a -S i /c -S i异质结结构太阳能电池设计分析 *林鸿生马雷(中国科学技术大学物理系 , 合肥 , 2300262001-09-10收稿 , 2002-01-14收改稿摘要 :通过应用 S c h a r f e t t e r -G u m m e l 解法数值求解 P o i s s o n 方程 , 对热平衡态 a -S i /c -S i异质结太阳能电池进行计算机数值模拟分析 , 着重阐述在 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池中嵌入 i (a -S i :H 缓冲薄层的作用 , 指出采用嵌入 i (a -S i :H 缓冲薄层设计能有效增强光生载流子的传输与收集 , 从而提高 a -S i /c -S i异质结太阳能电池的性能 , 同时还讨论 p +(a -S i :H 薄膜厚度和 p 型掺杂浓度对光生载流子传输与收集的影响 , 而高强度光照射下模拟计算表明 , a -S i /c -S i异质结结构太阳能电池具有较高光稳定性。
关键词 :异质结太阳能电池 ; 牛顿-拉普森解法 ; 氢化非晶硅隙态密度 ; 载流子收集中图分类号 :T M 914. 42文献标识码 :A文章编号 :1000-3819(2003 04-470-06A n a l y s i s o f t h e D e s i g nf o r a -S i /c -S i H e t e r o j u n c t i o nS t r u c t u r e S o l a r C e l l sL I N H o n g s h e n g MA L e i(D e p a r t m e n t o fP h y s i c s , U n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g yo fC h i n a , He f e i ,230026, C HNA b s t r a c t :A c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l o f a -S i /c -S ih e t e r o j u n c t i o n s o l a r c e l l s a t t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m u s i n g a S c h a r f e t t e r -G u m m e l s o l u t i o no f P o i s s o n ' s e q u a t i o nh a s b e e n d e v e l o p e d . I t s t r e s s e st h er o l eo f t h ei (a -S i :H b u f f e rt h i nl a y e ri n s e r t e d i n t ot h ea -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l s . D u e t o t h e u s e o f d e s i g n s o f t h e i n s e r t i o no f a ni (a -S i :H b u f f e r t h i n l a y e r i n t o p -n h e t e r o j u n c t i o n , t h e c o l l e c t i o n a n d t r a n s p o r t o f p h o t o -g e n e r a t e d c a r r i e r s e f f e c t i v e l y i n c r e a s e , e n h a n c i n gt h e p e r f o r m a n c e s o f a -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l s . A l s o , t h e i n f l u e n c e s o f t h i c k n e s s a n d p -t y p e d o p p i n gc o n c e n t r a t i o no f p +(a -S i :H t h i nf i l m s i na -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l so nt h ec o l l e c t i o na n d t r a n s p o r t o f p h o t o -g e n e r a t e d c a r r i e r sa r e d i s c u s s e d . U n d e r t h e c o n d i t i o no f p r o l o n g e d l i g h t s o a k i n g , t h e s i m u l a t i o ns h o w s t h a t a -S i /c -S i h e t e r o j u n c i o ns t r u c t u r e s o l a r c e l l p o s s e s s e s h i g hl i g h t s t a b i l i t y. K e y w o r d s :h e t e r o j u n c t i o n s o l a rc e l l ; N e w t o n -R a p h s o n s o l u t i o n t e c h n i q u e ; d e n s i t yo f s t a t e s i na -S i :H ; c a r r i e r c o l l e c t i o nE E A C C :8420; 2560B第 23卷第 4期2003年 11月固体电子学研究与进展R E S E A R C H &P R O G R E S S O F S S EV o l . 23, N o . 4N o v . ,2003*E -m a i l :h s l i n @u s t c . e d u . c n基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (N o. 698760241引言非晶 (薄膜 -晶态硅异质结 , 诸如 a -S i /c -S i ,µc -S i /c -S i 和 a -S i C /c -S i 等结构太阳能电池近年来得到人们愈来愈浓厚的兴趣 [1~4], 原因是晶态硅半导体太阳能电池能量转换效率虽高达 24%,但造价昂贵 , 而 a -S i :H 基太阳能电池不仅能大面积生产 , 造价又低廉 , 可是内在的 S t a e b l e r -Wr o n s k i 效应使其稳定性差 , 非晶 (薄膜 -晶态硅异质结结构是综合两者优点充分发挥各自长处的最佳设计 , 而且这种结构电池能在较低温度下 (<250ºC 制造 , 从而避免采用传统的高温 (>900ºC 扩散工艺来获得 p -n 结 , 这不但节约能源 , 而且低温环境使得 a -S i :H 基薄膜掺杂 , 禁带宽度、厚度得以较精确控制 , 为优化器件特性提供机会 ; 低温沉积过程中单晶硅片弯曲 , 变形小 , 因而其厚度可取作为本底光吸收材料光学所要求的最低值 , 约 80µm , 改善少数载流子扩散长度与电池总厚度比值 , 从而允许采用 " 低品质 " c -S i 以及 p o l y -S i [1]。
非晶 (薄膜 -晶态硅异质结在制造大面积、高效率、低价格、稳定性好的半导体太阳能电池中具有巨大的潜力。
非晶 (薄膜 -晶态硅异质结制造中采用所谓 H I T 技术 (H e t e r o j u n c t i o nw i t hi n s e r t e dI n t r i n s i cT h i n -l a y e r , 即对 p n 结嵌入本征缓冲薄层 , 从而很好提高其太阳能电池性能 [1~4]。
如在 120ºC 下通过化学汽相沉积 (P E C V D 技术把 a -S i :H 薄膜直接沉积于 N 型单晶硅 n (c -S i 本底材料上形成 p + (a -S i :H /n (c -S i 异质结 , 可获得 12. 3%电池能量转换效率 , 但若嵌入质量好的 i (a -S i :H 缓冲薄层 , 电池的能量转换效率将提高到 14. 8%[2]。
本文准备应用 S c h a r f e t t e r -G u m m e l 解法数值求解 P o i s s o n 方程 , 对热平衡态 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池进行计算机数值模拟 , 推出其能带图 , 电场强度分布等 , 着重分析嵌入 i (a -S i :H 薄层提高 a -S i / c -S i 异质结太阳能电池性能的原因以及 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池中 p +(a -S i :H 薄膜厚度和 p 型掺杂浓度设计 , 并讨论其稳定性。
2物理模型图 1是 p +(a -S i :H /i (a -S i :H /n (c -S i 异质结太阳能电池结构简图。
下列 P o i s s o n 方程描述其热平衡态性质 :ε(x =2d x 2=c (x (1图 1p +(a -S i :H /i (a -S i :H /n (c -S i 异质结太阳能电池结构简图d ie . 1S c h e m a t i c d i a e r a m of p +(a -S i :H /i (a -S i :H /n (c -S i s o l a r c e l l式中 b (x 称局部真空能级 , 它的数值与电子静电势相同 , 但符号相反 , 其单位为电子伏特[5, f ]; ε(x 是材料介电常数。
于是电池中电场强度 g (x 由下式得出 :g (x =d x方程 (1 右边空间电荷密度 c (x 表示为 :c (x =h [i (x j k (x +l +m (k n o (x +i t (x j k t (x ](2 其中 i (x 是价带中空穴浓度 , k (x 是导带中电子浓度 , l +D (k n o (x是净有效荷正电分立局域态浓度 , it (x是连续局域态上俘获的空穴浓度 , k t (x 是连续局域态上俘获的电子浓度。