光伏研究院，南昌 330031)

0 引 言

太陽能電池作為在眾多新能源中一顆閃耀的明星，一直以來都受到眾多的科學家青睞，但如何提高太陽能電池轉換效率是太陽能電池的核心問題。硫化亞錫(SnS)是一種棕黑色Ⅳ-Ⅵ族層狀化合物半導體材料，受主能級由于存在Sn空位，SnS通常為p型導電材料。由于制備工藝的差異，禁帶寬度在1.0 ～1.5 eV之間[1-2]，與太陽能電池最佳禁帶寬度1.5 eV比較接近，在可見光范圍內對光的吸收很大(α>104cm-1)，其理論光電轉換效率高達25%[3]。SnS可以薄膜化生產，且組成SnS的原料在地球上儲備豐富、價格低廉，是一種具有很好應用前景的材料。但實際所制備的SnS太陽能電池轉換效率與理論值相差較大[4-7]，如何提高SnS太陽能電池轉換效率是目前研究的問題之一[8-9]。

硫化亞錫(SnS)類太陽能電池已經經過數十年的研究，以往的SnS類太陽能電池，n層常用的材料一般為CdS、ZnO、a-Si、ZnS、SnS2、Bi2S3、CZTSSe等，但目前國內外還未見以SnS為p層，MoS2為n層相關電池結構研究報道。

n層材料可以選用二硫化鉬(MoS2)，因為二硫化鉬與單原子層二維石墨烯材料具有相類似的二維結構和性能，與零能帶隙的石墨烯相比，MoS2具有1.2～1.8 eV的能帶間隙，單層MoS2是直接帶隙半導體材料[10]。同時，MoS2具有優良的光吸收系數(α>106cm-1)和高的載流子遷移率(200 cm2·V-1·s-1)，近些年來受到越來越多的關注，常被用于太陽能電池、光電探測器等一系列光電器件研究中[11-13]。

本文選用的是由南開大學和美國伊利諾伊大學香檳分校合作開發的wxAMPS太陽能電池模擬仿真軟件[14]，它是根據著名太陽能電池模擬軟件AMPS-1D的內核改編升級而來，可以對多種結構電池進行模擬仿真，例如異質結、同質結、肖基特類太陽能電池，適用性廣泛，使用簡單，且適合多種環境場合。本文利用wxAMPS模擬了MoS2/SnS異質結太陽能電池，主要對太陽能電池中的SnS吸收層厚度、摻雜濃度和各種缺陷態(高斯缺陷態、帶尾缺陷態和界面缺陷態)等影響因素進行了研究。通過計算分析和對各個參數的優化，希望從理論上論證MoS2/SnS電池結構的可行性，特別是理論證實能夠達到比較高的轉換效率；同時探索影響其高效的各種因素，并進行優化設計，為實際制備該種電池提供理論參考。

1 物理模型與材料參數

設計的太陽能電池模型結構如圖1所示，單層重摻雜的MoS2為異質結發射層，襯底為2 μm厚的SnS，MoS2和SnS之間插入一層界面層，界面厚度在1～3 nm之間變化。光子從前接觸面入射，進入太陽能電池內部后被吸收轉化，光生電子和空穴通過擴散運輸到pn結區，在結區空間電場的作用下分別向MoS2發射層和SnS層漂移。

圖1 MoS2/SnS太陽電池結構

本文模擬采用的MoS2材料參數參考文獻[15]設置，SnS材料參數參考文獻[16]。模擬時采用功率為100 W/cm2的標準AM1.5G作為入射光源，從電池正上方入射，溫度為300 K，在理想情況下假設入射光在前、后表面的反射率分別為0和1，模擬計算中使用的主要參數如表1所示。這些參數除了部分可變參數外，其他參數都取自wxAMPS軟件默認值。

表1 模擬計算采用的主要參數

根據Possion方程和電流連續性方程，一維穩態下，三個方程的具體形式為[17]：

(1)

(2)

(3)

為了構成PN結，本征半導體都需要進行一定的摻雜，摻雜是人為引入的，可以采取一定的手段進行調節。缺陷卻是由材料內部結構、雜質等原因產生的，可以通過提高材料性能來減小缺陷。根據電學性能，缺陷態可以分為受主類型缺陷、施主型缺陷和兩性缺陷。根據能帶里的分布情況，缺陷態可分為指數分布、高斯分布和均勻分布[18]。在wxAMPS中，指數分布模型常用來解釋缺陷在晶體中形成的帶尾結構。因為通常晶格結構不是絕對的完美，導帶和價帶附近會延伸出一些定域的帶尾缺陷態。圖2為帶尾缺陷態的分布情況，帶尾缺陷態密度與能量的關系如下：

圖2 帶尾缺陷態分布圖

(4)

(5)

其中，ga為acceptor-like缺陷態，gd為donor-like缺陷態，GAO、GDO為導帶底、價帶頂密度，E為缺陷態在能帶中的分布，EC、EV為導帶、價帶能級，EA為導帶尾特征能級，ED為價帶尾特征能級。

在wxAMPS中還提供了另一種缺陷態模式——高斯缺陷態，缺陷態在能帶中呈現高斯分布趨勢，高斯缺陷態適合絕大部分材料在能帶中的分布情況。圖3為高斯態的分布情況，材料中的高斯缺陷態分布與能量關系可表示為:

圖3 高斯缺陷態分布示意圖

(6)

(7)

其中，GA(E)為受主型高斯缺陷的分布，GD(E)為施主型高斯缺陷的分布，NAG、NDG為高斯分布的類受主、類施主狀態密度，EACPG、EDONG分別是acceptor-like，donor-like峰值能級位置，WDSAG、WDSDG分別是acceptor-like，donor-like分裂能級寬度。在模擬時這些參數要根據實際情況進行自行設計。

高斯缺陷態和帶尾缺陷態描述了兩種不同缺陷的分布情況，高斯缺陷態主要是由懸掛鍵引起的，帶尾缺陷態主要是由晶格不是嚴格的周期性而形成的局域態引起的。兩種缺陷可以同時存在，由哪一種缺陷來主導要根據具體的材料而定，不同的材料中兩種缺陷的量級差異很大，當然影響太陽能電池的轉換效率的因素眾多，但界面缺陷態是核心影響因素[19]。界面缺陷態是由于界面上下兩種材料的晶格系數和不飽和懸掛鍵的存在，使得界面形成的缺陷態。在討論MoS2/SnS太陽能電池時加入了一層“界面層”，希望通過對界面缺陷態的討論能夠推斷SnS類太陽能電池實際效率低下的原因。

前接觸界面和背接觸界面缺陷層中的連續缺陷態密度Dit可以表示為：

Dit=[GMGD(EDA-EV)+GMGA(EC-EDA)]x0

(8)

其中,GMGD為單位能級上的施主缺陷態密度，GMGA為單位能級上的受主缺陷態密度，EDA為施主體缺陷態與受主體缺陷態的界限能級，EC和EV分別為導帶能級與價帶能級，x0為界面厚度。界面態缺陷對器件性能的影響主要是光生載流子在界面傳輸時會俘獲電子或空穴，引起較多的復合，增大暗電流，從而降低電池的轉換效率。

2 結果與討論

2.1 吸收層厚度對太陽能電池的影響

通過改變吸收層厚度模擬計算電池的開路電壓、短路電流、填充因子和轉換效率的變化。從圖4可以發現隨著吸收層厚度的增加，開路電壓逐漸上升，厚度達到2 μm時，開路電壓上升逐漸趨于平穩。厚度在0.2～0.4 μm時短路電流、填充因子和轉換效率都有一個較大的變化。其中短路電流和填充因子變化尤為明顯，短路電流從15 mA/cm2增大到33 mA/cm2，轉換效率從7%提升到21%。吸收層厚度增加提高了太陽能電池對太陽光的吸收，吸收層可以吸收更多的入射光，產生更多的自由載流子，提高太陽能電池的轉換效率。隨著厚度的繼續增加，短路電流、填充因子和轉換效率變化開始變得平緩，吸收層厚度的增加可以提高太陽能電池效率，但吸收層厚度增加到一定時，過厚的吸收層會增加光生少子的漂移長度，使得到達空間電荷區的概率變小，導致復合率增大。為了得到更好的模擬結果，在模擬時選用了厚度為2 μm的參數。

圖4 吸收層厚度對Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

2.2 吸收層摻雜濃度對太陽能電池的影響

圖5為吸收層摻雜濃度對電池性能的影響。改變吸收層的摻雜濃度，在摻雜濃度較低的情況下開路電壓、短路電流、填充因子和轉換效率基本穩定在一定的范圍內。摻雜濃度大于1.0×1013cm-3時，開路電壓、填充因子和轉換效率都有一定的提升，曲線變化明顯。摻雜濃度超過1.0×1015cm-3時，短路電流迅速減小，曲線迅速下降。因為較低的摻雜濃度會降低運送少數載流子的能力，增加摻雜濃度有利于增加空間電荷區的電場強度，提升轉換效率，但高濃度的摻雜會引起空間電荷區減小，增大少數載流子復合概率，影響太陽能電池性能。

圖5 摻雜濃度對Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

2.3 高斯缺陷態對太陽能電池的影響

模擬時所設置的為雙高斯缺陷態：受主型高斯缺陷態、施主型高斯缺陷態。為了計算與分析的簡便，雙高斯缺陷態濃度相同。從圖6可以看到高斯缺陷態濃度在1.0×1011～1.0×1015cm-3時，開路電壓、短路電流、填充因子以及轉換效率都相對穩定，當濃度為1.0×1015cm-3時，開路電壓達到最大值，隨著濃度的增加，開路電壓逐漸變小，短路電流、填充因子和轉換效率也隨之變小。設計時，考慮到高斯態對太陽能性能的影響，應該將高斯缺陷態濃度控制在1.0×1015cm-3以下。

圖6 高斯缺陷態對Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

2.4 帶尾缺陷態對太陽能電池的影響

帶尾缺陷態也是影響太陽電池性能的一個重要因素，模擬時對導帶尾、價帶尾都進行了設置，為了模擬計算的簡便，導帶尾缺陷態濃度和價帶尾缺陷態濃度采用同一數值。圖7給出了開路電壓、短路電流、填充因子和轉換效率變化曲線。帶尾缺陷態濃度在1.0×1015～1.0×1019cm-3·eV-1之間，開路電壓基本保持穩定，變化曲線平穩。當濃度大于1.0×1019cm-3·eV-1時，開路電壓、短路電流、填充因子和轉換效率都出現了下降趨勢。

2.5 界面態對太陽能電池的影響

異質結太陽能電池通常是在n型(p型)材料上沉積p型(n型)薄膜作為發射區，在薄膜與晶體表面形成異質結結構，在形成的異質結界面往往存在大量的界面缺陷，由于兩種材料的性質不同，晶格常數一般不同，在晶體表面存在許多未飽和懸掛鍵，這些懸掛鍵增加了異質結界面的復合速率，減少了少數載流子的壽命，對開路電壓、短路電流、填充因子以及轉換效率影響較大。

這些界面缺陷可作為非平衡載流子的復合中心，如果在異質結界面附近出現大量的光生電子和空穴，則異質結的界面復合將比較嚴重，界面缺陷態對太陽能電池性能的影響一直以來是太陽能電池研究的重點。

圖8可以看到在界面缺陷態密度低于1.0×1012cm-2時，開路電壓、短路電流、填充因子以及轉換效率都有一個穩定的數值，當界面缺陷態密度大于1.0×1012cm-2時，開路電壓、短路電流、填充因子和轉換效率迅速下降。與圖6、圖7中的高斯缺陷態、帶尾缺陷態對太陽能電池的影響比較，可以看到界面缺陷態，影響效果更明顯，也更為敏感。

圖7 帶尾缺陷態對Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

圖8 界面缺陷態對Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

因此宜將界面缺陷態控制在1.0×1010cm-2，此時MoS2(n)/SnS(p)異質結太陽能電池性能最佳，最佳J-V曲線如圖9所示，優化后的太陽能電池開路電壓為0.88 V，短路電流為33.4 mA/cm2，填充因子為85.4%，轉換效率為24.87%。

圖9 MoS2(n)/SnS(p)太陽能電池最佳J-V曲線

圖10給出了不同界面缺陷態密度下的電流密度-電壓曲線。可以發現，隨界面缺陷態密度的增加，短路電流和開路電壓明顯減小。界面缺陷態密度的增大，增加了異質結界面的復合速率，減少了少數載流子的壽命，嚴重影響太陽能電池性能。

圖10 SnS太陽能電池J-V曲線隨界面態密度的變化

3 結 論

本文設計了一種新型結構MoS2(n)/SnS(p)異質結太陽能電池，并通過wxAMPS太陽能電池模擬軟件，研究了吸收層厚度、摻雜濃度、高斯態、帶尾態以及界面態對MoS2/SnS異質結太陽能電池性能的影響。通過一系列模擬優化設計后得出：該結構太陽能電池的SnS吸收層最佳厚度為2 μm，最佳摻雜濃度為1.0×1015cm-3，優化后的太陽能電池開路電壓為0.88 V，短路電流為33.4 mA/cm2，填充因子為85.4%，轉換效率為24.87%，與SnS理論光電轉換效率非常接近。模擬發現：高斯缺陷態在濃度低于1.0×1015cm-3時，對電池性能影響較弱，帶尾缺陷態濃度要高于1.0×1019cm-3·eV-1時，才會影響太陽能電池性能；而界面缺陷態密度超過1.0×1012cm-2時，會嚴重影響太陽能電池性能；并且各種缺陷中界面缺陷態對其性能影響最嚴重。這些模擬結果有助于了解SnS基太陽能電池轉換效率低下的原因，并為實驗制備該種電池提供很好的理論參考。