摘要:運(yùn)用FORS-HET數(shù)值模擬軟件，對(duì)a-Si(n)/a-Si(i)/c-Si:(p)/a-Si(i)/pm-Si(p+)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池進(jìn)行模擬優(yōu)化，依次討論了不同結(jié)構(gòu)，發(fā)射層，本征層，背場(chǎng)對(duì)電池性能的影響。
通過(guò)計(jì)算不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，結(jié)果表明:通過(guò)模擬計(jì)算顯示太陽(yáng)能電池性能最高的是雙面HIT結(jié)構(gòu);電池性能隨著發(fā)射層厚度的增加，載流子的收集效率降低造成各項(xiàng)參數(shù)逐漸降低，隨著摻雜濃度的提高使得內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度增加，性能提高最終趨于穩(wěn)定;隨本征層厚度的增加電池各個(gè)參數(shù)逐漸降低;增加背場(chǎng)能夠提高電池性能。
通過(guò)優(yōu)化背場(chǎng)帶隙在1.6-1.8eV摻雜濃度NB≥1×1019cm-3的薄膜硅材料且本征層的厚度應(yīng)該控制在3nm，發(fā)射層厚度在3-5nm較合適。理論計(jì)算表明雙面HIT太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)29.17%.
關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬;背場(chǎng);雙面HIT太陽(yáng)電池;本征層;發(fā)射層
社會(huì)在快速發(fā)展消耗了大量的不可再生資源，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以現(xiàn)在的首要任務(wù)是尋找和開發(fā)新能源。新型的可再生能源中，太陽(yáng)能儲(chǔ)量無(wú)限，零污染和覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，為了利用太陽(yáng)能，太陽(yáng)能電池的應(yīng)運(yùn)而生。太陽(yáng)能電池能的原理是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，且零污染。
太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是提高太陽(yáng)能電池的性能仍然是很大的難題。日本Sanyo公司在1994年制作出了轉(zhuǎn)化效率超過(guò)20%的“HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer)”異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。因?yàn)檫@種太陽(yáng)電池把一層很薄的本征非晶硅層插入在了吸收區(qū)和發(fā)射極之間，以此來(lái)鈍化異質(zhì)結(jié)的界面，所以他能同時(shí)實(shí)現(xiàn)pn結(jié)和優(yōu)異的表面鈍化，從而達(dá)到高效效果[1]。
影響太陽(yáng)電池效率的有背場(chǎng)、本征層、發(fā)射層、能帶補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)等內(nèi)部條件外，還有溫度、光照強(qiáng)度等外部條件。因此本文用AFORS-HET軟件先對(duì)雙面HIT太陽(yáng)電池進(jìn)行模擬優(yōu)[2]，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，得出雙面HIT太陽(yáng)能電池的性能最高。詳細(xì)分析了太陽(yáng)能電池各層的參數(shù)對(duì)電池效率的影響。并優(yōu)化了雙面HIT各個(gè)參數(shù)的數(shù)值。
1電池結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)模型
以a-Si(n)為窗口層、a-Si(i)為本征層、c-Si:(p)襯底為吸收層、pm-Si(p+)為薄膜背場(chǎng)。各層所采用的部分參數(shù)如表一所示。可變參數(shù)外這些參數(shù)除了，其他的都采用軟件的默認(rèn)值。另外參照文獻(xiàn)[3]中關(guān)于缺陷態(tài)參數(shù)對(duì)各層缺陷態(tài)進(jìn)行如下設(shè)置。
對(duì)于晶體硅的缺陷設(shè)置，取其為無(wú)帶尾態(tài)，體內(nèi)氧空位缺陷密度為1×1011cm-3，對(duì)應(yīng)能量位置在帶隙內(nèi)離價(jià)帶頂0.94eV處。非晶硅具有Urbach帶尾，a-Si(n)層中，導(dǎo)帶和價(jià)帶特征能量分別為0.033eV和0.064eV;a-Si(i)層中，價(jià)帶特征能量為0.041eV和和導(dǎo)帶特征能量0.036eV;pm-Si(p+)層中，價(jià)帶和導(dǎo)帶特征能量分別為0.079eV和0.033eV.
其中，對(duì)a-Si(n)，取類施主缺陷態(tài)密度為1×1020cm-3，高斯峰峰值能量(離價(jià)帶頂?shù)哪芰?為0.44eV，峰值半寬為0.21eV，取類受主缺陷態(tài)密度為5×1020cm-3，高斯峰峰值能量為0.63eV，峰值半寬為0.25eV;對(duì)a-Si(i)，其缺陷太較低時(shí)對(duì)異質(zhì)界面具有良好的鈍化作用，故取類施主缺陷態(tài)密度為1×1016cm-3，高斯峰峰值能量為0.89eV，峰值半寬為0.144eV，類受主缺陷態(tài)密度為1×1016cm-3，高斯峰峰值能量為1.08eV，峰值半寬為0.134eV.
對(duì)pm-Si(p+)，取類施主缺陷態(tài)密度為1×1019cm-3，高斯峰峰值能量為1.15eV，峰值半寬為0.24eV，類受主缺陷態(tài)密度為1×1020cm-3，高斯峰峰值能量為1.15eV，峰值半寬為0.24eV[4];忽略界面態(tài)在模擬過(guò)程中的影響，取理想情況，AM1.5，0.1W/cm3，并假定太陽(yáng)電池表面的反射率為0.1，背面發(fā)射率為1.
2模擬結(jié)果分析與討論
2.1不同結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池
各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比中，雙面HIT太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)最高，尤其是開路電壓和轉(zhuǎn)化效率，開路電壓提高了將近150mV，轉(zhuǎn)化效率提高了近9%[5].所以，相對(duì)于n-p結(jié)構(gòu)和HIT結(jié)構(gòu)，雙面HIT結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率更高，電池電池性能更好。雙面HIT結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，電壓電流與橫縱坐標(biāo)所圍成的面積最大，效率最高。
2.2發(fā)射層對(duì)電池性能影響
隨著厚度的增加，電池各個(gè)參數(shù)降低。對(duì)于np結(jié)構(gòu)，高摻雜帶來(lái)的缺陷與載流子的復(fù)合幾率隨著發(fā)射層厚度的增加的增大，致使到達(dá)空間電荷的載流子數(shù)量減少，載流子收集幾率降低;并且發(fā)射層厚度增加變相的增加了電池的串聯(lián)電阻[6]。所以造成了短路電流降低，填充因子，電池的轉(zhuǎn)化效率下降。綜上，發(fā)射層的厚度應(yīng)該保持在3nm～5nm.
可以看出發(fā)射層摻雜濃度在1018cm-3之前，各項(xiàng)參數(shù)隨著摻雜濃度的增加而提高，之后電池各參數(shù)基本不變。內(nèi)建電勢(shì)雖然由于重?fù)诫s濃度提高而增大，但同時(shí)，造成了暗電流的增加，缺陷態(tài)也大量增加[7]。所以之后的電池各項(xiàng)參數(shù)會(huì)達(dá)到一種平衡保持不變。
2.3本征層對(duì)電池性能影響
開路電壓保持不變外，電池的轉(zhuǎn)化效率、填充因子和短路電流都在隨著本征層厚度的增加而逐漸降低。這是因?yàn)檫^(guò)厚的本征層會(huì)造成電場(chǎng)強(qiáng)度下降，從而載流子穿過(guò)結(jié)區(qū)受到影響，短路電流填充因子和轉(zhuǎn)化效率降低了。本征層其厚度不能過(guò)厚，造成材料的浪費(fèi)增加成本[8]。綜合到現(xiàn)在的技術(shù)，本征層厚度控制在3nm最佳。
2.4背場(chǎng)對(duì)電池性能影響
有了背場(chǎng)背場(chǎng)的I-V曲線與坐標(biāo)軸的面積更大，即電池總功率增大。增加了背場(chǎng)電池的轉(zhuǎn)化效率提升了將近8.5%.增加背場(chǎng)能夠提高電池性能主要原因是背場(chǎng)的增加形成了背電場(chǎng)，背電場(chǎng)的方向與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，從而提高了開路電壓Voc.因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高[5]。
2.4.1薄膜硅背場(chǎng)帶隙對(duì)太陽(yáng)電池影響
對(duì)于不同的帶隙材料，我們很難把其所有的光電參數(shù)精準(zhǔn)的給出來(lái)。所以選擇特定的集中作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選擇帶隙Eg的變化范圍在1.2～1.8eV，盡可能覆蓋從微晶硅到非晶硅等各種形態(tài)的薄膜硅材料[9]。在同一種背場(chǎng)帶隙下(以1.6eV為例)，電池的填充因子逐漸提高隨著摻雜濃度的提高。在一定的摻雜濃度下(1018cm-3)，隨著背場(chǎng)帶隙的增加，填充因子也逐漸增大。而背場(chǎng)帶隙在高濃度摻雜時(shí)對(duì)填充因子的影響很小。
在同一種背場(chǎng)帶隙下(以1.6eV為例)，隨著摻雜濃度的提高，電池的轉(zhuǎn)化效率逐漸提高。在一定的摻雜濃度下(1018cm-3)，隨著背場(chǎng)帶隙的增加，轉(zhuǎn)化效率也逐漸增大。當(dāng)摻雜濃度NB≥19cm-3時(shí)，背場(chǎng)帶隙1.6eV，1.74eV和1.8eV的電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到28.5%.而帶隙為1.4eV和1.3eV要在1×1021cm-3和1×1023cm-3才能達(dá)到。從上可知，之所以不能選擇窄帶隙薄膜硅材料作為電池背場(chǎng)，是因?yàn)檎瓗侗∧す璨牧献鰹楸硤?chǎng)要達(dá)到最佳背場(chǎng)效果要很高的摻雜濃度。
3結(jié)論
采用AFORS-HET模擬軟件對(duì)雙面HIT結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的不同結(jié)構(gòu)，發(fā)射層，本征層，背場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化。結(jié)果表明:雙面HIT太陽(yáng)能電池的性能最高。發(fā)射層的厚度應(yīng)該在3～5nm，摻雜濃度在1018cm-3;本征層最佳厚度在3nm，且本征層能夠提高電池效率;背場(chǎng)對(duì)電池性能的提升有明顯作用，能大幅度提升電池的效率，背場(chǎng)摻雜濃度NB≥1×1019cm-3帶隙在1.6～1.8eV范圍內(nèi)時(shí)的材料比較適合作為電池的背場(chǎng)。雙面HIT太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率理論可以到29.17%，具有很高的應(yīng)用前景和研究意義很高[11]。
參考文獻(xiàn)：
[1]程雪梅，孟凡英，汪建強(qiáng)，等.p型晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池光電特性模擬研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33(9):1474-1479.
[2]朱美芳，張群芳，劉豐珍，等.高效薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池的研究[J].太陽(yáng)能，2006，4:4041.
[3]李海玲，周春蘭，趙雷.異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池薄膜硅背場(chǎng)的模擬優(yōu)化[J].物理學(xué)報(bào)，2008，57(5):3212-3215.
[4]胡志華，刁宏偉，廖顯伯，等.非晶硅太陽(yáng)電池光照模擬[J].物理學(xué)報(bào)，2005，54(5):2302-2305.
[5]楊德仁.太陽(yáng)電池材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.
能源方向刊物推薦：《太陽(yáng)能學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國(guó)科協(xié)主管，中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)主辦，北京市太陽(yáng)能研究所承辦，自創(chuàng)刊以來(lái)為我國(guó)新能源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流、人才培養(yǎng)及促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化等方面做出了貢獻(xiàn)。
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