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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.073
摘 要：本文建立基于pin型结构非晶硅薄膜太阳能电池，采用数值模拟的方法，通过模拟分析表明，在电池的p/i、i/n界面插入缓冲层可以得到电池转化效率为7.474%，比没有缓冲层电池提高0.305%。
关键词：非晶硅 缓冲层 转化效率
中图分类号：O469 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0073-02
由于非晶硅材料的原子结构是一种共价无规的网络原子结构，不受周期性结构的约束，具有短程有序、长程无序的结构。无序结构导致多种结构缺陷和微空洞的形成，这就使得非晶态半导体材料能隙深处具有缺陷定域态，这些定域态提高使载流子复合率。对于异质结太阳能电池界面缺陷是不可避免，在p/i、i/n界面存在的晶格失配，这样就会使自由载流子复合几率提高，从而影响电池的性能。在制备材料的过程中，从材料1到材料2总会有一个过渡区，材料带隙和电子亲和势的渐变对提高电池短路电流和填充因子有非常显著的作用。
1 物理模型和数值方法
1.1 物理模型
建立一个单结pin非晶硅薄膜太阳能电池，其结构为：TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/背电极。模拟计算插入缓冲层对电池性能的影响，模拟的过程取缓冲层的厚度为4nm。模拟时采用标准的太阳光谱AM1.5（100mW/cm2）从电池左侧入射，设入射光在前、背电极表面的反射率在理想情况下分别为0和1，载流子通过复合中心的间接复合机制采用SRH模型[1]。在我们计算中左右电极界面的电子空穴界面复合速率都设定1×107cm/s。电池的工作温度为300K[2]。
1.2 AMPS原理
AMPS-1D程序主要运用Newton-Raphson方法和边界条件求解相互关联的非线性微分一维泊松方程和电子、空穴连续性方程，通过数值计算分析电池中载流子产生、符合和输运性质等各种工作参数。
模拟中各层半导体材料是a-Si：H，其原子结构特征是长程无序、短程有序的无规网络结构，存在大量悬挂键。无序的结构使价带和导带边向带隙延伸出定域化的带尾态，在带隙中部形成了由结构缺陷引起的缺陷态。广泛采用a-Si：H能带分布是Mott-Davis能带模型[3]，表明了能带边和带隙的电子态密度随能量的分布状况。
由悬挂键和鍵畸变引起价带尾态和导带尾态可俘获载流子，对载流子起陷阱作用。带尾态密度近似于指数分布：
（1）
（2）
式中，EA，ED分别为导带尾、价带尾特征能量；EV，EC分别为价带、导带迁移率边。
1.3 模型参数设置
模型中各参数设置如表1所示。
2 数值模拟与结果分析
2.1 在p/i、i/n界面插入缓冲层对电池效率的影响
对于异质结，由于结两边材料的带隙宽度的不同，能带在界面处是不连续的，有尖峰的出现，分别称为导带和价带的带结。带结是影响异质结性能极为重要的参数。在载流子输运过程中由于存在势垒使载流子有效收集遇到困难，本文在p/i、i/n界面分别加入带隙为1.72eV和1.68eV的纳米硅a-Si：H缓冲层，通过调节材料的内部参数使其带结尽可能降低，这样缓冲层可以起到一个带隙过渡的作用，使势垒降低，从而使电子有效地被收集，电池效率变大。
从图1可以看出加入缓冲层后界面的带明显降低，结果表明，插入缓冲层后，电池的性能有明显的改善。这是因为缓冲层主要改善晶格失配的作用，从图1可看出势垒降低，这样减少载流子在界面的复合。此外，掺入的缓冲层减小界面电势，从而增加活性层的电场，增加载流子收集。通过优化得到7.474%的转化效率。
2.2 插入缓冲层厚度对电池效率的影响
计算结果如图2所示，电池效率随缓冲层厚度从1nm逐渐增加到7nm过程中在减小，随短路电流在减小，FF和VOC没有变化的情况下导致电池的效率减小。
3 结语
通过对电池优化模拟的结果分析可以得到：在p/i、i/n界面插入缓冲层电池转化效率为7.474%，比没有缓冲层电池提高0.305%；缓冲层的厚度对电池的开路电压和填充因子几乎没有影响，对短路电流影响很小，进而對电池的效率影响也很小。
参考文献
[1] Shockley W，Read W T.Statistics of the Recombinations of Holes and Electrons[J].Phys Rev，1952，87（5）：835-842.
[2] 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.
[3] Cohen M H，Frittzsche H，Ovshinsky S R.Simple Band Model for Amorphous Semiconducting Alloys[J].Phys.Rev.Lett.，1969（22）：1065-1068.
[4] 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.
摘 要：本文建立基于pin型结构非晶硅薄膜太阳能电池，采用数值模拟的方法，通过模拟分析表明，在电池的p/i、i/n界面插入缓冲层可以得到电池转化效率为7.474%，比没有缓冲层电池提高0.305%。
关键词：非晶硅 缓冲层 转化效率
中图分类号：O469 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0073-02
由于非晶硅材料的原子结构是一种共价无规的网络原子结构，不受周期性结构的约束，具有短程有序、长程无序的结构。无序结构导致多种结构缺陷和微空洞的形成，这就使得非晶态半导体材料能隙深处具有缺陷定域态，这些定域态提高使载流子复合率。对于异质结太阳能电池界面缺陷是不可避免，在p/i、i/n界面存在的晶格失配，这样就会使自由载流子复合几率提高，从而影响电池的性能。在制备材料的过程中，从材料1到材料2总会有一个过渡区，材料带隙和电子亲和势的渐变对提高电池短路电流和填充因子有非常显著的作用。
1 物理模型和数值方法
1.1 物理模型
建立一个单结pin非晶硅薄膜太阳能电池，其结构为：TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/背电极。模拟计算插入缓冲层对电池性能的影响，模拟的过程取缓冲层的厚度为4nm。模拟时采用标准的太阳光谱AM1.5（100mW/cm2）从电池左侧入射，设入射光在前、背电极表面的反射率在理想情况下分别为0和1，载流子通过复合中心的间接复合机制采用SRH模型[1]。在我们计算中左右电极界面的电子空穴界面复合速率都设定1×107cm/s。电池的工作温度为300K[2]。
1.2 AMPS原理
AMPS-1D程序主要运用Newton-Raphson方法和边界条件求解相互关联的非线性微分一维泊松方程和电子、空穴连续性方程，通过数值计算分析电池中载流子产生、符合和输运性质等各种工作参数。
模拟中各层半导体材料是a-Si：H，其原子结构特征是长程无序、短程有序的无规网络结构，存在大量悬挂键。无序的结构使价带和导带边向带隙延伸出定域化的带尾态，在带隙中部形成了由结构缺陷引起的缺陷态。广泛采用a-Si：H能带分布是Mott-Davis能带模型[3]，表明了能带边和带隙的电子态密度随能量的分布状况。
由悬挂键和鍵畸变引起价带尾态和导带尾态可俘获载流子，对载流子起陷阱作用。带尾态密度近似于指数分布：
（1）
（2）
式中，EA，ED分别为导带尾、价带尾特征能量；EV，EC分别为价带、导带迁移率边。
1.3 模型参数设置
模型中各参数设置如表1所示。
2 数值模拟与结果分析
2.1 在p/i、i/n界面插入缓冲层对电池效率的影响
对于异质结，由于结两边材料的带隙宽度的不同，能带在界面处是不连续的，有尖峰的出现，分别称为导带和价带的带结。带结是影响异质结性能极为重要的参数。在载流子输运过程中由于存在势垒使载流子有效收集遇到困难，本文在p/i、i/n界面分别加入带隙为1.72eV和1.68eV的纳米硅a-Si：H缓冲层，通过调节材料的内部参数使其带结尽可能降低，这样缓冲层可以起到一个带隙过渡的作用，使势垒降低，从而使电子有效地被收集，电池效率变大。
从图1可以看出加入缓冲层后界面的带明显降低，结果表明，插入缓冲层后，电池的性能有明显的改善。这是因为缓冲层主要改善晶格失配的作用，从图1可看出势垒降低，这样减少载流子在界面的复合。此外，掺入的缓冲层减小界面电势，从而增加活性层的电场，增加载流子收集。通过优化得到7.474%的转化效率。
2.2 插入缓冲层厚度对电池效率的影响
计算结果如图2所示，电池效率随缓冲层厚度从1nm逐渐增加到7nm过程中在减小，随短路电流在减小，FF和VOC没有变化的情况下导致电池的效率减小。
3 结语
通过对电池优化模拟的结果分析可以得到：在p/i、i/n界面插入缓冲层电池转化效率为7.474%，比没有缓冲层电池提高0.305%；缓冲层的厚度对电池的开路电压和填充因子几乎没有影响，对短路电流影响很小，进而對电池的效率影响也很小。
参考文献
[1] Shockley W，Read W T.Statistics of the Recombinations of Holes and Electrons[J].Phys Rev，1952，87（5）：835-842.
[2] 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.
[3] Cohen M H，Frittzsche H，Ovshinsky S R.Simple Band Model for Amorphous Semiconducting Alloys[J].Phys.Rev.Lett.，1969（22）：1065-1068.
[4] 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.