微晶硅薄膜太阳电池的模拟计算

许明坤 王向贤

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

引言

随着世界经济的不断发展，许多不可再生资源即将枯竭。人类迫切需要寻找新能源。与火电、水电、核电相比，太阳能发电具有清洁、安全、资源广泛等优点。因此，太阳能的利用有很广的发展前景。太阳能电池是利用太阳光照在半导体p-n结上时，形成新的空穴-电子对，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流，把光能转化为电能的半导体器件。

太阳能电池种类繁多，而在所有的太阳能电池中，微晶硅（μc-Si:H）薄膜电池的效率高，稳定性好。氢化微晶硅薄膜（μc-Si:H）是由微晶粒、晶粒边界、微空洞和非晶硅共存的复相材料[1]。微晶硅（μc-Si:H）薄膜材料具有很多优点，如单晶硅高稳定、非晶硅节省材料、制备工艺简单、低温（＜200℃）、便于大面积连续化生产等。具有接近单晶硅的光学带隙（1.12eV），可将光谱响应扩展到红外区域。实验表明：用μc-Si薄膜代替a-Si薄膜作电池的有源层制备的电池，在长期光照下电池的性能衰退极小[2，3]，其提高效率的潜力很大。

世界上，Veprek和Maracek[4]首次制备了微晶硅薄膜。瑞士的MEIER等[5]报导了第一个单结微晶硅薄膜电池。经过多年的广泛深入研究，单结微晶硅电池最高效率达到10.3%[6，7]。从本世纪初开始，我国也开始了对微晶硅材料和电池的研究，经过几年的努力，取得令人瞩目的成果[8-10]。

本文利用AMPS-1D软件模拟了以微晶硅作为窗口材料的PIN型太阳能电池的性能。

1 物理模型

AMPS是美国宾州大学开发的模拟软件，全称为Analysis of microelectronic and photonic structure。其理论方法是结合各自相关的2个边界条件求解一维泊松（Possion）方程以及电子和空穴连续性方程。在实际的太阳电池中，许多因素限制着器件的性能，因而在器件的设计和材料的选择中必须考虑这些因素。例如在背电极上沉积ZnO薄膜增加光封闭效果、选择光吸收性能好扩散长度较长的材料作为I层材料、选择合适的窗口材料增加对载流子的收集等。

对于硅基薄膜太阳电池而言，通常选择P层作为窗口层。在硅基薄膜太阳电池的研究中，可被用作窗口层的材料很多，按其结构可分为非晶和微晶两类。微晶硅(μc-Si:H)薄膜材料具有高稳定性、高电导率、高透光性等特点，而且具有易制备、低成本的优点[11,12]。因此，微晶硅薄膜是硅基薄膜太阳电池比较理想的窗口材料。然而对于p型微晶薄膜而言，即使薄膜具有相同的厚度，它的材料特性也可能有很大不同。它的光电特性不仅与制备方法有关，而且与沉积参数有关。所以对p-μc-Si:H窗口层材料特性进行模拟优化是非常有意义的工作。

运用AMPS模拟软件进行研究，模拟分析的太阳电池如下图

图1 太阳能电池的结构示意图Fig.1 The structure of solar cell

电池采用pin结构，其中n层为重掺杂的非晶硅材料，i层为本征非晶硅材料。P型窗口层采用微晶硅(μc-Si:H)材料。正面反射率为0，背面反射率为0.65。表1列举了模拟计算中所用的材料和器件参数。

表1 材料及器件参数

2 结果分析讨论

2.1 能带图

图2是太阳能电池在热平衡和偏压为0.8811V下的能带图。由图可以看出，在i层内部内建电场基本上保持不变。I层有两个作用：首先作为吸收层吸收光子产生光生载流子，要求其具有良好的光学吸收性能；其此作为光生载流子的输运路径，要求其具有一定的内建电场。在p/i界面处有一势垒存在，这是由于异质结界面两边的带隙不同造成的。这一势垒会直接影响太阳能电池的性能。同时由于异质结界面存在的晶格失配引起会界面缺陷态也会对太阳能电池性能产生较大的影响。

图2 热平衡及V=0.8811时能带结构图

2.2 电流电压曲线

图3 是光照和光暗两种情况下的电流电压曲线。可知在光暗下其电流电压曲线与普通半导体二极管一致。只有在光照下太阳能电池才能起到光电转换的作用。光照下I-V曲线与x轴的交点为开路电压，与y轴的交点为短路电流。同时还可以得到转换效率、填充因子等参数。

图3 光照及光暗下电流电压曲线

2.3 微晶硅（μc-Si:H）带隙对太阳能电池的影响

研究表明，氢化微晶硅薄膜(μc-Si:H)是由微晶粒、晶粒边界、微空洞和非晶硅共存的复相材料。微晶硅材料的晶相比不同时，其迁移率带隙也是不同的[13]，一般认为，微晶硅薄膜的晶相比越高，材料的迁移率带隙越低。图4~7给出了不同迁移率带隙的p型微晶硅薄膜作为窗口层时，电池的输出特性的变化趋势。

图4 微晶硅迁移率带隙对短路电流JSC的影响

图5 微晶硅迁移率带隙对转换效率Eff的影响

图6 微晶硅窗口层迁移率带隙对填充因子FF的影响

图7 微晶硅窗口层迁移率带隙对开路电压VOC的影响

可以看出当带隙为1.5ev时的短路电流最大，带隙为1.6ev时转换效率最大，填充因子随着带隙逐渐增大，开路电压在1.5ev和1.6ev附近处取得最大值。这是因为带隙越高，在p/i界面处的势垒越小，i层电场强度越大，从而增加了光生载流子的收集效率，电池的各项性能参数也增加。但是带隙过大时，微晶硅过度到了非晶硅，使得太阳能电池特性降低。综合分析可得出，当带隙在1.5ev-1.6ev附近时，电池的输出特性最好。

3 结论

采用AMPS软件分析了P型微晶硅 （μc-Si:H）窗口层带隙对pin结构薄膜太阳电池特性的影响。研究发现当带隙为1.6ev时，电池性能最好：JSC=14.919mA/cm2，Eff=7.309%，FF=0.556，Voc＝0.881。从而为在此基础上对太阳电池的进一步优化提供了依据。

[1]Chan K.Y,et al,Influence of crystalline volume fraction on the performance of high mobility microcrystalline silicon thin-film transistors[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2008，354:2505-2508.

[2]Wang Y,et al.Stability of microcrystalline silicon solar cells with HWCVD buffer layer[J].Thin Solid Films，2008，516:733–735.

[3]王岩，等.相变域硅薄膜材料的光稳定性[J].物理学报，2006，55（2）:947-951.

[4]Veprek S and Marecek V.The preparation of thin layers of Ge and Si by chemical hydrogen plasma transport[J].Solid State Electronics,1968，11（7）:683-684.

[5]Meier J,et al.Complete microcrystalline p-i-n solar cells-crystalline or amorphous cell behavior[J].Appl.Phys.Lett，1994，65（7）:860-862.

[6]Mai Y,et al.Improvement of open circuit voltage in microcrystalline silicon solar cells using hotwire buffer layers.Journal of Non-Crystalline Solids[J].2006，352（9-20）:1859-1862.

[7]Finger F,et al.High efficiency microcrystalline silicon solar cells with Hot-Wire CVD buffer layer[J].Thin Solid Films，2008，516：728–732.

[8]朱锋，等.P型微晶硅材料及在薄膜太阳电池上的应用[J].功能材料与器件学报,2005，11（4）:423-426.

[9]张晓丹，等.提高微晶硅薄膜太阳电池效率的研究[J].物理学报，2006，55（12）:6697-6700.

[10]韩晓艳，等.高速沉积本征微晶硅的优化及其在太阳电池中的应用[J].物理学报，2009，58（6）:4254-4259.

[11]Debajyoti D,J.Madhusudan,Development of highly conducting p-type μc-Si:H films from minordiborane doping in highly hydrogenated SiH4 plasma[J].Materials Letters，2004，58（6）:980-985.

[12]Nasuno Y,Kondo M,Matsuda A.Microcrystalline Silicon Thin—film Solar Cells Prepared at Low Temperature Using PECVD[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2002，74:497.

[13]Pieters B.E,Stiebig H,Determination of the mobility gap of intrinsic in p-i-n solar cells[J].J.Appl.Phys.2009，105（4）:044502.