利用AMPS對N型襯底上雙面HIT太陽電池的模擬優(yōu)化

張研研，王宇航，路鈺清，王義正，王 月

(渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

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利用AMPS對N型襯底上雙面HIT太陽電池的模擬優(yōu)化

張研研，王宇航，路鈺清，王義正，王 月

(渤海大學(xué) 新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

運(yùn)用AMPS-1D軟件對TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)/TCO雙面HIT異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽電池進(jìn)行仿真，分析其光伏特性隨本征層厚度、界面缺陷態(tài)密度以及窗口層摻雜濃度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：本征層雖有降低界面缺陷態(tài)密度的積極作用，但也有引起光學(xué)損失的負(fù)面影響，故本征層厚度的設(shè)計(jì)要兼顧二者的影響；窗口層摻雜濃度越高，太陽電池的開路電壓越高，短路電流密度越低，其中短路電流密度的降低可用窗口層中的電場分布進(jìn)行很好的解釋。

太陽電池；本征層厚度；摻雜濃度

目前，傳統(tǒng)的化石能源日益枯竭，且燃燒傳統(tǒng)的化石能源污染環(huán)境，導(dǎo)致許多城市出現(xiàn)不同程度的霧霾，因此開發(fā)可再生的清潔能源迫在眉睫。太陽能作為清潔能源具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，而太陽電池則是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的核心器件。研究太陽電池的主要目的是在提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，降低太陽電池的成本。帶有本征層的非晶硅/單晶硅太陽電池(HIT太陽電池)其使用的單晶硅材料比單晶硅電池少，有利于降低電池成本，且其轉(zhuǎn)換效率很高，受到了世界廣泛關(guān)注。日本三洋公司生產(chǎn)的雙面HIT太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率已達(dá)25.6%[1]。我國在此方面的研究成果與日本三洋公司相比還存在較大差距[2]，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

界面缺陷態(tài)對雙面HIT太陽電池的性能影響較大，需要本征非晶硅進(jìn)行鈍化。柳琴等[3]在實(shí)驗(yàn)中測試了本征非晶硅厚度對太陽電池性能的影響。本文將模擬有無本征層時(shí)界面缺陷態(tài)對雙面HIT太陽電池性能的影響，以及在界面缺陷態(tài)為定值時(shí)本征層厚度對電池性能的影響。任丙彥、Wang Lisheng等[4-6]分別模擬了窗口層的厚度、摻雜濃度以及能帶失配對太陽電池性能的影響。本文將模擬分析在不同前接觸勢壘的條件下，窗口層的摻雜濃度對太陽電池性能的影響，并利用窗口層的電場分布很好地解釋此影響。美國濱州大學(xué)研發(fā)的AMPS-1D(analysis of Microelectronic and Photonic Structures)模擬軟件，運(yùn)算結(jié)果準(zhǔn)確且不易發(fā)散，故本文將采用該軟件進(jìn)行模擬，同時(shí)也借鑒了AFORT-HET(automat for simulation of hetero-structure)軟件部分先進(jìn)的功能。

1 器件和材料物理參數(shù)模型

本文模擬的雙面HIT太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用AMPS軟件在態(tài)密度(DOS)的模式下進(jìn)行模擬。此模式下，半導(dǎo)體電子態(tài)分為導(dǎo)帶、價(jià)帶擴(kuò)展態(tài)，導(dǎo)帶、價(jià)帶帶尾定域態(tài)以及隙間定域態(tài)。帶尾定域態(tài)是由鍵角畸變產(chǎn)生的，用指數(shù)函數(shù)描述，而隙間定域態(tài)主要是由結(jié)構(gòu)缺陷如懸掛鍵等造成。這里非晶硅的隙間定域態(tài)呈雙高斯函數(shù)分布，單晶硅的隙間缺陷態(tài)采用平均分布。

圖1 雙面HIT太陽電池結(jié)構(gòu)

各層材料的參數(shù)設(shè)置主要來自參考文獻(xiàn)[7-8]，詳見表1。模擬時(shí)，光照條件設(shè)置為AM1.5、100 mW/cm2，有效波段范圍為0.3～1.1 μm。

表1 太陽電池模擬的參數(shù)設(shè)置

續(xù)表(表1)

2 結(jié)果與分析

2.1 本征層厚度對太陽電池光伏性能的影響

從圖2中可看出：模擬過程中不論是否考慮界面缺陷態(tài)，只要界面缺陷態(tài)為一定值，即不隨本征層的厚度變化而變化，則短路電流密度隨本征層厚度的增加而明顯下降，開路電壓和填充因子也有微小降低，從而導(dǎo)致太陽電池的轉(zhuǎn)換效率降低。短路電流隨本征層厚度的增加而明顯降低，其原因主要是本征非晶硅的厚度增加，導(dǎo)致進(jìn)入單晶硅吸收層的光子流，尤其是短波段的光子流減少，而非晶硅中的缺陷較多，短路電流密度主要取決于單晶硅，因此電池的短波段量子效率降低(如圖3所示)，短路電流密度隨之降低。文獻(xiàn)[3,9]中隨本征層厚度的增加電池的效率一般先增加達(dá)到峰值后降低，這是因?yàn)楸菊鲗雍穸鹊脑黾逾g化了電池的界面缺陷態(tài)，但當(dāng)界面缺陷態(tài)密度降到定值后，實(shí)驗(yàn)顯示隨著本征層厚度的增加，電池的效率反而降低，故設(shè)計(jì)本征層時(shí)要綜合考慮本征層降低界面復(fù)合的積極作用和引起光學(xué)損失的負(fù)面影響，即在達(dá)到良好鈍化效果前提下，本征層越薄越好。在模擬過程中，設(shè)置參數(shù)時(shí)，如果設(shè)置界面缺陷態(tài)隨著本征層厚度的增加而變化，則會出現(xiàn)與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同形狀的轉(zhuǎn)換效率曲線；如果保持界面缺陷態(tài)是定值，則應(yīng)得到實(shí)驗(yàn)中電池效率曲線的后半段，即隨著本征層厚度的增加電池的效率反而降低。因此，本文的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[3,9]中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，同時(shí)也說明在模擬本征層厚度對電池性能影響時(shí)，一定要先闡明界面缺陷態(tài)的參數(shù)設(shè)置情況。

2.2 界面缺陷態(tài)對太陽電池光伏性能的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[10]報(bào)道，有本征層鈍化時(shí)界面缺陷態(tài)密度的變化范圍為5×109～5×1012cm-2，無本征層時(shí)其變化范圍為5×1011～5×1013cm-2。本文按照上述變化范圍模擬了有無本征層(有本征層時(shí)其厚度保持4 nm不變)時(shí)界面缺陷態(tài)對太陽電池性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖2 有無界面缺陷態(tài)時(shí)本征層厚度對電池性能的影響

圖3 不同本征層厚度時(shí)的量子效率

圖4 有無本征層時(shí)界面缺陷態(tài)對電池性能的影響

從圖4中可看出：總體來說，無論是否考慮本征層，界面缺陷態(tài)密度越大，電池的開路電壓越低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低。開路電壓降低的原因是界面缺陷態(tài)密度越大光生載流子復(fù)合幾率就越大。如圖5所示：在9～10 nm的界面處，界面缺陷態(tài)為5×1011cm-2時(shí)的載流子復(fù)合率明顯高于界面缺陷態(tài)為5×109cm-2時(shí)的載流子復(fù)合率。光生載流子復(fù)合幾率越大，則反向飽和電流增加，由式(1)[11]可知開路電壓降低。

(1)

當(dāng)界面缺陷態(tài)密度低于5×1011cm-2時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率較高，本征層起到了良好的鈍化作用。當(dāng)界面缺陷態(tài)密度介于(5×1011～5×1012)cm-2時(shí)，沒有本征層的電池轉(zhuǎn)換效率反而超過了有本征層的電池效率，其原理同本文2.1節(jié)中所述，再次證明了2.1節(jié)中的結(jié)果，即對于相同的界面缺陷態(tài)密度，本征層越薄越好。當(dāng)界面缺陷態(tài)密度高于5×1012cm-2時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率明顯降低；當(dāng)界面缺陷態(tài)密度達(dá)到5×1013cm-2時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率已趨近于0，電池已不能正常工作。

2.3 窗口層摻雜濃度對太陽電池光伏性能的影響

除窗口層摻雜濃度會影響太陽電池的轉(zhuǎn)換效率外，前接觸勢壘也會對電池效率產(chǎn)生影響。因此，本文模擬了不同前接觸勢壘時(shí)，窗口層摻雜濃度對太陽電池的影響。前接觸為平帶即指電池前端的TCO與發(fā)射層P型非晶硅之間沒有接觸勢壘，若在發(fā)射層摻雜濃度變化的情況下保持平帶，則AMPS中前接觸勢壘(即前接觸處導(dǎo)帶與費(fèi)米能級間的能量差)參數(shù)的設(shè)定值要隨之變化。借助AFORT-HET軟件前接觸保持平帶的功能，確定了當(dāng)發(fā)射層摻雜濃度不同時(shí)前接觸勢壘的設(shè)定值，如表2所示。本文分別模擬了前接觸勢壘保持1.51、1.67 eV不變以及前接觸為平帶條件下窗口層摻雜濃度對太陽電池光伏性能的影響，如圖6所示。從圖中可看出：無論前接觸勢壘為何值，窗口層的摻雜濃度越高，電池的開路電壓和填充因子越大，這主要是因?yàn)镻型非晶硅的摻雜濃度越高，其費(fèi)米能級越接近價(jià)帶，則與n型單晶硅形成pn結(jié)時(shí)，接觸電勢差越大，則開路電壓越大。據(jù)經(jīng)驗(yàn)式(2)[11]可知：填充因子則隨著開路電壓的增加而增加。

(2)

圖5 不同界面缺陷態(tài)密度時(shí)載流子的復(fù)合

圖6 不同前接觸勢壘條件下窗口層摻雜濃度對太陽電池光伏性能的影響

從圖6可以看出：窗口層的摻雜濃度越高，電池短路電流密度的整體趨勢為下降，尤其是前接觸勢壘保持1.67 eV不變時(shí)，沒有出現(xiàn)任何拐點(diǎn)。圖7為前接觸勢壘保持1.67 eV不變時(shí)太陽電池中的電場分布，可說明電流下降的原因。HIT太陽電池的窗口層為P型重?fù)诫s非晶硅，其缺陷濃度很高，載流子較容易復(fù)合，很難靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被前電極收集，主要靠電場驅(qū)使的漂移運(yùn)動(dòng)被收集。AMPS軟件中電場的正方向?yàn)镻區(qū)指向N區(qū)，故窗口層里負(fù)方向內(nèi)建電場的絕對值越大，越有利于前電極收集空穴，反之則不利于載流子的收集。圖7中，當(dāng)窗口層摻雜濃度是1×1019cm-3時(shí)，5 nm 厚窗口層中的電場基本上都為負(fù)方向，有利于空穴被前電極收集，故短路電流較大。當(dāng)窗口層摻雜濃度是5×1019cm-3時(shí)，5 nm窗口層中的電場有正有負(fù)，正方向的電場不利于載流子的收集，而負(fù)方向的電場絕對值較小，故其短路電流密度低于摻雜濃度是1×1019cm-3時(shí)的短路電流密度。窗口層摻雜濃度是1×1020cm-3時(shí)，其正方向電場的絕對值最大，而負(fù)方向電場的絕對值最小，故其短路電流密度低于摻雜濃度為5×1019cm-3時(shí)的短路電流密度。其他摻雜濃度雖沒一一列舉，但同理可知：窗口層的摻雜濃度越大，在電場的影響下，電池的短路電流密度越低。而圖6中，當(dāng)前接觸勢壘保持1.51 eV不變時(shí)，短路電流在摻雜濃度是1×1020cm-3處出現(xiàn)拐點(diǎn)，這主要是因?yàn)?如圖8所示)當(dāng)摻雜濃度是1×1020cm-3時(shí)，在窗口層大于2 nm厚度處，其正方向電場的值開始低于摻雜濃度是5×1019cm-3時(shí)電場的值，因此短路電流在摻雜濃度是1×1020cm-3時(shí)反而升高。前接觸為平帶時(shí)的短路電流密度變化情況可以用同樣的方法進(jìn)行分析。從圖6還可看出：前接觸勢壘值越大，電池的短路電流越大，其原因不再詳述，可參考文獻(xiàn)[12]。

圖7 前接觸勢壘為1.67 eV時(shí)的電場分布

窗口層摻雜濃度/cm-31×10185×10181×1019前接觸勢壘/eV1.511.621.67窗口層摻雜濃度/cm-35×10191×10205×1020前接觸勢壘/eV1.741.761.81

圖8 前接觸勢壘為1.51 eV時(shí)的電場分布

3 結(jié)束語

本文通過美國濱州大學(xué)研發(fā)的AMPS軟件模擬了本征層厚度、界面缺陷態(tài)密度以及窗口層摻雜濃度對N型襯底上雙面HIT異質(zhì)結(jié)太陽電池光伏性能的影響。模擬結(jié)果顯示：在界面缺陷態(tài)不變的情況下，隨本征層厚度的增加，電池的短路電流密度降低，電池效率下降，說明本征層既有降低界面缺陷態(tài)密度的積極作用，但也有引起光學(xué)損失的負(fù)面影響，故本征層厚度的設(shè)計(jì)要兼顧二者的影響，即實(shí)驗(yàn)中若本征層已起到良好的鈍化效果(界面缺陷態(tài)趨于定值)，則其越薄越好。模擬還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)界面缺陷態(tài)密度高于5×1012cm-2時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率明顯降低；當(dāng)界面缺陷態(tài)密度達(dá)到5×1013cm-2時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率已趨近于0，電池已不能正常工作。最后模擬發(fā)現(xiàn)：窗口層的摻雜濃度越高，電池的開路電壓和填充因子就越大，而短路電流密度整體趨勢為降低。本文利用窗口層中電場的分布情況，很好地解釋了不同前接觸勢壘條件下短路電流密度隨摻雜濃度變化的原因。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Simulation Optimizing of Bifacial HIT Solar Cell on N-Type Substrate with AMPS

ZHANG Yan-yan, WANG Yu-hang, LU Yu-qing, WANG Yi-zheng, WANG Yue

(College of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, China)

The HIT solar cell of TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)/TCO was simulated with the software AMPS-1D. The variation laws of photovoltaic performance as functions of the thickness of the intrinsic layer，state density of interface defects, and the doping concentration of the window layer were analyzed. The simulation results show that intrinsic layer has both advantage of reducing the interface defects state density and disadvantage of causing the optical loss. Therefore, two factors should be fully considered to design the thickness of the intrinsic layer. The higher the doping concentration of the window layer, the higher the open-circuit voltage of solar cell, and the lower short-circuit current density. The reducing of short-circuit current density can be explained by the electric field distribution in the window layer.

solar cell; thickness of the intrinsic layer; doping concentration

2017-02-08 基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(LY2016002)；渤海大學(xué)校博士啟動(dòng)項(xiàng)目(0515bs023)

張研研(1980—),女，遼寧阜新人,博士研究生,講師,主要從事礦物加工工程及清潔能源方面的研究，E-mail:zhangyanyan729@163.com。

張研研，王宇航，路鈺清，等.利用AMPS對N型襯底上雙面HIT太陽電池的模擬優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(5):75-80.

format：ZHANG Yan-yan, WANG Yu-hang, LU Yu-qing, et al.Simulation Optimizing of Bifacial HIT Solar Cell on N-Type Substrate with AMPS[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):75-80.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.013

TK511.4

A

1674-8425(2017)05-0075-06