c-Si异质结结构太阳能电池设计分析(精)

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 , 230026

2001-09-10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 9

14. 42文献标识码 :A

文章编号 :1000-3819(2003 04-470-06

A 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 n

S t r u c t u r e S o l a r C e l l s

L 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 HN

A 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 n

E 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 E

V 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

. 69876024

1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 c

T 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 =

2

d 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 i

e . 1S c h e m a t i c d i a e r a m o

f 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 , i

t (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。

方程 (2 中 i

t (x

和 k

t (x

表达式依赖于 a -S i :H 隙态密度分布的具体形式 , 本文采用用图

2

图 2" p " 型隙态密度分布

d i

e . 2p -s h a p e dd i s t r i b u t i o no

f e a ps t a t e s

的 " p " 型分布模型 [5, f ], 即从导带边 q

C

伸入带隙的 1 r 4

4期林鸿生等 :a -S i /C -S i 异质结结构太阳能电池设计分析

类受主 U r b a c h 带尾态为 N (E =G a o e x p (-E /E a , 和价带边 E V 伸入带隙的类施主 U r b a c h 带尾态 N (E =G d o e x p (-E /E d

, 能量 E 起始点分别从导带底和价带顶算起 , 伸入禁带为正 , 禁带中部是常数隙态密度 G m g , 其能量范围从 E L 0到 E =E U P -E L 0[5, 6]

, E d a 是类受主态和类施主态转换能量。表 1列出 a -S i /c -S i

异质结太阳能电池模拟计算中使用的典型物理参数 [2, 4~6]

。 a -S i :H 的 E g =1. 72e V , 电子亲和能 x e

=4. 0e V , 介电常数ε=11. 7, 而 c -S i 的E g =1. 12e V , x e =4. 05e V , ε=11. 9。模拟计算中 T =300K , 器件总长度为 L , L

=4. 0μm 。Φb o 是 x =0处势垒高度, Φb L 是 x =L 处势垒高度, Φb 0=1. 35e V , Φb L =0. 28e V , 方程 (1 的边界条件 :

V(0 =Φb o -Φb L

W

V(L =0

(3

把器件进行 400等分的网格划分 , 通过差分法把方程 (1 转化成一组差分方程组 , 由 X e Y Z o [

-\a p h ]o [解法求解差分方程组 [5, 6]

, 得出器件网格点上电子局部真空能级 V 的精确数值解 , 从而计

算出相应的能带图 , 电场强度和空间电荷浓度分布

等 [5, 6]。显然 ,

只要给器件选择恰当的物理参数 , 方程 (1 和 (3 求解是在没有任何先决条件下进行的。 a -S i :H 太阳能电池在光照射下性能出现衰退

影响了它的应用。在文献 [7]的实验结果中支持了空间电荷效应是 a -S i :H 太阳能电池光诱导性能衰

退的主要物理机制 [8], 继而应用数值模拟方法 [6]

进一步论证并得出结论 , 在光照射下 a -S i :H 太阳能电池光生空穴俘获产生的带正电缺陷使电池内部有了净正空间电荷 , 从而把高电场调制到 p /i 界面 , 而使 i /[界面附近电场强度下降以至出现小于

^1_104

V /c m ^

准中性区 (低场‘ 死层 a , 低场‘ 死层 a 降低 a -S i :H 太阳能电池对光生载流子收集 ,

使电池性能随着光照射而衰退。本文继续应用计算机数值模拟方法分析 a -S i /c -S i

异质结结构太阳能电池的稳定性 , 用 N b 来表示在光照下 a -S i :H 中由于空穴俘获正空间电荷密度的增加量 , 取 N b =5

_1016c m -3[6, 7, 9]

, 于是被光照射过的 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池中空间电荷效应也应用方程 (1 来模拟 , 但此时空间电荷密度 c (x

应取以下形式 :c (x =d [N b b e (x -f (x b N b g (f h i (x b e Z (x -f Z

(x ]c -S i 没有 S Z e b j e r -kr o []l i 效应 , N b

=0

。表 m n o p q /r o p q

异质结太阳能电池模拟计算使用的典型物理参数 s n t . m s u v w x y q r n z y u x {q r {y n |n }v w v |{, ~{v d n {q n y ~w f o |r o }y ~w v |{q }~z n w q o n q n n o p q /r o p q u v w v |o j ~n r w q o n {o z n |r v z z {

P a r a m e Z e r /u [i Z p (a -S i :H i (a -S i :H [(c -S i L /μm 0. 05

0. 03

3. 92

N g /c m

-3

5_10

14

N A /c m -3

7_1017

N C /c m

-32_10192_1019

2. 8_1019

N V /c m

-3

2_10

192_10

191. 09_10

19G d o /c m -3·e V -17. 222_10217. 222_1021

G a o /c m -3·e V

-17. 222_10217. 222_1021E d /e V 0. 05330. 0433E a /e V 0. 0370. 027 G m g /c m -3

·e V

-1

5_10

16

5_10

15

E

d a /

e V 0. 860. 86

3结果与讨论

3. m y b

(n o p q :H /n (r o p q 异质结中 n o p q :H 膜厚

设计

图 3是理论计算的 p b

(a -S i :H 0. 08μm /[(c -S i

异质结太阳能电池能带图。异质结位于 0. 08μm 处 , 能带不连续 , 价带顶有跳变 , 而且在靠近表面 (x

=0 区域能带向下弯曲。图 3p b

(a -S i :H 0. 08μm /[(c -S i

异质结太阳能电池能带图 (取电池 0~0. 25μm 区域 F i g . 3B a [dd i a g r a m o f p b (a -S i :H 0. 08μm /[(c -S i

h e Z e r o j u [c Z i o []o j a r c e j j (x =0~0. 25μm

图 4(1 是 p b(a -S i :H 0. 08μm /[(c -S i 异质结的电场强度分布 , x =0. 08μm 交界面上电场强

2

74固体电子学研究与进展

23卷

度最大 , 为 |1. 28×105

V /c m |

, 保证了对势垒区光生载流子的抽取 , 势垒区主要延伸于 c -S i

上 , 单晶硅中载流子扩散长度有几百微米 ,

载流子传输可以主要因扩散运动而进行 , 电场的存在并不重要 (如在接近电池c -S i 收集电极 x =2. 9μm 处 ,

电场强度最低 , 为 |0. 68V /c m | , 但 a -S i :H 等非晶薄膜缺陷密度高 , 载流子扩散长度极短 (<0. 1μm

, 膜内光生载流子要依靠其膜内高电场(≥ 1×104

V /c m

驱使才为电极所收集 , 而形成光生电流 , 有关非晶薄膜内电场强度分析对于其太阳能电池应用至关重要 , 这也是这一研究工作的出发点 , 但从图

4(1 看到 , p +(a -S i :H 膜内有小于 1×104

V /c m 的准中性区 (低场 " 死层 " , 如 x =0. 04, 0. 05, 0. 06μm , 强度分别为 |6. 06×102

V /c m |

, |3. 57×103V /c m |和 |1. 41×104

V /c m |, 低场区的出现不利于光生载流子传输与收集 , 但若把 p +

(a -S i :H 膜厚减薄至 0. 04μm , 则如图 4(2 所示 , 膜内低场区几乎消失 , 如 x =0. 02μm 处 ,

强度为 |9. 32×103V /c m |, 因此 p +

(a -S i :H

膜越薄 , 光生载流子的传输与收集就越容易

。

图 4a -S i /c -S i

异质结太阳能电池电场强度分布 (取电池 0~0. 25μm 区域 [(1 p + (a -S i :H 0. 08μm /n (c -S i , (2 p +(a -S i :H 0. 04μm /n (c -S i

]F i g . 4E l e c t r i c f i e l dp r o f i l e s i na -S i /c -S i h e t e r o j u n c t i o n s o l a rc e l l (x =0~0. 25μm [(1 p +

(a -S i :H

0. 08μm /n (c -S i ,(2 p +(a -S i :H 0. 04μm /n (c -S i , r e s p e c t i v e l y

]特别值得注意的是 , 如图 4(1 和 (2

所示 , 在靠近表面 (x

=0 区域内存在反电场 , 表面上反电场强度最大 , 随着深入体内而减小 , 如 p +(a -S i :H

0. 08μm /n (c -S i 异质结 , x =0, 0. 01, 0. 02, 0. 03μm ,

电场强度分别为 +4. 05×104, +1. 87×104

, +4. 85×103, +1. 01×103

V /c m ,

反电场区域 (0~0. 03μm

是膜厚的 3/8, 而 p +

(a -S i :H 0. 04μm /n (c -S i 异质结 , x =0, 0. 01μm , 反电场强度 +4. 03×10

4, +1. 46×104

, 反电场强度数值减少 , 区域范围也减小为 (0~0. 01μm , 仅是膜厚的 1/4, 反电场区域的能带向下弯曲 , 如图 3。反电场将阻挡电

极对光生空穴的收集 , 但如刚才所揭示的 , p +(a

-S i :H 膜愈薄 , 不仅膜内小于 1×104

V /c m 的低场

区愈窄 , 而且反电场区域和强度也愈小 , p +

(a -S i :H

膜薄还使载流子扩散运动变得重要 , 这样光生空穴在接近表面时除了高电场下漂移运动的惯性外还能借助扩散运动来冲破反电场到达收集电极 ,

这时由于光生载流子的有效收集 , 增大了电池的短

路电流 , 而且厚度尽可能薄的 p +(a -S i :H

薄膜还能减少入射光及光生载流子在 p +

(a -S i :H 层损失 , 于是薄的 p +

(a -S i :H

薄膜设计将能提高电池的性能 , 例如把 p +

(a -S i :H 薄膜厚度从 40n m 减薄到 5n m , p +(a -S i :H /n (c -S i

异质结太阳能电池的短路电流密度将由 25升高至 30m A /c m 2 ,

而能量转换效率则由 9. 2%提高到 12. 3%[2],

不过太薄的 p +

(a -S i :H 膜与 c -S i

所形成的是浅异质结 , 受界面影响较大 , 异质结特性不易做好。

3. 2p +

(a -S i :H /n (c -S i 异质结中 a -S i :H 薄膜

的 p 型杂质浓度选择

如果降低 p +

(a -S i :H 薄膜掺杂 , 取 N A =1×1017c m -3, 计算的 p +

(a -S i :H 0. 08μm /n (c -S i

异质结太阳能电池能带示于图 5, 异质结位于 0. 08

μm 处 , 能带不连续 , 价带顶有跳变 , 在靠近表面 (x

=0

区域能带不是向下而是向上弯曲。图 6(1 是 p +(a -S i :H 薄膜掺杂为 N A

=1×1017c m -3的 p +

(

a -S i :H 0. 08μm /n (c -S i 异质结的电场强度分布 , 把 p +(a -S i :H 薄膜中 N A =7×1017

c m -3掺杂的 p +

(a -S i :H 0. 08μm /n (c -S i

异质结的电场强度分布重新画在图 6(2 。 x =0. 08μm 交

界面上 , 两种电池电场强度都最大 , 但 N A =1×

1017c m -3掺杂的强度减弱为 |5. 42×104

V /c m |

, 不过有意思的是 , 靠近表面的反电场区域消失 [在靠近表面 (x

=0 区域 , 能带向上弯曲 , 见图 5]; 而且电池的大部分非晶薄膜中电场强度变大 , 最小值是

x =0. 03μm 处强度为 |1. 66×104

V /c m |

, 以至小于 1×104V /c m 的低场区也消失 , 所以降低 p +

(a

-S i :H /n (c -S i 异质结太阳能电池中 a -S i :H 薄膜 p

3

744期林鸿生等 :a -S i /C -S i

异质结结构太阳能电池设计分析

图 5p +

(a -S i :H 0. 08μm /n (c -S i

异质结太阳能电池能带图 (取电池 0~0. 25μm 区域 , 其中 p + (a -S i :H 薄膜掺杂 N A =1×1017c m

-3

F i g . 5B a n dd i a g r a m o f p +

(

a -S i :H 0. 08μm /n (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 (x =0~0. 25μm , a n d

N A =1×1017c m -3 i

np +

(a -S i :H f i l m 型掺杂浓度有利于电池光生载流子的传输与收集。但为了增加电池内电势和减小串联电阻 , a -S i :H 薄膜掺杂浓度要适当调高 , 伴随高掺杂出现的小于

1×104

V /c m 低场区和靠近表面反电场区域 ,

如上节所分析 , 随着 p +

(a -S i :H

膜厚进一步减薄 , 对光生载流子传输与收集的影响愈来愈不重要 ,

所以 a -S i /c -S i

异质结太阳能电池设计中都选择薄的重掺杂 p +

(a -S i :H

薄膜

。图 6p +

(a -S i :H 0. 08μm /n (c -S i

异质结太阳能电池电场强度分布 (取电池 0~0. 25μm 区域 [(1 p + (a -S i :H 中 N A =1×1017c m -3, (2 p +

(a -S i :H 中 N A =7×1017c m -3]

F i g . 6E l e c t r i c f i e l dp r o f i l e s i np +

(a -S i :H 0. 08μm /n

(c -S i h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l (x

=0~0. 25μm [(1 N A =1×1017c m -3,