薄膜太阳能中纳米硅本征层晶相比对电池性能影响的研究

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摘 要：我们在建立pin型纳米硅薄膜太阳能电池模型的基础上，利用有效介质理论分析了纳米硅的光吸收系数和光学带隙与晶相比的关系。运用AMPS-1D程序模拟分析了纳米硅本征层晶相比对电池性能影响。结果表明纳米硅本征层太阳电池的晶化率在40%-60%时，电池的效率比较高。

关键词：晶相比；纳米硅；薄膜太阳能电池

近年来围绕着提高太阳能电池效率，优化电池结构的方面人们做出了大量科学研究，本征层作为薄膜太阳电池的吸收层承担着光生载流子的产生并在电场的作用下通过p层和n层被吸收的作用。因此优化本征层材料的参数，是提高太阳能电池效率重要课题。基于以上出发点，利用AMPS-1D软件进行一维数值模拟，研究模拟纳米硅本征层晶化率对电池开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）以及电池转化效率（？浊）的影响。

1 物理模型和数值方法

运用美国宾夕法尼亚大学发展的一维微光电子结果分析模型AMPS-1D（Analysis of Microelectronic and Photonic Structures）模拟分析非晶硅薄膜太阳电池性能，其物理结构如图1所示，对于J-V模拟计算时，光照条件为AM1.5（100 mW/cm2），在理想情况下设入射光在前、背电极表面的反射率分别为0和1。

1.1 数值方法

1.1.1 AMPS-1D原理

AMPS-1D软件的工作原理将器件分成N（N

数值模拟是在态密度（DOS）模式下进行的。对于迁移带隙的局域化态密度而言，已经被确认其中同时有类受主态（位于带隙上半部分）和类施主态（位于带隙下半部分）。不论是类受主态或者类施主态，它们都由指数带尾态与高斯带隙态（悬挂键）构成。在未掺杂的a-Si：H带隙中，局域化的态密度被认为是由指数带尾态和高斯带隙态组成；而在掺杂的a-Si：H带隙中，局域化的态密度被认为是由带尾态、高斯带隙态和类施主态构成。价带和导带带尾态在能量中呈如下指数分布：

其中N（Ev）和N（Ec）依次是在带边能量Ev和Ec带尾态密度，EA和ED依次是导带尾和价带带尾的特征斜率。

对于类受主态、类施主态以及施主态，其带隙态通过高斯分布表述如下：

其中，Edb，Ndb和？滓db依次是能量位置，密度以这些悬挂键的变化，Ndb代表单位体积单位能量的态密度。

1.1.2 i层纳米硅薄膜的晶相比对电池特性的影响

纳米硅（nc-Si：H）或者氢化微晶硅（μc-Si：H），这种硅薄膜材料是由纳米硅晶粒、晶粒间界和非晶相共存的复合相材料，其带隙随着晶相比的不同，由1.2 eV到1.7 eV连续可调，且几乎没有光致衰退效应[2]。我们所模拟的电池的结构中，其中本征层是一种微晶或纳米颗粒镶嵌在非晶中的两相结构材料，在计算模拟之前首先确定这种两相材料的各种参数关系，我们利用所得到的参数关系再模拟分析电池的性能。

（1）吸收系数（？琢）随晶相比（f）的变化。

吸收系数是我们模拟中所要用到的参数，一般情况下，两种独立的吸收材料的总的吸收系数可以认为是两种吸收系数之和， 所以，具有两相结构的纳米硅的材料的吸收系数可表示为：

？琢=？琢cf+？琢a（1-f） （4）

其中？琢a是氢化非晶硅的吸收系数，？琢c是晶体硅的吸收系数。于是我们根据（4）式可以求出纳米硅的不同晶相比的吸收系数，式中？琢a和？琢c的数据分别取自文献[3]和[4]。

（2）光学带隙（Eopt）与晶相比（f）的关系。

根据光吸收系数？琢随量子能量变化关系在吸收边附近遵循的Tauc规律

式中B是与带尾态密度相关的参数。将 （4）式代入（5）式中， 可得

为了能够适合工艺技术实际情况， 可以用实验数据[5]确定上式中的一些常数，简化（6）式，可得到光学带隙与晶相比之间满足下列关系：

根据实验数据进行拟合， 以确定 a，b，c三个常数[6]，最后得到

利用（8）式可以算出不同晶相比f时的光学带隙Eopt。

在AMPS-1D模拟计算软件中通过输入不同晶相比（f）硅材料从而可以得到太阳能电池J-V特征参数。

1.2 模型参数设置

模型中各参数设置如表1[7]所示。

2 数值模拟与结果分析

2.1 本征层的晶相比对电池性能的影响

结果表明，如图2所示随着本征层晶相比从0～90%的增加，电池的开路电压Voc从1.0428V在降低到0.4980V。对于pin型结构的电池模型，其内建电势VD主要取决于两掺杂层的费米能级的位置及有源层的禁带宽度。设p层的激活能为Eap，n 层的激活能为 Ean，有源层带隙Eopt，则内建电势VD=（Eopt-Eap-Ean）/q，因此可以看出电池的光学带隙在减小，内建电势将逐渐减小。而一般认为开路电压略小于内建电势。

由图3可知短路电流Jsc随晶相比的增加而增大。根据有效介质理论[8]计算具有两相结构的广义电导？滓与晶相比f的关系为：

随着晶相成分的增加，本征层材料的迁移率隙Eg减小，μ？子乘积增大电导？滓也增大，必然会使短路电流增大。

计算显示如图5，在p型和n型材料各项参数如表1不变的情况下，i层晶相比从0-90%的变化，得到电池效率随晶相比的变化从11.5%递减到6%，如图5所示。这主要是因为高晶相比的纳米硅中就会存在较多的晶粒及其晶粒间界（简称晶界），晶界存在各种界面态、悬挂键和缺陷态，形成了高密度的陷阱，影响载流子寿命。所以纳米硅一般取晶相在40%～60%电池效率比较高。

2.2 优化的纳米硅太阳能电池

基于以前和本文的研究，对电池取一组最佳参数为工艺提供指导，电池的前后电极界面的电子空穴界面复合速率都设定1×107cm/s，本征层厚度为800nm，i层纳米硅的晶相比为40%电池效率达到9.509%。相应电池J-V曲线见图6，其中Pmax为最大功率点。

3 结束语

分析研究了电池结构中本征层为纳米硅材料的晶化率对电池性能的影响，研究结果表明：随着晶相成分的增大，电池的开路电压逐渐减小，短路电流逐渐增大，填充因子降低，电池的效率随晶相比的增大而减小。由于纳米硅结构随晶相比的变化出现大量悬挂键，导致电子空穴的复合率上升，不利于载流子的收集。所以纳米硅一般取晶相在40%～60%电池效率比较高，优化后的电池效率达到9.509%。

参考文献

[1]蔡宏琨，陶科.柔性衬底非晶硅薄膜太阳电池界面处理的研究[J].物理学报学，2009，58（11）： 7921-7925.

[2]Spear W E， Le Comber P G. Solid State Commun[J].Adv. Phys. 1975， 17：1193-1196.

[3]Yoshinori Yukimoto. Amorphous Semiconductor Technologies & Devices [A].1983 JARECT Vol.6[C].1983，228.

[4]William C，et al. Handbook of Semiconductor Silicon Technology[M].U.S.A. Noyes Publications 409.

[5]郝会颖，等.2004第十三届全国化合物半导体材料、微波器件和光电器件学术会议暨第九届全国固体薄膜学术会议论文集[C].

[6]郝会颖，孔光临，等.非晶/微晶两相硅薄膜的电池计算机模拟[J].物理学报，2005，54（7）：3370-3373.

[7]李娟，冯国林. 纳米硅异质结薄膜太阳电池的数值模拟[J].宁夏师范学院学报，2015，36（3）：46-50.

[8]Yoshida K. 1986， Phil. Magazine B 53：55.

[9]Green M.Solar Cells： Operating Principles，Technolongy，and System Applicationgs. Chap.5. Englewood Cliffs： Prentice Hall，1982：85-102.

作者简介：李娟（1981-），汉族，女，宁夏固原人，硕士研究生，助教，宁夏师范学院，研究方向：量子计算。

冯国林（1983-），汉族，男，宁夏固原人，博士研究生，讲师，宁夏师范学院，研究方向：高温超导。