薄膜太阳电池系列讲座(18)硅基薄膜太阳电池(十)

南开大学光电子薄膜器件与技术研究所 光电信息技术科学教育部重点实验室 光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室 张晓丹 赵颖 熊绍珍

单结硅基薄膜太阳电池的Voc、Jsc与带隙之间的实验结果如图48所示。由图中可知，晶体材料基本符合Green的半经验极限，据Kiess的理论数值有一个近乎平行的整体位移，而薄膜电池中多晶CdTe电池离Green极限有一定差距，而无定形非晶硅电池则差距较大，这与薄膜材料的结构、性能、制备工艺成熟程度明显相关。该数据对非晶硅电池的数据显得陈旧，目前Voc达到1V并非难事。

图48 吸收层带隙与Voc(a)和Jsc(b)的关系

② 短路电流密度Jsc

短路下Jillum=Jph。图48b给出了单结太阳电池短路电流密度与带隙之间实验与理论计算的结果比较。其中细线是理论计算结果，数据点是实验结果，粗线是拟合数据的结果。Jsc在很大程度上主要取决于对太阳光的吸收能力，而这又与构成电池吸收层材料的带隙密切相关。拟合Jsc的经验公式为:

式中，Eg以eV计。随着带隙展宽，太阳光谱中大于材料长波吸收限λm(λm(µm)=1.24/Eg(eV))的光子数相应减少，Jsc也会下降。图48给出不同带隙材料按照精细工艺制备电池的数据结果[43]。结果表明，除单晶硅和GaAs电池的实验数据和理论值接近外，其他薄膜电池的数据均比理论值低。结果表明，单晶硅和GaAs电池的成熟度更好，其他各类电池尚需加快工艺的成熟度，使Jsc得以提升。

限制硅基薄膜电池Jsc的影响因素有:(1)大量的光在进入吸收层前即被反射损失，这主要来源于向光的玻璃自身的吸收和反射以及TCO/Si膜界面的反射。(2)电池吸收层太薄，不能对太阳光进行足够的吸收，所用的光陷阱结构并未使光学厚度拓展到足够程度。(3)有些被吸收层吸收的光子并未对产生光生电流Jph作贡献。其原因在于有些吸收的光并非全部被有源层吸收而是被透明导电膜、掺杂层、中间层、背反射层等功能层吸收，造成大量的光吸收损失。(4)因i层内复合，即使是在短路条件下也存在复合，造成光生电流Jph的损失。

如图48所示，模拟计算1.75eV的非晶硅电池的Jsc应达到21mA/cm2，但目前可达到的最优结果只有18mA/cm2。微晶硅电池的带隙按1.1eV计，按照单晶硅的计算，最大电流可达44mA/cm2，但目前水平只有25～30mA/cm2。微晶硅电池的Jsc与理论值有明显的差距，原因可能是以1.1eV理论计算，其长波限位于近红外，而此时微晶硅的吸收系数很低，加之TCO膜在红外区因载流子散射导致自身吸收增加，使进入有源层的红外光进一步减少，这样本来吸收就少的红外光又被TCO部分损失掉，两者叠加，使得微晶硅有效光生电流的损失加大。

③ 填充因子FF

图49为并联电阻、串联电阻对I-V曲线形状的影响以及电池的FF与其有源层带隙宽度的理论计算与实验的对比。图中显示器件结构引入漏电来源、材料自身电阻或接触电阻等都会引起FF的下降。理论计算显示，用宽带隙作有源层的光伏器件，FF会更高。这可能因为FF的经验表达式(式29)[43]与Voc相关，而Voc又与带隙宽度密切相关的缘故。此外p-n结的品质因子也显著影响FF。以上计算是针对晶体p-n结的理论计算得到，体内无复合(n=1)的FF大，如果以复合为主(n=2)则会减小FF。

实际电池的FF又与工艺的成熟程度及材料结晶性的优劣更为相关。晶体硅以及Ⅲ-Ⅴ族材料(如InP、GaAs)的电池，其FF与理论计算非常接近。即使是薄膜电池，由于其材料结构的有序程度，如多晶性质的CIGS和CdTe电池，其FF也较接近于计算值。而非晶硅结构的无序性，理论计算公式并非与材料结构及结特性相符，因此a-Si:H电池的FF与计算值相差甚远。由于理论计算的基础源于晶态的特性，并未计入无序性所带来的影响。即便如此，式29仍对估算与指导a-Si:H电池特性的提高有一定意义。

图49 并联电阻Rsh(a)和串联电阻Rs(b)对太阳电池I-V特性的影响以及FF与带隙宽度的关系(c)[8]

除材料自身物理因素外，电池结构带来的并、串联电阻的问题也需大力改善。在硅基薄膜电池中，串联电阻Rs主要来源金属和TCO(透明导电氧化物)的电阻、各掺杂层自身引入的无功损耗，以及串联集成工艺中不完全或过度的各层条间的激光刻画等。也正如此，硅基薄膜的串联集成电池组件，都以长条形状子电池的串联，以缩短载流子输运长度，降低电阻损失(见图50)。电池的并联电阻来源于电池自身的漏电流、不良的电池制备工艺，如为解决光管理采用绒面TCO中过度尖锐的绒面造成尖峰处的漏电等。串联电阻不应大于10½·cm2，并联电阻则应大于10k½·cm2。

图50 非晶硅电池与单晶硅电池的外貌比较

非晶硅电池的最佳FF约为75%，光衰退后会降到65%。若微晶硅材料的有序性较高、迁移率较大，电池的FF也会提高，有可能达到78%以上[8]。如果低于上述值，可能存在的问题为:(1)由于i层质量不佳，或来自于p/i、n/i界面的问题，影响对光生载流子的有效收集。这可由测得的低收集电压或光谱响应中看出。(2)不令人满意的层间接触特性导致高串联电阻。(3)低并联电阻可能来源于裂缝或其他结构的不完整性。(4)在裂缝周围区域形成漏电通道，导致高的反向饱和电流密度Jo，或者使p-i-n二极管性能质量变差。

表3为对FF影响因素的分析。

表3 单结硅基薄膜电池不同失效因素对FF的影响[8]

④ 转换效率η[44]

太阳电池从吸收太阳光能到转换成电能的过程，见图51列举的各个子过程。主要针对光生载流子产生、输运、反向收集达到电能转换的过程中可能的能量损失来源，以便研究对策、找寻办法，提高效率。

图51 太阳电池吸收光能转换成电能的各个过程引入的能量损失[44]

吸收损失:吸收损失来源于太阳电池吸收层带隙Eg的限制。太阳光谱中那些能量小于Eg的光子，因吸收限的限制而不被吸收，对光电转换不作贡献，所以损失掉了。图中，JE,abs为电池吸收光子的能量流；JE,inc为入射光子的能量流。损失部分为两者之比，表示吸收的光子占总入射光子数之比:

热化损失:入射光子中能量远高于带隙宽度的光子，将把价带底的电子激发到远高于导带底的上部，或价带底部的电子被激发到导带底，在价带深部产生空穴。那些携带能量高于Eg的电子或空穴处于激发态(称之为热电子或热空穴)，并不稳定，将在ps(皮秒)到几十ps内将能量释放给声子(或称传递给晶格，加快晶格振动)，然后回到导带底或价带顶的稳定状态，此过程称为热化过程。能量损失部分是将多余能量转递给声子变成稳定自由载流子的那部分能量，此时自由载流子所携带的能量为电子空穴对的自由能＜εe+εh＞。＜εe+εh＞=Eg+3kT。热化能量损失部分写作:η=。其中thermalization＜hωabc＞为吸收能量的平均值。

[44]Wurfel P. Physics of solar cells: from principle to new concepts[M]. Wiley-VCH, 2005:152－153.(待续)