微晶硅同質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)電池的數(shù)值模擬分析

　　采用太陽(yáng)電池電容模擬軟件（簡(jiǎn)稱SCAPS）對(duì)p- i- n 結(jié)構(gòu)的微晶硅同質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究了本征層的厚度和缺陷態(tài)濃度及窗口層的厚度等參數(shù)對(duì)電池性能的影響。得到的主要結(jié)論如下：（1）隨著本征層缺陷態(tài)濃度Nt 的增加，電池的各性能參數(shù)均單調(diào)下降。（2）隨著本征層厚度的增加，長(zhǎng)波段的光譜響應(yīng)逐漸改善，但該層過厚則導(dǎo)致中波段的光譜響應(yīng)急劇下降，在Nt=1.0×10¹⁶/cm³ 的條件下，本征層厚度在1.5~2.0 μm 范圍內(nèi)電池效率均可達(dá)到7.0%以上。（3）p 型窗口層的厚度對(duì)短波段的光譜響應(yīng)及短路電流密度JSC有較大影響。

　　提高轉(zhuǎn)化效率、降低生產(chǎn)成本始終是太陽(yáng)電池研究的兩大方向，薄膜太陽(yáng)電池正是順應(yīng)這一要求而迅速發(fā)展起來的。在各類薄膜太陽(yáng)電池中，微晶硅(μc- Si:H)薄膜電池因兼有晶體硅電池的高穩(wěn)定性和薄膜電池低成本的優(yōu)勢(shì)，成為近年來光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前有關(guān)微晶硅薄膜電池的研究工作主要集中在實(shí)驗(yàn)方面，研究?jī)?nèi)容涉及如何提高微晶硅薄膜的沉積速率、控制氧污染及制備光陷阱等。為了更好的理解微晶硅薄膜太陽(yáng)電池的工作原理，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，本文利用太陽(yáng)電池電容模擬軟件（簡(jiǎn)稱SCAPS）對(duì)p-i-n 結(jié)構(gòu)的微晶硅薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)行數(shù)值模擬，主要研究了本征層的缺陷態(tài)濃度和厚度以及窗口層的厚度等參數(shù)對(duì)電池性能的影響。

1、SCAPS 軟件簡(jiǎn)介及物理模型

　　SCAPS （Solar Cell Capacitance Simulator）是Burgelman 等人依據(jù)半導(dǎo)體器件物理的基本方程（包括泊松方程、電子和空穴的連續(xù)性方程等）研究開發(fā)的太陽(yáng)電池電容模擬軟件。近年來，Burgelman 等人利用該軟件針對(duì)CdTe 和CIGS 等多晶薄膜太陽(yáng)電池開展了大量的研究工作，所得到的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。

　　本文所研究的p-i-n微晶硅薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 中p、i、n 三層都是微晶硅薄膜，由于本征層（即i 層）中通常存在不同程度的氧污染，該層實(shí)際上呈弱n 型，故該結(jié)構(gòu)也可稱作pnn 結(jié)構(gòu)。計(jì)算中微晶硅的薄膜吸收系數(shù)取自文獻(xiàn)，光學(xué)帶隙取為1.2 eV，各層的具體參數(shù)見表1。本模型沒有考慮復(fù)雜的陷光結(jié)構(gòu)。模擬時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)光譜AM1.5 (100mW/cm²)從電池左側(cè)入射，設(shè)入射光在前、背電極表面的反射率分別為0.1 和0.9；電子和空穴在該表面處的復(fù)合速率為1×10⁷ cm/s。為了簡(jiǎn)化，本文暫不考慮界面態(tài)的影響。

圖1 微晶硅p-i-n薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖

3、結(jié)論

　　利用Burgelman 等人開發(fā)的SCAPS 軟件，通過建立微晶硅薄膜電池模型并合理設(shè)置參數(shù)，研究了本征層缺陷態(tài)濃度、厚度及p 型窗口層的厚度對(duì)電池的各性能的影響，得到的主要結(jié)論如下：

　　(1) 本征層缺陷態(tài)濃度對(duì)電池性能有至關(guān)重要的影響：隨著本征層缺陷態(tài)密度Nt 的增加，各波段的光譜響應(yīng)都顯著變小，電池的各性能參數(shù)（VOC、JSC，F(xiàn)F，η）均單調(diào)下降。

　　(2) 隨著本征層厚度的增加，電池在長(zhǎng)波段的光譜響應(yīng)逐步改善；電池的開路電壓VOC 和填充因子FF 單調(diào)下降，短路電流密度JSC 和效率η先增大后減��；在缺陷態(tài)濃度為1.0×10¹⁶/cm³ 的條件下，本征層厚度為1.5~2.0 μm 時(shí)電池的性能較為理想，效率達(dá)到7.0%以上。

　　(3) p 型窗口層的厚度對(duì)中短波段的光譜響應(yīng)及短路電流密度JSC 有較大影響。