南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所 光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光電子薄膜器件與技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張曉丹 趙穎 熊紹珍

單結(jié)硅基薄膜太陽電池的Voc、Jsc與帶隙之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖48所示。由圖中可知，晶體材料基本符合Green的半經(jīng)驗(yàn)極限，據(jù)Kiess的理論數(shù)值有一個近乎平行的整體位移，而薄膜電池中多晶CdTe電池離Green極限有一定差距，而無定形非晶硅電池則差距較大，這與薄膜材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝成熟程度明顯相關(guān)。該數(shù)據(jù)對非晶硅電池的數(shù)據(jù)顯得陳舊，目前Voc達(dá)到1V并非難事。

圖48 吸收層帶隙與Voc(a)和Jsc(b)的關(guān)系

② 短路電流密度Jsc

短路下Jillum=Jph。圖48b給出了單結(jié)太陽電池短路電流密度與帶隙之間實(shí)驗(yàn)與理論計算的結(jié)果比較。其中細(xì)線是理論計算結(jié)果，數(shù)據(jù)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，粗線是擬合數(shù)據(jù)的結(jié)果。Jsc在很大程度上主要取決于對太陽光的吸收能力，而這又與構(gòu)成電池吸收層材料的帶隙密切相關(guān)。擬合Jsc的經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中，Eg以eV計。隨著帶隙展寬，太陽光譜中大于材料長波吸收限λm(λm(μm)=1.24/Eg(eV))的光子數(shù)相應(yīng)減少，Jsc也會下降。圖48給出不同帶隙材料按照精細(xì)工藝制備電池的數(shù)據(jù)結(jié)果[43]。結(jié)果表明，除單晶硅和GaAs電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論值接近外，其他薄膜電池的數(shù)據(jù)均比理論值低。結(jié)果表明，單晶硅和GaAs電池的成熟度更好，其他各類電池尚需加快工藝的成熟度，使Jsc得以提升。

限制硅基薄膜電池Jsc的影響因素有:(1)大量的光在進(jìn)入吸收層前即被反射損失，這主要來源于向光的玻璃自身的吸收和反射以及TCO/Si膜界面的反射。(2)電池吸收層太薄，不能對太陽光進(jìn)行足夠的吸收，所用的光陷阱結(jié)構(gòu)并未使光學(xué)厚度拓展到足夠程度。(3)有些被吸收層吸收的光子并未對產(chǎn)生光生電流Jph作貢獻(xiàn)。其原因在于有些吸收的光并非全部被有源層吸收而是被透明導(dǎo)電膜、摻雜層、中間層、背反射層等功能層吸收，造成大量的光吸收損失。(4)因i層內(nèi)復(fù)合，即使是在短路條件下也存在復(fù)合，造成光生電流Jph的損失。

如圖48所示，模擬計算1.75eV的非晶硅電池的Jsc應(yīng)達(dá)到21mA/cm2，但目前可達(dá)到的最優(yōu)結(jié)果只有18mA/cm2。微晶硅電池的帶隙按1.1eV計，按照單晶硅的計算，最大電流可達(dá)44mA/cm2，但目前水平只有25～30mA/cm2。微晶硅電池的Jsc與理論值有明顯的差距，原因可能是以1.1eV理論計算，其長波限位于近紅外，而此時微晶硅的吸收系數(shù)很低，加之TCO膜在紅外區(qū)因載流子散射導(dǎo)致自身吸收增加，使進(jìn)入有源層的紅外光進(jìn)一步減少，這樣本來吸收就少的紅外光又被TCO部分損失掉，兩者疊加，使得微晶硅有效光生電流的損失加大。

③ 填充因子FF

圖49為并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻對I-V曲線形狀的影響以及電池的FF與其有源層帶隙寬度的理論計算與實(shí)驗(yàn)的對比。圖中顯示器件結(jié)構(gòu)引入漏電來源、材料自身電阻或接觸電阻等都會引起FF的下降。理論計算顯示，用寬帶隙作有源層的光伏器件，F(xiàn)F會更高。這可能因?yàn)镕F的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式(式29)[43]與Voc相關(guān)，而Voc又與帶隙寬度密切相關(guān)的緣故。此外p-n結(jié)的品質(zhì)因子也顯著影響FF。以上計算是針對晶體p-n結(jié)的理論計算得到，體內(nèi)無復(fù)合(n=1)的FF大，如果以復(fù)合為主(n=2)則會減小FF。

實(shí)際電池的FF又與工藝的成熟程度及材料結(jié)晶性的優(yōu)劣更為相關(guān)。晶體硅以及Ⅲ-Ⅴ族材料(如InP、GaAs)的電池，其FF與理論計算非常接近。即使是薄膜電池，由于其材料結(jié)構(gòu)的有序程度，如多晶性質(zhì)的CIGS和CdTe電池，其FF也較接近于計算值。而非晶硅結(jié)構(gòu)的無序性，理論計算公式并非與材料結(jié)構(gòu)及結(jié)特性相符，因此a-Si:H電池的FF與計算值相差甚遠(yuǎn)。由于理論計算的基礎(chǔ)源于晶態(tài)的特性，并未計入無序性所帶來的影響。即便如此，式29仍對估算與指導(dǎo)a-Si:H電池特性的提高有一定意義。

圖49 并聯(lián)電阻Rsh(a)和串聯(lián)電阻Rs(b)對太陽電池I-V特性的影響以及FF與帶隙寬度的關(guān)系(c)[8]

除材料自身物理因素外，電池結(jié)構(gòu)帶來的并、串聯(lián)電阻的問題也需大力改善。在硅基薄膜電池中，串聯(lián)電阻Rs主要來源金屬和TCO(透明導(dǎo)電氧化物)的電阻、各摻雜層自身引入的無功損耗，以及串聯(lián)集成工藝中不完全或過度的各層條間的激光刻畫等。也正如此，硅基薄膜的串聯(lián)集成電池組件，都以長條形狀子電池的串聯(lián)，以縮短載流子輸運(yùn)長度，降低電阻損失(見圖50)。電池的并聯(lián)電阻來源于電池自身的漏電流、不良的電池制備工藝，如為解決光管理采用絨面TCO中過度尖銳的絨面造成尖峰處的漏電等。串聯(lián)電阻不應(yīng)大于10?·cm2，并聯(lián)電阻則應(yīng)大于10k?·cm2。

圖50 非晶硅電池與單晶硅電池的外貌比較

非晶硅電池的最佳FF約為75%，光衰退后會降到65%。若微晶硅材料的有序性較高、遷移率較大，電池的FF也會提高，有可能達(dá)到78%以上[8]。如果低于上述值，可能存在的問題為:(1)由于i層質(zhì)量不佳，或來自于p/i、n/i界面的問題，影響對光生載流子的有效收集。這可由測得的低收集電壓或光譜響應(yīng)中看出。(2)不令人滿意的層間接觸特性導(dǎo)致高串聯(lián)電阻。(3)低并聯(lián)電阻可能來源于裂縫或其他結(jié)構(gòu)的不完整性。(4)在裂縫周圍區(qū)域形成漏電通道，導(dǎo)致高的反向飽和電流密度Jo，或者使p-i-n二極管性能質(zhì)量變差。

表3為對FF影響因素的分析。

表3 單結(jié)硅基薄膜電池不同失效因素對FF的影響[8]

④ 轉(zhuǎn)換效率η[44]

太陽電池從吸收太陽光能到轉(zhuǎn)換成電能的過程，見圖51列舉的各個子過程。主要針對光生載流子產(chǎn)生、輸運(yùn)、反向收集達(dá)到電能轉(zhuǎn)換的過程中可能的能量損失來源，以便研究對策、找尋辦法，提高效率。

圖51 太陽電池吸收光能轉(zhuǎn)換成電能的各個過程引入的能量損失[44]

吸收損失:吸收損失來源于太陽電池吸收層帶隙Eg的限制。太陽光譜中那些能量小于Eg的光子，因吸收限的限制而不被吸收，對光電轉(zhuǎn)換不作貢獻(xiàn)，所以損失掉了。圖中，JE,abs為電池吸收光子的能量流；JE,inc為入射光子的能量流。損失部分為兩者之比，表示吸收的光子占總?cè)肷涔庾訑?shù)之比:

熱化損失:入射光子中能量遠(yuǎn)高于帶隙寬度的光子，將把價帶底的電子激發(fā)到遠(yuǎn)高于導(dǎo)帶底的上部，或價帶底部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底，在價帶深部產(chǎn)生空穴。那些攜帶能量高于Eg的電子或空穴處于激發(fā)態(tài)(稱之為熱電子或熱空穴)，并不穩(wěn)定，將在ps(皮秒)到幾十ps內(nèi)將能量釋放給聲子(或稱傳遞給晶格，加快晶格振動)，然后回到導(dǎo)帶底或價帶頂?shù)姆€(wěn)定狀態(tài)，此過程稱為熱化過程。能量損失部分是將多余能量轉(zhuǎn)遞給聲子變成穩(wěn)定自由載流子的那部分能量，此時自由載流子所攜帶的能量為電子空穴對的自由能＜εe+εh＞。＜εe+εh＞=Eg+3kT。熱化能量損失部分寫作:η=。其中thermalization＜hωabc＞為吸收能量的平均值。

[44]Wurfel P. Physics of solar cells: from principle to new concepts[M]. Wiley-VCH, 2005:152－153.(待續(xù))