非晶硅晶体HIT太阳电池研究.doc

非晶硅/晶体硅HIT太阳电池研究 摘 要：运用AMPS程序模拟计算了p-型非晶硅/n-型晶体硅HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 异质结太阳电池的光伏特性。通过对不同带边补偿情况下的计算结果同文献报道相比较，得出导带补偿小部分(0.18eV)，价带补偿大部分(0.5eV)的基本结论。同时还证实，界面态是决定电池性能的关键因素，显著影响电池的开路电压（VOC）和填充因子（FF）。最后计算了这种电池理想情况下（无界面态、有背面场、正背面反射率分别为0和1）的理论效率Eff=27% (AM1.5 100MW/cm2 0.40-1.10μm波段)。 关键词：a-Si:H/c-Si异质结，太阳电池，计算机模拟 1 前言 晶体硅太阳电池具有转换效率高，生产技术成熟的优点，一直以来占据太阳电池世界总产量的绝大部分[1]。但传统晶体硅太阳电池生产中的高温（9000C以上）扩散制结工艺又限制了生产效率的提高和产品成本的进一步降低。多年来各国科学家一直在努力研究探索低成本高产量的高效薄膜太阳电池制造技术[2]。氢化非晶硅（a-Si:H）太阳电池生产工艺温度较低（4000C以下），便于大规模生产，因此受到各国科学家的普遍重视并得到迅速发展[3]。但是，氢化非晶硅（a-Si:H）太阳电池的光致退化（Staebler-Wronski 效应）问题始终没有得到很好的解决，同时其光电转换效率还有待进一步提高。一条可行的途径是用宽带隙的a-Si作为窗口层或发射极，单晶硅、多晶硅片作衬底，形成所谓的异质结太阳电池 [4,5]。这种电池既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。本文运用AMPS-1D[ 2 物理模型 模拟分析的太阳电池材料和结构参数见表-1。衬底为250微米厚的n-型晶体硅（掺杂浓度为1.4×1016cm-3），n+层（掺杂浓度为2.5×1020cm-3）厚度为100nm。p-型非晶硅厚度为10nm（掺杂浓度为1.0 表-1 模拟计算中所用参数 Tabl-1 Parameters for calculation 参数 p-a-Si:H i-a-Si:H c-Si 厚度(nm) 电子亲合势(eV) 迁移率带隙(eV) 光学带隙(eV) 相对介电常数 有效态密度NC， NV（cm-3eV-1） 电子迁移率μn 空穴迁移率μp 带尾态密度 Urbach尾宽 电子俘获截面 空穴俘获截面 隙间定域态分布 电子俘获截面 空穴俘获截面 掺杂浓度 10 3.45~4.00 1.80 1.72 11.90 2.5×1020 2.5×1020 10（cm2V-1s-1） 0.8（cm2V-1s-1） 1021cm-3 0.05(ED)/0.03 (EA)eV 1×10-17cm 1×10-15 cm 9.5×1018双高斯分布 1×10-15 cm 1×10-14 cm NA=1×1019 0~100 3.45~4.00 1.80 1.72 11.90 2.5×1020 2.5×1020 10（cm2V-1s-1） 0.8（cm2V-1s-1） 1021cm-3 0.05(ED)/0.03(EA)eV 1×10-17 cm 1×10-15 cm 5×1016双高斯分布 1×10-15 cm 1×10-14 cm 250000 4.05 1.12 1.12 11.90 2.8×1019 1.04×1019 1350（cm2V-1s-1） 450（cm2V-1s-1） 1014cm-3 0.01(ED)/0.01(EA)eV 1×10-17 cm 1×10-15 cm 1×1012平均分布 1×10-15 cm 1×10-14 cm ND=1.4×101 非晶硅和晶体硅的吸收系数如图-1所示，分别取自有关参考文献[7,8]。 图-1 计算所用非晶硅和晶体硅的吸收系数 Fig. 1 Absorption coefficients of a-Si and c-Si used for calculation 计算中，除理论最大效率计算之外，正背面反射率分别为0.1和0，无陷光结构。顶电极界面（也就是p-型非晶硅一侧的电极界面）和底电极界面（也就是n-型晶体硅一侧的电极界面）的电子空穴界面复合速率均为1×107cm/s，接触势垒分 3模拟分析与讨论 3.1界面态对光伏特性的影响 众所周知，影响异质结器件光电特性的核心问题除了能带不连续性以外，还有界面缺陷电子态。 通过在a-Si:H和c-Si之间引入一层 “界面层”，厚度为1nm（约4个原子层），悬键态体密度在1015-1019cm-3之间（由此可推算出界面态面密度Nint为1