【摘要】本文運用太陽電池模擬軟件AMPS-1D研究了非晶硅薄膜電池的p-i-n各層厚度對太陽能電池光電性能的影響。采用改變各層厚度，分析計算光電轉(zhuǎn)換效率，找到了高效非晶硅薄膜電池p-i-n層厚度的最佳組合，研究得到的電池的轉(zhuǎn)換效率可達9.281%。

【關(guān)鍵詞】薄膜厚度；開路電壓；短路電流；轉(zhuǎn)換效率

引言

太陽能光電利用是近年來發(fā)展最快，最具有活力的研究領(lǐng)域，其中最受矚目的是新型低成本高效太陽能電池的研制與開發(fā)。目前硅材料太陽能電池占有大部分光伏能源市場，相對比與高成本的晶體硅而言，非晶硅具有制作工藝簡單、成本低、便于大面積沉積等優(yōu)點，因而受到了普遍重視。非晶硅太陽能電池一般采用p-i-n三層設(shè)計，n層和p層很薄，其作用主要是提供內(nèi)建電場，使電子和空穴有效的移動形成電流。i層很厚，它的作用是吸收光波產(chǎn)生的光生載流子，所以i層的厚度決定著光伏電池光電性質(zhì)，i層通常是由本征態(tài)的a-Si：H組成，本文利用AMPS-1D數(shù)字模擬軟件討論了p-i-n各層薄膜厚度對轉(zhuǎn)化效率的影響，找到了較高轉(zhuǎn)化效率各層膜厚的最佳組合，使標準模擬的轉(zhuǎn)化效率從7.324%提高到9.281%。

1、物理模型及參量設(shè)置

1.1 物理模型

AMPS-1D是采用態(tài)密度（DOS）和載流子壽命（life time）兩種半導(dǎo)體電子模式進行器件結(jié)構(gòu)模擬。本文的模擬是在DOS模式下進行的，在該模式下半導(dǎo)體的電子態(tài)包括價帶、導(dǎo)帶擴展帶和價帶、導(dǎo)帶尾定域態(tài)以及隙間定域態(tài)，所以它可以從多方面來模擬反映出太陽能電池的各項性能參量的情況。

根據(jù)半導(dǎo)體器件的三個基本方程：泊松方程，電子連續(xù)性方程和空穴連續(xù)性方程，在設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件時就可以求解出器件的特性。泊松方程把材料體系中的自由載流子數(shù)目，受陷空穴和受陷電子數(shù)目，離化雜質(zhì)數(shù)目等和靜電場聯(lián)系起來。泊松方程表示為

（1）其中，φ為器件中x點單位正電荷電勢，n（x）為自由電子的濃度，p（x）為自由空穴濃度，為電離施主濃度，為電離受主濃度，分別為受陷空穴和電子濃度；運用數(shù)值計算出進而就得到了各特性參數(shù)。

1.2 參數(shù)設(shè)置

2、模擬結(jié)果分析

為了研究i層厚度對pin型非晶硅器件性能的影響，先將p層和n層的厚度分別固定為8nm和15nm，將i層從10nm增加到1000nm，模擬出了短路電流Jsc、開路電壓Voc、填充因子FF和轉(zhuǎn)化效率Eff隨i層的變化情況，如圖3到圖6所示。

2.1 i層厚度與短路電流的關(guān)系分析

從（2）式可知，當(dāng)i層比較薄時，光生載流子會隨i層厚度的增加而增多，所以光生電流密度Jp也就隨之增大，當(dāng)反向飽和電流密度j0不變時，Jsc也將增大。如圖4所示，當(dāng)i層厚度在400nm—500nm之間時短路電流有峰值。而在400nm之前短路電流會隨i層的增加而呈急劇上升趨勢，在500nm之后i層厚度越大，短路電流就會緩慢的呈下降趨勢。由于i層是光生載流子的產(chǎn)生層，所以短路電流的變化直接取決于i層的厚度。如果i層太薄會導(dǎo)致吸收的光生載流子的數(shù)量降低；如果i層太厚，雖然光生載流子的數(shù)量有了足夠的保證，但是載流子的增多會使內(nèi)建電場減小，這樣就不能有效的收集載流子，短路電流下降。

2.2 i層厚度與開路電壓之間的關(guān)系分析

模擬結(jié)果如圖1所示，從模擬的結(jié)果繪制出的i層厚度與開路電壓的關(guān)系不難看出，開路電壓是隨著i層厚度的增加先增加后減小。光生載流子會隨著i層厚度的增加而增多，但是當(dāng)i層厚度大于200nm之后會導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合速率增加從而使開路電壓持續(xù)降低。從（3）式中也不難看出VOC與In（Jsc）是正比關(guān)系，所以VOC和Jsc隨i層厚度的變化趨勢是一致的，這與圖1、圖2得到的結(jié)論是相同的。

2.3 i層厚度與填充因子的關(guān)系分析

如圖5所示，圖1與圖4對比可以看出填充因子隨i層的變化趨勢與開路電壓的變化趨勢大體是一致的，這與公式4表示的結(jié)果是一樣的。填充因子是反應(yīng)太陽能電池質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，而填充因子的變化與電池的串聯(lián)電阻是息息相關(guān)的。隨著i層的厚度逐漸地增加，光生載流子的收集率降低，增加了電池的串聯(lián)電阻，使填充因子驟然下降。

2.4 i層厚度與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系分析

轉(zhuǎn)換效率對于太陽能電池來說是最重要的參數(shù)，也是決定i層厚度的重要指標，由多方面參數(shù)決定。如圖6可看出，轉(zhuǎn)換效率隨i層的增加先增加后減小，在i=200nm時得到了最佳的轉(zhuǎn)換效率為8.428%。

2.5 n層、p層厚度與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系分析

為了探究n層厚度變化對轉(zhuǎn)換效率的影響，將p層設(shè)置為3nm，將i層設(shè)置為200nm，n層厚度從1nm到10nm間變化得到了對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率的值。如圖5所示轉(zhuǎn)換效率隨n層厚度的增加先增大后減小，n層厚度的增加會導(dǎo)致吸收的光子數(shù)也將增加，而n層的吸收率對短路電流沒有貢獻；與此同時還增加了串聯(lián)電阻，那么回路中的電流將減小，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的降低。當(dāng)n層厚度等于4nm時得到了電池的最佳轉(zhuǎn)換效率為8.943%。為了研究p層厚度對轉(zhuǎn)換效率的影響，將i層設(shè)置為200nm，n層設(shè)置為4nm，從圖5中可以看出在p=3nm之前，轉(zhuǎn)換效率隨p層的增加而增加，在p=3nm之后轉(zhuǎn)換效率隨p的增加而呈下降趨勢。p層作為接收層，p層厚度的增加會使p層電勢增加，這會阻礙光生載流子的移動，增大了電子空穴對的復(fù)合率，得到的最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率為8.94%。在調(diào)整了摻雜濃度為5×1021時，轉(zhuǎn)換效率更達到了9.281%。

3、結(jié)論

對于非晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，有很多的影響因素，比如摻雜濃度、載流子濃度、電子遷移率、禁帶寬度、缺陷態(tài)密度、薄膜各層厚度等。本文運用AMPS模擬軟件重點對p、i、n層厚對太陽電池光電性能各項因素的影響進行了對比分析，通過調(diào)整各層厚度，設(shè)計出轉(zhuǎn)換效率可達9.281%的高效電池。模擬分析中得到i層的厚度對電池的性能影響最大，可對非晶硅薄膜太陽能電池的生產(chǎn)制備提供參考。

作者簡介

李玲，（1989.1.21），性別：女，遼寧省沈陽市（籍貫），現(xiàn)職稱：碩士研究生，學(xué)歷：碩士，研究方向：太陽能電池。

基金項目

錦州市科技項目（12B1B14）