摘要：基于提高n型MoS₂/p型c-Si太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的目的，采用美國(guó)濱州大學(xué)研發(fā)的AMPS-1D軟件，針對(duì)電池前后接觸勢(shì)壘對(duì)光伏性能的影響進(jìn)行模擬優(yōu)化。模擬結(jié)果表明：前接觸勢(shì)壘（對(duì)于電子）越低，電池性能越好，當(dāng)前接觸勢(shì)壘為0.1 eV時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)17.617%；背接觸勢(shì)壘越高，電池短路電流升高越明顯，光伏性能越好，當(dāng)背接觸勢(shì)壘為1.1 eV時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)17.762%。為電池增加帶隙為1.8 eV的非晶硅背場(chǎng)后，電池的光伏性能明顯改善。電池有背場(chǎng)后，背接觸勢(shì)壘越高，電池的開(kāi)路電壓升高越顯著，當(dāng)背接觸勢(shì)壘為1.7 eV時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率提高至27.641%。此研究旨在為n型MoS₂/p型c-Si太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)制備提供一定的理論參考。

關(guān) 鍵 詞：氧化鈷; 納米結(jié)構(gòu); 電容器; 電催化接觸勢(shì)壘; 模擬; 轉(zhuǎn)換效率; 開(kāi)路電壓; 短路電流; 填充因子

中圖分類號(hào)：TK511

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2024.04.002

Simulation and optimization of front and back contact

barrier for n-type MoS₂/p-type c-Si solar cells

CUI Song^1，2， LYU Yan^1，2， CHEN Lanfeng^1，2ZHANG Yanyan， LIU Tong， ZHAO Chenglei， GAO Zitong， WANG Jinxing， TANG Yunru

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）（Department of Physical Science and Technology， Bohai University， Jinzhou 121000， China）

Abstract：In order to improve the conversion efficiency of n-type MoS₂/p-type c-Si solar cells， the AMPS-1D software developed by the Pennsylvania State University was used to simulate and optimize the impact of front and back contact potential barriers of the cell on photovoltaic performance. The results indicate that the lower the front contact barrier （for electrons）， the better the cell performance. When the front contact barrier is 0.1 eV， the cell conversion efficiency reaches 17.617%. The higher the back contact barrier， the significantly higher the shortcircuit current of the cell， and the better the photovoltaic performance. When the back contact barrier is 1.1 eV， the conversion efficiency of the cell reaches 17.762%. After adding an amorphous silicon with a bandgap of 1.8 eV as back surface field for the cell， the photovoltaic performance of the cell is significantly improved. After the cell has a back surface field， the higher the back contact barrier， the significantly higher the open circuit voltage of the cell. When the back contact barrier is 1.7 eV， the conversion efficiency of the cell increases to 27.641%. The result provides a useful reference for the experimental preparation of n-type MoS₂/p-type c-Si solar cells.

Key words：contact potential barrier; simulation; conversion efficiency; open circuit voltage; shortcircuit current; fill factor

二維過(guò)渡金屬二硫化物，如二硫化鉬（MoS₂ ）和二維石墨烯等層狀半導(dǎo)體材料，由于具備獨(dú)特的光電、機(jī)械和熱學(xué)性能，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用^［1-3］。但在太陽(yáng)電池應(yīng)用方面，由于二維石墨烯材料的零帶隙結(jié)構(gòu)和光吸收系數(shù)較低等特點(diǎn)，其應(yīng)用受到限制。而二維MoS₂具有帶隙可調(diào)、電子遷移率較高、表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，利于提高肖特基勢(shì)壘太陽(yáng)電池的性能，隨著MoS₂從多層發(fā)展到二維單層，其能帶結(jié)構(gòu)也從間接帶隙變成直接帶隙，對(duì)光的利用更加徹底，因而近年來(lái)MoS₂基太陽(yáng)電池成為研究的熱點(diǎn)^［4-5］。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，Lopez-Sanchez等^［6］發(fā)現(xiàn)，n型MoS₂與p型單晶硅 （c-Si）構(gòu)成的太陽(yáng)電池具有更寬的光譜響應(yīng)。Tsai等^［7］報(bào)道將高質(zhì)量的單層n型MoS₂層沉積在p型c-Si 襯底上，制備出了效率為5.23%的MoS₂/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。在模擬優(yōu)化方面，陳云和蔡厚道^［8］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n 型 MoS₂ 的電子親和能為 3.75 eV、摻雜濃度為10¹⁸ cm^-3，p型c-Si 的摻雜濃度為10¹⁷ cm^-3時(shí)，太陽(yáng)電池能夠取得最高22.1%的轉(zhuǎn)換效率。羅偉等^［9］模擬了（p⁺）μc-Si 背表面場(chǎng)對(duì)單層 n 型 MoS₂/p 型 c-Si 硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的影響，發(fā)現(xiàn)選擇合適的背表面場(chǎng)能明顯提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。因前后電極與半導(dǎo)體接觸機(jī)制也是影響電池性能的重要因素，但是文章中研究較少，故本文利用 AMPS-1D（analysis of microelectronic and photonic structures）軟件，模擬前接觸勢(shì)壘及有無(wú)非晶硅背場(chǎng)時(shí)背接觸勢(shì)壘對(duì) n型MoS₂/p型c-Si 硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池性能的影響，以期發(fā)現(xiàn)影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)提供參考。

1 器件和材料物理參數(shù)模型

太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，窗口層為單層n型MoS₂，吸收層為P型單晶硅（c-Si），電池前后為接觸電極。光子從前接觸面入射，光生電子和空穴在pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，分別向MoS₂層和單晶硅漂移，產(chǎn)生與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，從而產(chǎn)生光生電壓。

利用AMPS-1D軟件在態(tài)密度（density of states，DOS ）模式下對(duì)電池進(jìn)行直流模擬。在這種模式下，半導(dǎo)體電子態(tài)分為導(dǎo)帶、價(jià)帶擴(kuò)展態(tài)，導(dǎo)帶、價(jià)帶帶尾定域態(tài)及隙間定域態(tài)。單晶硅的隙間定域態(tài)采用平均分布，MoS₂的隙間定域態(tài)采用雙高斯分布。

MoS₂和c-Si的模擬參數(shù)主要來(lái)自參考文獻(xiàn)［10-11］，具體見(jiàn)表1。材料的吸收系數(shù)主要來(lái)自參考文獻(xiàn)［12-15］。模擬中正、背面反射率均設(shè)為0，光照條件為AM1.5，100 mW/cm²，有效波段范圍為0.3～1.1 μm。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 背接觸勢(shì)壘對(duì)電池光伏性能的影響

n型MoS₂/p型c-Si太陽(yáng)電池的背接觸電極與c-Si接觸勢(shì)壘即背接觸勢(shì)壘是非常重要的。設(shè)E_c，E_v和E_g分別表示p型c-Si的導(dǎo)帶頂、價(jià)帶底和帶隙，在背電極與c-Si接觸穩(wěn)定后，二者的費(fèi)米能級(jí)E_F處于同一能量水平線上，則電子和空穴在界面處的接觸勢(shì)壘高度E_n和E_p可分別表示為^［16］

E_n=E_c－E_F=?－χ（1）

E_p=E_F－E_v（2）

E_p+E_n=E_g（3）

式中：?為背接觸電極的功函數(shù)；χ為p型c-Si的電子親和能。

保持電池的前接觸勢(shì)壘E_n=0.1 eV不變，模擬背接觸勢(shì)壘對(duì)電池光伏性能的影響。設(shè)背接觸勢(shì)壘的變化范圍為0.6～1.1 eV，模擬結(jié)果如圖2所示。圖2中Eff表示太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率，F(xiàn)F表示填充因子，V_oc表示開(kāi)路電壓，J_sc表示短路電流密度。從圖2中可以看出，隨著背接觸勢(shì)壘E_n的增大，電池的短路電流密度、 填充因子、開(kāi)路電壓均增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率從16.716%增大到17.762%。從圖3中E_n=0.7，0.9，1.1 eV時(shí)的背接觸處的局部能帶圖可以看出，隨著E_n的增大，E_p逐漸減小。當(dāng)E_n=0.9 eV時(shí)，背接觸接近平帶;當(dāng)E_n=1.1 eV 時(shí)，背接觸能帶向上彎曲，對(duì)沒(méi)有在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移到n區(qū)的電子形成背反射作用，減少了界面載流子的復(fù)合，使電子有機(jī)會(huì)重新在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下漂移到n區(qū)，被前接觸電極收集。而能帶向上彎曲，對(duì)空穴則形成歐姆接觸，有利于背接觸電極收集空穴，所以當(dāng)E_n從0.6 eV增加到1.0 eV時(shí)，電池的短路電流密度微小增加，而當(dāng)E_n=1.1 eV時(shí)，電池的短路電流密度明顯增加。同時(shí)，隨著背接觸載流子界面復(fù)合的減少，電池的填充因子也有所增大。E_n越大，能帶向上彎曲程度越大，背接觸處的勢(shì)壘方向與pn結(jié)處的內(nèi)建勢(shì)壘方向趨于相同，故開(kāi)路電壓增大。

2.2 前接觸勢(shì)壘對(duì)電池光伏性能的影響

保持背接觸勢(shì)壘E_n=1.0 eV，模擬前接觸電極與MoS₂界面不同勢(shì)壘高度對(duì)太陽(yáng)電池光伏性能的影響。E_n的變化范圍是0.1～0.8 eV，相應(yīng)的前電極材料功函數(shù)的變化范圍為4.1～4.8 eV，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著前接觸電極/MoS₂接觸勢(shì)壘的增高，n型MoS₂/p型c-Si太陽(yáng)電池的短路電流密度（J_sc）、開(kāi)路電壓（V_oc）、填充因子（FF）都有所減少，導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率由17.617%降低到7.683%。光伏性能的變化是因?yàn)榍敖佑|勢(shì)壘越低，前接觸處的電場(chǎng)強(qiáng)度及np結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)。而前接觸電場(chǎng)強(qiáng)度越大，電子在電場(chǎng)作用下越容易被前接觸收集，短路電流越大。內(nèi)建電場(chǎng)越強(qiáng)，則開(kāi)路電壓越大，根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式（4）可知，填充因子也越大。因此，隨著前接觸E_n的增大，電池的轉(zhuǎn)換效率降低，因而前接觸電極材料的功函數(shù)越低越好。

2.3 增加背場(chǎng)后背接觸勢(shì)壘的影響

為進(jìn)一步提升電池效率，對(duì)單層n型MoS₂/p型c-Si太陽(yáng)電池增加重?fù)诫sa-Si（p⁺）材料作為背表面場(chǎng)，a-Si（p⁺）層的參數(shù)見(jiàn)表1。增加背場(chǎng)后，設(shè)前接觸勢(shì)壘為0.1 eV，背接觸勢(shì)壘為E_n=1.7 eV，電池的開(kāi)路電壓從0.625 V增加到0.948 V，短路電流密度從33.689 mA/cm²增加到36.641 mA/cm²，轉(zhuǎn)換效率從17.762% 增加到27.641%。增加重?fù)诫s非晶硅背場(chǎng)后，由于背場(chǎng)的反射作用，電池的光伏性能明顯改善。

在有背場(chǎng)的條件下，前接觸勢(shì)壘保持0.1 eV不變，背接觸勢(shì)壘變化范圍為0.9～1.7 eV，即背接觸電極材料功函數(shù)為4.7～5.5 eV。模擬電池背接觸勢(shì)壘對(duì)電池光伏性能的影響（圖5）發(fā)現(xiàn)，隨著背接觸勢(shì)壘的增大，電池的短路電流密度和開(kāi)路電壓都增大，導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率增加，與無(wú)背場(chǎng)時(shí)背接觸勢(shì)壘的影響規(guī)律相似。開(kāi)路電壓顯著增大的原因是電池背部的pp⁺結(jié)勢(shì)壘方向與np結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘方向相同。短路電流密度的微小增加是因?yàn)楸硤?chǎng)已經(jīng)起到了顯著的背反射作用，與無(wú)背場(chǎng)時(shí)相比，電流已經(jīng)明顯提升，所以隨著背接觸勢(shì)壘的增加，短路電流增加幅度較低。本文以E_n=1.0 eV和E_n=1.6 eV時(shí)的能帶對(duì)比為例進(jìn)一步說(shuō)明短路電流和開(kāi)路電壓增大的原因（圖6）。從圖6可以看出，E_n = 1.0 eV 時(shí)的導(dǎo)帶失配雖然對(duì)電子起到了背反射的作用， 但是導(dǎo)帶失配前后的能級(jí)能量水平相近，因而部分電子可以隧穿通過(guò)導(dǎo)帶失配到達(dá)背接觸處，形成復(fù)合電流，其一方面使開(kāi)路電壓降低，另一方面隧穿電子失去了被背場(chǎng)反射再次被pn結(jié)收集的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致短路電流密度降低。同時(shí)，其價(jià)帶失配對(duì)空穴有阻礙作用，不利于背接觸電極收集空穴，同樣使短路電流密度降低。而E_n=1.6 eV時(shí)的導(dǎo)帶失配兩端的能級(jí)能量水平差值較大，電子基本不會(huì)隧穿通過(guò)。價(jià)帶失配雖然也對(duì)空穴起到了阻礙作用，但是其兩端的能帶能量相差較小，有利于空穴的隧穿，因而E_n=1.6 eV時(shí)電池的轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)于E_n=1.0 eV時(shí)，即有背場(chǎng)時(shí)電池的背接觸勢(shì)壘越大，電池的光伏性能越好，與無(wú)背場(chǎng)時(shí)背接觸勢(shì)壘的影響規(guī)律相似。當(dāng)背接觸勢(shì)壘E_n=1.7 eV時(shí)，即背接觸電極功函數(shù)為5.5 eV時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率為27.641%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用美國(guó)濱州大學(xué)研發(fā)的AMPS-1D軟件，針對(duì)n型MoS₂/p型c-Si太陽(yáng)電池進(jìn)行了模擬，旨在發(fā)現(xiàn)電池前后接觸勢(shì)壘對(duì)電池光伏性能的影響規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)，無(wú)背場(chǎng)的太陽(yáng)電池電子的前接觸勢(shì)壘越低，背接觸勢(shì)壘越高，電池的光伏性能越好。有寬帶隙非晶硅背場(chǎng)的太陽(yáng)電池與無(wú)背場(chǎng)時(shí)相比，其背接觸勢(shì)壘的影響趨勢(shì)相似，但無(wú)背場(chǎng)時(shí)，背接觸勢(shì)壘對(duì)電池的短路電流影響顯著，有背場(chǎng)時(shí)則對(duì)電池的開(kāi)路電壓影響顯著。

致謝 感謝渤海大學(xué)研究生教育改革項(xiàng)目（YJG20230001）的支持。

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【責(zé)任編輯：王瑞丹】