本征緩沖層厚度對納米硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的影響

郭群超， 劉 陽

(上海電機學(xué)院 電氣學(xué)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(zhì)結(jié)太陽電池后[1-2]，世界各地又掀起了一場異質(zhì)結(jié)太陽電池研究的浪潮[3-8]。常規(guī)異質(zhì)結(jié)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(yōu)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(jié)構(gòu)[9-12]，其構(gòu)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(shù)量納米尺寸的硅晶粒。這部分納米晶粒產(chǎn)生了所謂的量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)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(zhì)結(jié)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(tài)密度對納米硅(nc-Si:H)/晶體硅(c-Si)異質(zhì)結(jié)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(tài)對異質(zhì)結(jié)太陽電池的消極影響。

1 實驗基礎(chǔ)

1.1 wxAMPS與AMPS-1D軟件的區(qū)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(xù)性方程和空穴連續(xù)性方程分別得出電子準(zhǔn)費米能級、空穴準(zhǔn)費米能級和電勢，而后再由電子準(zhǔn)費米能級、空穴準(zhǔn)費米能級和電勢出發(fā)，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(chǔ)上又添加了兩種隧穿電流模型，并且重寫了程序內(nèi)核，改進了求解算法，開發(fā)了wxAMPS軟件。這款軟件的性能更加穩(wěn)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(xué)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(yōu)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(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

此異質(zhì)結(jié)電池器件結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖

1.3 本征緩沖層參數(shù)設(shè)置

影響異質(zhì)結(jié)器件最大的問題是界面的缺陷態(tài)。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(tài)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(jié)果與分析

2.1 界面態(tài)密度對光伏特性的影響

在異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，由于材料內(nèi)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(tài)。在此采用wxAMPS軟件研究了界面態(tài)缺陷密度對納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)電池性能的影響。圖2為界面密度在1010～1014cm-2范圍內(nèi)，納米硅(nc-Si:H)/晶體硅(c-Si)異質(zhì)結(jié)太陽電池的主要性能參數(shù)變化。

表2 nc-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 本征納米晶硅緩沖層(buffer層)缺陷參數(shù)范圍

由圖2可知：當(dāng)界面態(tài)密度在5×1010～5×1012cm-2時，電池性能基本不變化。當(dāng)界面態(tài)密度超過6×1012cm-2，隨著界面態(tài)密度增加電池的性能快速下降；當(dāng)界面態(tài)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(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率從22.3%跌至14%；當(dāng)界面態(tài)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(zhuǎn)換效率下降至僅有2.5%?？梢?，當(dāng)界面態(tài)密度保持在1×1011cm-2以下時，對該異質(zhì)結(jié)電池的影響可忽略；然而界面缺陷態(tài)密度達到或超過1×1013cm-2時，對該異質(zhì)結(jié)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(guān)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(fù)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(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)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(zhì)結(jié)太陽電池沉積過程中，應(yīng)該采取措施盡量減小界面態(tài)密度。實際生產(chǎn)中可采用增加表面處理工序來降低界面態(tài)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(tài)密度的影響是否有效。

在nc-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池中，設(shè)定界面態(tài)密度為8×1012cm-2，保持P-nc-Si:H窗口層和單晶硅層的參數(shù)不變，在兩層之間插入一層本征納米硅(參數(shù)設(shè)定見表3)。圖3所示為該異質(zhì)結(jié)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(chǔ)電池光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化率又逐步減小了。尤其是當(dāng)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(zhuǎn)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(nèi)厚度的本征納米緩沖層能夠有效抵消界面態(tài)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(tài)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(zhì)結(jié)電池外量子效率和光譜響應(yīng)圖。

圖4 不同本征層厚度的異質(zhì)結(jié)電池外量子效率

圖5 不同本征層厚度的異質(zhì)結(jié)電池的光譜響應(yīng)

圖6為不同緩沖層厚度的異質(zhì)結(jié)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(yīng)下降趨勢更加明顯。

圖6 不同緩沖層厚度的異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)電池相對于無緩沖層的電池短波響應(yīng)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(tài)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(yīng)反而越差。分析認為，緩沖層過厚導(dǎo)致電池內(nèi)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(dāng)?shù)募{米緩沖層厚度可提高異質(zhì)結(jié)電池的效率，但不宜過厚。該結(jié)論與韓兵等[19]對微晶硅/晶體硅HIT電池的計算結(jié)果相似，只是緩沖層厚度范圍有所不同。

3 結(jié) 論

采用wxAMPS軟件對nc-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池進行了模擬計算。分析發(fā)現(xiàn)，界面態(tài)密度超過1×1013cm-2時，將會嚴(yán)重影響該異質(zhì)結(jié)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(tài)密度的影響，提高nc-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)電池的效率，但如果緩沖層厚度過厚會適得其反。