雙面HIT太陽(yáng)能電池的模擬優(yōu)化

張王飛，劉淑平

(太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 30024)

社會(huì)在快速發(fā)展消耗了大量的不可再生資源，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以現(xiàn)在的首要任務(wù)是尋找和開發(fā)新能源。新型的可再生能源中，太陽(yáng)能儲(chǔ)量無限，零污染和覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，為了利用太陽(yáng)能，太陽(yáng)能電池的應(yīng)運(yùn)而生。太陽(yáng)能電池能的原理是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，且零污染。太陽(yáng)能電池經(jīng)過漫長(zhǎng)發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是提高太陽(yáng)能電池的性能仍然是很大的難題。

日本Sanyo公司在1994年制作出了轉(zhuǎn)化效率超過20%的“HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer)”異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。因?yàn)檫@種太陽(yáng)電池把一層很薄的本征非晶硅層插入在了吸收區(qū)和發(fā)射極之間，以此來鈍化異質(zhì)結(jié)的界面，所以他能同時(shí)實(shí)現(xiàn)pn結(jié)和優(yōu)異的表面鈍化，從而達(dá)到高效效果[1]。影響太陽(yáng)電池效率的有背場(chǎng)、本征層、發(fā)射層、能帶補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)等內(nèi)部條件外，還有溫度、光照強(qiáng)度等外部條件。

因此本文用AFORS-HET軟件先對(duì)雙面HIT太陽(yáng)電池進(jìn)行模擬優(yōu)[2]，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，得出雙面HIT太陽(yáng)能電池的性能最高。詳細(xì)分析了太陽(yáng)能電池各層的參數(shù)對(duì)電池效率的影響。并優(yōu)化了雙面HIT各個(gè)參數(shù)的數(shù)值。

1 電池結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)模型

雙面HIT太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。以a-Si(n)為窗口層、a-Si(i)為本征層、c-Si:(p)襯底為吸收層、pm-Si(p+)為薄膜背場(chǎng)。各層所采用的部分參數(shù)如表一所示。可變參數(shù)外這些參數(shù)除了，其他的都采用軟件的默認(rèn)值。另外參照文獻(xiàn)[3]中關(guān)于缺陷態(tài)參數(shù)對(duì)各層缺陷態(tài)進(jìn)行如下設(shè)置。

對(duì)于晶體硅的缺陷設(shè)置，取其為無帶尾態(tài)，體內(nèi)氧空位缺陷密度為1×1011cm-3，對(duì)應(yīng)能量位置在帶隙內(nèi)離價(jià)帶頂0.94 eV處。非晶硅具有Urbach帶尾，a-Si(n)層中，導(dǎo)帶和價(jià)帶特征能量分別為0.033 eV 和0.064 eV；a-Si(i)層中，價(jià)帶特征能量為0.041 eV和和導(dǎo)帶特征能量0.036 eV；pm-Si(p+)層中，價(jià)帶和導(dǎo)帶特征能量分別為0.079 eV和0.033 eV.

其中，對(duì)a-Si(n)，取類施主缺陷態(tài)密度為1×1020cm-3，高斯峰峰值能量(離價(jià)帶頂?shù)哪芰?為0.44 eV，峰值半寬為0.21 eV，取類受主缺陷態(tài)密度為5×1020cm-3，高斯峰峰值能量為0.63 eV，峰值半寬為0.25 eV；對(duì)a-Si(i)，其缺陷太較低時(shí)對(duì)異質(zhì)界面具有良好的鈍化作用，故取類施主缺陷態(tài)密度為1×1016cm-3，高斯峰峰值能量為0.89 eV，峰值半寬為0.144 eV，類受主缺陷態(tài)密度為1×1016cm-3，高斯峰峰值能量為1.08 eV，峰值半寬為0.134 eV.對(duì)pm-Si(p+)，取類施主缺陷態(tài)密度為1×1019cm-3，高斯峰峰值能量為1.15 eV，峰值半寬為0.24 eV，類受主缺陷態(tài)密度為1×1020cm-3，高斯峰峰值能量為1.15 eV，峰值半寬為0.24 eV[4]；忽略界面態(tài)在模擬過程中的影響，取理想情況,AM1.5，0.1 W/cm3，并假定太陽(yáng)電池表面的反射率為0.1，背面發(fā)射率為1.

圖1 太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1 Schematic diagram of solar cell structure

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 不同結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池

如表2所示，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比中，雙面HIT太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)最高，尤其是開路電壓和轉(zhuǎn)化效率，開路電壓提高了將近150 mV，轉(zhuǎn)化效率提高了近9%[5].所以，相對(duì)于n-p結(jié)構(gòu)和HIT結(jié)構(gòu)，雙面HIT結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率更高，電池電池性能更好。

表1 電池結(jié)構(gòu)參數(shù)
Tab.1 Parameters for cell structure

參數(shù)a-Si(n)a-Si(i)c-Si:(p)pm-Si(p+)厚度/nm533×105可調(diào)介電常數(shù)11.911.911.911.9電子親和勢(shì)/eV3.93.94.053.9帶隙/eV1.741.741.12可調(diào)光學(xué)帶隙/eV1.741.741.121.74有效導(dǎo)帶密度/cm-31×10201×10202.8×10191×1020有效價(jià)帶密度/cm-31×10201×10201.04×10191×1020電子遷移率/cm-2·V-1·s-15510415空穴遷移率/cm-2·V-1·s-1114121受主摻雜濃度/cm-3001.5×1016可調(diào)施主摻雜濃度/cm-32.5×1019000電子熱速度/cm·s-11×1071×1071×1071×107空穴熱速度/cm·s-11×1071×1071×1071×107層密度/g·cm-32.3282.3282.3282.328電子俄歇復(fù)合系數(shù)/cm-6·s-1002.2×10-310空穴俄歇復(fù)合系數(shù)/cm-6·s-1009.9×10-320帶間復(fù)合系數(shù)/cm-6·s-10000

表2 不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池
Tab.2 Solar cells with different structures

性能參數(shù)開路電壓/mV短路電流填充因子/%轉(zhuǎn)化效率/%np652.338.5383.1920.91npp+78341.0787.0727.36nipip+79342.2887.7829.17

由圖2可以明顯看出，雙面HIT結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，電壓電流與橫縱坐標(biāo)所圍成的面積最大，效率最高。

圖2 三種結(jié)構(gòu)I-V曲線
Fig.2 I-V curves of three kinds of structure

2.2 發(fā)射層對(duì)電池性能影響

圖3為發(fā)電池性能與射層厚度的變化關(guān)系。隨著厚度的增加，電池各個(gè)參數(shù)降低。對(duì)于np結(jié)構(gòu)，高摻雜帶來的缺陷與載流子的復(fù)合幾率隨著發(fā)射層厚度的增加的增大，致使到達(dá)空間電荷的載流子數(shù)量減少，載流子收集幾率降低；并且發(fā)射層厚度增加變相的增加了電池的串聯(lián)電阻[6]。所以造成了短路電流降低，填充因子，電池的轉(zhuǎn)化效率下降。綜上，發(fā)射層的厚度應(yīng)該保持在3 nm～5 nm.

圖4為發(fā)射層濃度與電池性各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系圖?？梢钥闯霭l(fā)射層摻雜濃度在1018cm-3之前，各項(xiàng)參數(shù)隨著摻雜濃度的增加而提高，之后電池各參數(shù)基本不變。內(nèi)建電勢(shì)雖然由于重?fù)诫s濃度提高而增大，但同時(shí)，造成了暗電流的增加，缺陷態(tài)也大量增加[7]。所以之后的電池各項(xiàng)參數(shù)會(huì)達(dá)到一種平衡保持不變。

圖3 發(fā)射層厚度對(duì)電池性能影響
Fig.3 The effects of the emission layer thickness on the performances of cell

圖4 發(fā)射層濃度對(duì)電池性能影響
Fig.4 The influences of the emission layer doping concentration on the performances of cell

2.3 本征層對(duì)電池性能影響

圖5中可以看出，開路電壓保持不變外，電池的轉(zhuǎn)化效率、填充因子和短路電流都在隨著本征層厚度的增加而逐漸降低。這是因?yàn)檫^厚的本征層會(huì)造成電場(chǎng)強(qiáng)度下降，從而載流子穿過結(jié)區(qū)受到影響，短路電流填充因子和轉(zhuǎn)化效率降低了。本征層其厚度不能過厚，造成材料的浪費(fèi)增加成本[8]。綜合到現(xiàn)在的技術(shù)，本征層厚度控制在3 nm最佳。

圖5 本征層厚度對(duì)電池性能影響
Fig.5 The effects of the intrinsic layer thickness on the performances of cell

2.4 背場(chǎng)對(duì)電池性能影響

從圖6可以看出，有了背場(chǎng)背場(chǎng)的I-V曲線與坐標(biāo)軸的面積更大，即電池總功率增大。表3說明，增加了背場(chǎng)電池的轉(zhuǎn)化效率提升了將近8.5%.

增加背場(chǎng)能夠提高電池性能主要原因是背場(chǎng)的增加形成了背電場(chǎng)，背電場(chǎng)的方向與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，從而提高了開路電壓Voc.因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高[5]。

表3 有無背場(chǎng)
Tab.3 Back field

性能參數(shù)開路電壓/mV短路電流/mA/cm2填充因子/%轉(zhuǎn)化效率/%無背場(chǎng)652.338.683.1920.91有背場(chǎng)79442.187.7828.51

圖6 有無背場(chǎng)時(shí)I-V曲線
Fig.6I-Vcurves of back field of structure

2.4.1 薄膜硅背場(chǎng)帶隙對(duì)太陽(yáng)電池影響

對(duì)于不同的帶隙材料，我們很難把其所有的光電參數(shù)精準(zhǔn)的給出來。所以選擇特定的集中作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選擇帶隙Eg的變化范圍在1.2～1.8 eV，盡可能覆蓋從微晶硅到非晶硅等各種形態(tài)的薄膜硅材料[9]。

由圖7(a)可知，在同一種背場(chǎng)帶隙下(以1.6 eV為例)，電池的填充因子逐漸提高隨著摻雜濃度的提高。在一定的摻雜濃度下(1018cm-3)，隨著背場(chǎng)帶隙的增加，填充因子也逐漸增大。而背場(chǎng)帶隙在高濃度摻雜時(shí)對(duì)填充因子的影響很小。

由圖7(b)可知，在同一種背場(chǎng)帶隙下(以1.6eV為例)，隨著摻雜濃度的提高，電池的轉(zhuǎn)化效率逐漸提高。在一定的摻雜濃度下(1018cm-3)，隨著背場(chǎng)帶隙的增加，轉(zhuǎn)化效率也逐漸增大。

圖7(b)中當(dāng)摻雜濃度NB≥19cm-3時(shí)，背場(chǎng)帶隙1.6 eV,1.74 eV和1.8 eV的電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到28.5%.而帶隙為1.4 eV和1.3 eV要在1×1021cm-3和1×1023cm-3才能達(dá)到。

從上可知，之所以不能選擇窄帶隙薄膜硅材料作為電池背場(chǎng)，是因?yàn)檎瓗侗∧す璨牧献鰹楸硤?chǎng)要達(dá)到最佳背場(chǎng)效果要很高的摻雜濃度，而從文獻(xiàn)[3]中可以知道，影響非晶硅背場(chǎng)的原因是導(dǎo)帶失配，ΔEc和價(jià)帶失配ΔEv越大，ΔEv越小，背場(chǎng)效果越好。(ΔEc=Δx,ΔEv=ΔEg-Δx).

圖7 填充因子、轉(zhuǎn)化效率、開路電壓與短路電流
Fig.7 Filling factor、 Conversion efficiency、Open circuit voltage、 Short-circuit current

所以不是帶隙越寬越好，帶隙越寬，ΔEc越大ΔEv也會(huì)變大，但是越來越大的ΔEv帶來的負(fù)面效果也越來越明顯。

綜上所述，在NB51×1019cm-3時(shí)，帶隙1.6～1.8 eV的寬帶隙薄膜硅材料更適合作為雙面HIT太陽(yáng)電池的背場(chǎng)[10]。

3 結(jié)論

采用AFORS-HET模擬軟件對(duì)雙面HIT結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的不同結(jié)構(gòu)，發(fā)射層，本征層，背場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化。結(jié)果表明：雙面HIT太陽(yáng)能電池的性能最高。發(fā)射層的厚度應(yīng)該在3～5 nm，摻雜濃度在1018cm-3；本征層最佳厚度在3 nm，且本征層能夠提高電池效率；背場(chǎng)對(duì)電池性能的提升有明顯作用，能大幅度提升電池的效率，背場(chǎng)摻雜濃度NB≥1×1019cm-3帶隙在1.6～1.8 eV范圍內(nèi)時(shí)的材料比較適合作為電池的背場(chǎng)。雙面HIT太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率理論可以到29.17%，具有很高的應(yīng)用前景和研究意義很高[11]。