SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池中的光生載流子產(chǎn)生、復合和輸運機制研究

林碩 陳煥庭 潘華清 周錦榮 李細榮 熊傳兵 林傳金 王瑞敏 徐丹翔 翁麗麗 謝麗平 沈少武 褚佳娣

摘 要：通過理論模擬研究SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池中的光生載流子產(chǎn)生、復合和輸運機制.采用AMPS軟件中的壽命模式和俘獲截面模式，研究光生載流子的產(chǎn)生和復合，討論分立能級和Gaussian能級的復合對電池性能的影響；對電池的光照非平衡態(tài)能帶結(jié)構(gòu)、內(nèi)建電場分布和電流輸運情況進行對比分析.

關鍵詞：模擬；SnS；太陽電池；同質(zhì)結(jié)；薄膜

[中圖分類號]TN304.2 [文獻標志碼]A

The Research on the Generation， Recombination and Transport of Photocarriers in SnS Homojunction Solar Cells

LIN Shuo1*，CHEN Huanting1，PAN Huaqing2，ZHOU Jinrong1，LI Xirong1，XIONG Chuanbing1，LIN Chuanjin1，WANG Ruimin1，

XU Danxiang1，WENG Lili1，XIE Liping1，SHEN Shaowu1；CHU Jiadi1

（1.College of Physics and Information Engineering，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000，China；2.Department of Mechanical Engineering，Shangrao Vocational and Technical College，Shangrao 334109，China）

Abstract： In this work the generation， recombination and transport of photocarriers in SnS homojunction solar cells are studied by numerical simulation. The lifetime model and capture cross section model in AMPS are adopted to study the generation and recombination of photocarriers； in the capture cross section model we mainly focus on the analyses and discussions of the recombination effects of discrete levels and Gaussian levels on the performance of solar cells. In addition， the band structure under illumination， builtin electric filed and current density distribution are studied.

Key words： simulation； SnS； solar cell； homojunction； thin film

光伏發(fā)電是解決能源和環(huán)境問題的一個重要途徑，也是當今國際研究的熱點之一.近年來，正交晶系的硫化亞錫（SnS）作為一種新型的太陽能電池材料，引起科學界的廣泛關注.本研究[1]通過理論模擬的方法優(yōu)化了SnS同結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)——包括各層的厚度和摻雜濃度等——研究得到電池的最優(yōu)效率約為25.268%，其中頂層n區(qū)厚度約為50 nm，摻雜濃度為5*1015cm-3； 吸收層p區(qū)的厚度約為950 nm， 摻雜濃度為5*1016cm-3.通過理論模擬研究SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池中的光生載流子產(chǎn)生、復合和輸運機制.采用AMPS軟件中的兩種模式分析討論光生載流子產(chǎn)生和復合.

1 模擬方法

1.1 軟件和電池結(jié)構(gòu)

AMPS1D 軟件[2]基于第一性原理、半導體和太陽電池基本方程：電子連續(xù)性方程、空穴連續(xù)性方程和泊松方程.AMPS首先從這三個方程出發(fā)，得到三個狀態(tài)變量——電子準費米能級、空穴準費米能級和電勢；再由這三個狀態(tài)變量出發(fā)，得到太陽電池的一系列特性.

實驗選取p型SnS薄膜做為SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池的基區(qū)材料.圖1是模擬采用的SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu).為了簡化計算，電池前表面的反射系數(shù)設為13%[3]，后表面的反射系數(shù)設為100%.筆者采用兩種模式分析光生載流子產(chǎn)生和復合：一種是壽命模式（lifetime model）即通過輸入少子壽命分析光生載流子的復合；另一種是態(tài)密度模式（density of states model）或稱俘獲截面模式（capture cross section model）， 通過輸入帶隙態(tài)的態(tài)密度和俘獲截面分析光生載流子的復合.在俘獲截面模式模擬中，考慮兩種類型的雜質(zhì)或缺陷能級，即施主型的分立能級和施主型的Gaussian能級.為了模擬最大復合作用，假設這些能級都位于SnS的禁帶（Eg=1.31 eV）中央，見圖2.

1.2 模擬采用的材料和器件參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 電池合適的總厚度

實驗通過模擬電池的光吸收計算電池合適的總厚度.根據(jù)光吸收定律，單色光的強度隨著穿透深度的增加呈指數(shù)衰減，薄膜吸收的光子數(shù)會快速增加并趨于飽和.寬光譜的太陽光也具有類似的關系.計算各種厚度SnS薄膜在AM1.5 G 光譜（100 mWcm-2， 0.32～1.32 μm）下的吸收，發(fā)現(xiàn)總厚度為1 000 nm的SnS薄膜可以吸收959%的入射光，如圖3所示，因此，選定SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池的厚度為 1 000 nm.

2.2 優(yōu)化的SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池的光電特性

經(jīng)過模擬優(yōu)化后的SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池的電流電壓（JV）特性可見參考文獻[1]，其中電池的效率、Voc、Jsc 和FF分別為25.268 %， 0.985 V， 29.313 mA/cm2和0.876.模擬的SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池的光伏性能遠高于其他實驗報導的結(jié)果.模擬未考慮以下因素：電池表面電極的反射、電極接觸勢壘、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等.因此該模擬的SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池相是比較理想化的電池，但模擬的結(jié)果對SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池的分析仍很有幫助.采用AMPS軟件的壽命模式（lifetime model）進行模擬，因此，SnS薄膜中的缺陷態(tài)對光生載流子的復合效應已經(jīng)考慮在模擬之中.

2.3 太陽電池中光生載流子的產(chǎn)生和復合

圖4是SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池光產(chǎn)生率圖像.從圖4可以看出， 光生載流子產(chǎn)生率在表面處約1.15*1022 cm-3，而后以指數(shù)規(guī)律下降，滿足光吸收規(guī)律（朗伯定律）.

在SnS薄膜的諸多材料參數(shù)中，少子壽命和表面復合速率對電池的性能具有至關重要的影響.從目前研究結(jié)果來看，SnS薄膜的少子壽命和表面復合速率的實驗數(shù)據(jù)有較大的爭議，數(shù)值在較大范圍內(nèi)變動.[56]首先，采用AMPS中的壽命模式研究電池的性能隨少子壽命和表面復合速率變化的關系.圖5是電池的效率隨少子壽命和表面復合速率變化的關系（詳細分析的結(jié)果可見參考文獻[1]）.從圖5中可以看出，電池的效率η對少子壽命比較敏感，且隨著少子壽命的減少而降低.降低少子壽命意味著電池內(nèi)部的復合增加，少子的擴散長度降低.當表面復合速率為2*104 cm/s時，少子壽命從8*10-7 s降低到1*10-11 s， 效率從25.268%降低到5106%； 當表面復合速率為1*107 cm/s時，少子壽命從8*10-7 s降低到1*10-11 s， 效率從19.854%降低到5066%.因此，想增大薄膜的少子壽命，提高薄膜的晶體質(zhì)量就顯得特別重要.電池的性能參數(shù)也隨著表面復合速率的增大而降低，增大的表面復合速率意味著電池在表面的復合增大了.從圖5中還可看出，當少子壽命極小時（<10-10 s）電池的效率隨表面復合速率的變化已不明顯；當少子壽命極大時（>10-7 s）電池的效率隨少子壽命的增大逐步趨于飽和.

采用俘獲截面模式對電池的雜質(zhì)或缺陷能級復合作用進行模擬.考慮兩種類型雜質(zhì)或缺陷能級：施主型的分立能級和施主型的Gaussian能級，見圖2.此時，讓表面復合速率Sn=Sp=2*104 cm/s.圖6是僅含施主型的分立能級時，電池的效率隨深能級濃度和俘獲截面變化的關系.從圖6可以看出，當俘獲截面σ比較小時（10-15～10-16 cm-2），電池的效率隨深能級濃度降低很不明顯；當俘獲截面為10-13 cm-2時，效率為原來的25.387%（深能級濃度N=0，不考慮深能級復合），降低到21.114%（N=1015 cm-3）.對比前面壽命模式的模擬，此時對應的少子壽命約在10-8～10-6s之間.對比實驗報導的實際太陽電池的效率<5%，可以推斷SnS電池中的復合機制或能量損失機制不單純是深能級中心的復合，還包含更加復雜的復合機制和能量損失機制.圖7是僅含施主型的Gaussian能級時，電池的效率η、開路電壓Voc、短路電流Jsc和填充因子FF隨深能級濃度和俘獲截面變化的關系.從圖7可以看出，相對于分立能級，Gaussian能級對電池的性能參數(shù)（η，Voc，Jsc和FF）均有較大的影響，尤其當Gaussian能級的總態(tài)密度比較高時（N=1016～1017 cm-3），各性能參數(shù)下降比較明顯，尤其當俘獲截面σ比較大10-15 ～10-13cm-2、總態(tài)密度為1017cm-3時，電池的效率幾乎降為零.模擬過程中還發(fā)現(xiàn)，當Gaussian能級的總態(tài)密度保持不變時，電池的各性能參數(shù)不受Gaussian能級的半高寬（full width at half maximum， FWHM）影響，保持不變.SnS中的施主型Gaussian能級可能由一些施主型雜質(zhì)或缺陷引入.

實際上，在SnS電池中可能還包含著其他更加復雜的復合機制.比如SnS薄膜多數(shù)以多晶形式存在.SnS中的晶粒大小和晶界數(shù)量對電池有較大的影響，因此SnS薄膜中多晶界面對光生載流子的復合作用也是非常重要的.此外，在SnS多晶中還很容易在禁帶內(nèi)引入背景態(tài)分布，如V型態(tài)分布（Urbach尾態(tài)）和U型態(tài)分布（在V型態(tài)分布基礎上加上常數(shù)態(tài)分布），這些都對光生載流子有重要的

2.4 太陽電池的能帶結(jié)構(gòu)和電流輸運

圖8是SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池在最大功率點（V=0.89 V）的能帶結(jié)構(gòu).在非平衡態(tài)，原平衡態(tài)的費米能級分裂成電子準費米能級（EFn）和空穴準費米能級（EFp）.其中，EFn 和EFp分別在0.9 eV和0 eV附近，實際上是位置坐標的函數(shù)，隨著電池的厚度變化而改變.整個能帶的能量顯示范圍比較寬（-4e～12e V）， 所以EFn 和EFp在圖中變化不明顯，近似為一條水平線.圖9是電池的內(nèi)建電場分布.由于在模擬過程中，電池的前后表面接觸（front contact和back contact）假設是理想歐姆接觸，所以在電池的前后電極位置具有較強的內(nèi)建電場.另外，在pn結(jié)的結(jié)區(qū)附近（～50 nm），由于能帶彎曲，內(nèi)建電場具有一個小的峰值.電池的內(nèi)建電場分布和能帶結(jié)構(gòu)是對應的，二者之間是導數(shù)關系.

圖10是電池在最大功率點（V=0.89 V）的電流分布圖.隨著厚度的增加，電子電流密度Jn從前表面～28 mA逐步減少到后表面的0 mA，空穴電流密度Jp從前表面的～0 mA逐步增大到后表面～28 mA.總電流密度J=Jn+Jp=28 mA，在整個電池區(qū)域保持恒定不變，遵循電流連續(xù)性方程.電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp和能帶結(jié)構(gòu)中的準費米能級存在如下關系：Jn=nqμnd EFn/dx， Jp=pqμpd EFp/dx.根據(jù)經(jīng)典的擴散漂移模型， 總電流密度可以表達為擴散電流密度和漂移電流密度之和，既J=J擴+J漂.這樣在圖9所示的電場強度比較大的區(qū)域以漂移電流為主，在電場強度比較小的區(qū)域以擴散電流為主.

3 結(jié)論

本文通過理論模擬研究了SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池中的光生載流子產(chǎn)生、復合和輸運機制.在壽命模式的模擬中發(fā)現(xiàn)，SnS的少子壽命和表面復合速率對電池的性能有重要影響，當少子壽命極小時（<10-10s）電池的效率隨表面復合速率的變化已不明顯；當少子壽命極大時（>10-7 s）電池的效率隨少子壽命的增大逐步趨于飽和.在俘獲截面模式的模擬中發(fā)現(xiàn)，單純的分立深能級復合對電池性能的影響并不顯著；而Gaussian能級對電池性能的影響比較顯著，當俘獲截面σ比較大10-15 ～10-13cm-2，總態(tài)密度為1017cm-3時，電池的效率幾乎降為0.研究結(jié)果表明，SnS電池中可能包含著比較復雜的復合機制.通過模擬，得到了電池的光照非平衡能帶結(jié)構(gòu)和電流密度分布，平衡態(tài)時的內(nèi)建電場分布等，分析其電池內(nèi)部的輸運機制，有助于深入認識SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池中光電轉(zhuǎn)換的微觀機制，對設計和制備SnS同質(zhì)結(jié)太陽電池可提供理論指導和幫助.

參考文獻

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編輯：琳莉