李娟++馮國林

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.073

摘 要：本文建立基于pin型結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池，采用數(shù)值模擬的方法，通過模擬分析表明，在電池的p/i、i/n界面插入緩沖層可以得到電池轉(zhuǎn)化效率為7.474%，比沒有緩沖層電池提高0.305%。

關(guān)鍵詞：非晶硅 緩沖層 轉(zhuǎn)化效率

中圖分類號：O469 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0073-02

由于非晶硅材料的原子結(jié)構(gòu)是一種共價無規(guī)的網(wǎng)絡(luò)原子結(jié)構(gòu)，不受周期性結(jié)構(gòu)的約束，具有短程有序、長程無序的結(jié)構(gòu)。無序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致多種結(jié)構(gòu)缺陷和微空洞的形成，這就使得非晶態(tài)半導(dǎo)體材料能隙深處具有缺陷定域態(tài)，這些定域態(tài)提高使載流子復(fù)合率。對于異質(zhì)結(jié)太陽能電池界面缺陷是不可避免，在p/i、i/n界面存在的晶格失配，這樣就會使自由載流子復(fù)合幾率提高，從而影響電池的性能。在制備材料的過程中，從材料1到材料2總會有一個過渡區(qū)，材料帶隙和電子親和勢的漸變對提高電池短路電流和填充因子有非常顯著的作用。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

建立一個單結(jié)pin非晶硅薄膜太陽能電池，其結(jié)構(gòu)為：TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/背電極。模擬計算插入緩沖層對電池性能的影響，模擬的過程取緩沖層的厚度為4nm。模擬時采用標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜AM1.5（100mW/cm2）從電池左側(cè)入射，設(shè)入射光在前、背電極表面的反射率在理想情況下分別為0和1，載流子通過復(fù)合中心的間接復(fù)合機(jī)制采用SRH模型[1]。在我們計算中左右電極界面的電子空穴界面復(fù)合速率都設(shè)定1×107cm/s。電池的工作溫度為300K[2]。

1.2 AMPS原理

AMPS-1D程序主要運(yùn)用Newton-Raphson方法和邊界條件求解相互關(guān)聯(lián)的非線性微分一維泊松方程和電子、空穴連續(xù)性方程，通過數(shù)值計算分析電池中載流子產(chǎn)生、符合和輸運(yùn)性質(zhì)等各種工作參數(shù)。

模擬中各層半導(dǎo)體材料是a-Si：H，其原子結(jié)構(gòu)特征是長程無序、短程有序的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，存在大量懸掛鍵。無序的結(jié)構(gòu)使價帶和導(dǎo)帶邊向帶隙延伸出定域化的帶尾態(tài)，在帶隙中部形成了由結(jié)構(gòu)缺陷引起的缺陷態(tài)。廣泛采用a-Si：H能帶分布是Mott-Davis能帶模型[3]，表明了能帶邊和帶隙的電子態(tài)密度隨能量的分布狀況。

由懸掛鍵和鍵畸變引起價帶尾態(tài)和導(dǎo)帶尾態(tài)可俘獲載流子，對載流子起陷阱作用。帶尾態(tài)密度近似于指數(shù)分布：

（1）

（2）

式中，EA，ED分別為導(dǎo)帶尾、價帶尾特征能量；EV，EC分別為價帶、導(dǎo)帶遷移率邊。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型中各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 在p/i、i/n界面插入緩沖層對電池效率的影響

對于異質(zhì)結(jié)，由于結(jié)兩邊材料的帶隙寬度的不同，能帶在界面處是不連續(xù)的，有尖峰的出現(xiàn)，分別稱為導(dǎo)帶和價帶的帶結(jié)。帶結(jié)是影響異質(zhì)結(jié)性能極為重要的參數(shù)。在載流子輸運(yùn)過程中由于存在勢壘使載流子有效收集遇到困難，本文在p/i、i/n界面分別加入帶隙為1.72eV和1.68eV的納米硅a-Si：H緩沖層，通過調(diào)節(jié)材料的內(nèi)部參數(shù)使其帶結(jié)盡可能降低，這樣緩沖層可以起到一個帶隙過渡的作用，使勢壘降低，從而使電子有效地被收集，電池效率變大。

從圖1可以看出加入緩沖層后界面的帶明顯降低，結(jié)果表明，插入緩沖層后，電池的性能有明顯的改善。這是因為緩沖層主要改善晶格失配的作用，從圖1可看出勢壘降低，這樣減少載流子在界面的復(fù)合。此外，摻入的緩沖層減小界面電勢，從而增加活性層的電場，增加載流子收集。通過優(yōu)化得到7.474%的轉(zhuǎn)化效率。

2.2 插入緩沖層厚度對電池效率的影響

計算結(jié)果如圖2所示，電池效率隨緩沖層厚度從1nm逐漸增加到7nm過程中在減小，隨短路電流在減小，F(xiàn)F和VOC沒有變化的情況下導(dǎo)致電池的效率減小。

3 結(jié)語

通過對電池優(yōu)化模擬的結(jié)果分析可以得到：在p/i、i/n界面插入緩沖層電池轉(zhuǎn)化效率為7.474%，比沒有緩沖層電池提高0.305%；緩沖層的厚度對電池的開路電壓和填充因子幾乎沒有影響，對短路電流影響很小，進(jìn)而對電池的效率影響也很小。

參考文獻(xiàn)

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