微晶硅薄膜太阳电池的计算机模拟

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1、薄膜硅太阳电池及材料．409．j宣宣暑i；iii暑暑暑暑昌宣；；i；ii暑暑暑lm_一1iii摘要关键词1弓I言微晶硅薄膜太阳电池的计算机模拟赵明利闰果果杨仕娥4(郑州大学物理工程学院，河南，郑州，450001)本文建立了一个p-i-n结构的微晶硅薄膜电池模型，利用太阳电池电容模拟软件(简称SCAPS)研究了活性层的厚度、缺陷态浓度及窗口层的掺杂浓度等参数对电池的性能的影响，得到的主要结论如下：(1)活性层的厚度和缺陷态浓度对可见和近红外波段(即中长波段)的光谱响应和电池的I．V特性有重要影响；(2)窗

2、口层的掺杂浓度主要影响紫外波段(即短波段)的光谱响应和电池的开路电压。微晶硅薄膜太阳电池，I．V特性，光谱响应，SCAPS1994年瑞士的Meier等报导了第一个单结微晶硅薄膜电池【11。由于微晶硅薄膜电池兼有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池低成本的优势，很快就成为光伏领域研究的热点【2．3】，并被视为太阳电池的下一代技术。在P．i．n结构的微晶硅薄膜电池中，i层作为活性(本征)层，其结构和性能参数对电池的整体性能有决定性作用，i层的厚度、少子扩散长度及缺陷态浓度等是影响电池性能的关键因素；同时，P层作为

3、电池的窗口层，其厚度和掺杂浓度等也对电池的性能有着重要影响。随着计算机及其相关技术的飞速发展，计算机模拟已成为材料研究和器件设计中强有力的研究手段。本文建立了一个简单的P．i—n型结构的微晶硅薄膜太阳电池模型，利用Burgelman等人开发的太阳电池电容模拟软件(简称SCAPS)，研究了活性层的厚度和缺陷态浓度以及窗口层的掺杂浓度等参数对电池的光谱响应和I．V特性的影响。2．SCAPS软件简介及微晶硅薄膜太阳电池模型SCAPS是Burgelman等人依据半导体器件物理的基本方程(包括泊松方程、电流密度方

4、程和连续性方程等)开发出来的太阳电池电容模拟软件h5'6】。近年来，Burgelman等人利用该软件针对CdTe和si等多晶薄膜太阳电池开展了大量的模拟研究工作，例如，金背接点对CdTe薄膜太阳电池性能的影响【_71，硅太阳电池中杂质的光电效应【51等，所得到的模拟结果和实验结果吻合得很好。图l给出了一个简单的单结p．i．n型微晶硅薄膜电池结构示意图，图中太阳光从电池左侧入射，P层和n层外侧分别为前接触和背接触电极。实际上，由于活性层中通常存在不同程度氧污染，该层一般呈弱n型，故该结构实际上是p+nn+

5、结构，其中各层的性能参数见表1。在我们的模拟中，采用的是标准的太阳光谱AMI．5(100mW／cm2)，为了简化模型，暂不考虑表面反射、光陷阱及界面态等对电池性能的影响。作者简介：赵明利，女，在读硕士，E-mail：zhaominglil008@163．P．．om联系电话：13298139324。通讯作者：杨仕娥．女，副教授，硕士生导师．E-mail：yangshie@zzu．edu．cn410镕十届十目太阳能光伏音议论文集目1Pi—n型撇晶硅薄膜电池结构示意图表1口⋯n(或日nn)型m晶《薄膜自池各；

6、的参数厚度dmm带隙宽度B／eV电子亲_噼小v绝缘体舟电常数￡Mr}带有效卷密度N^m328xlo¨28x101928x1019竹带有效卷密度N^m310dOxl019I㈣×10‘91040x10”电了热速度V“cm／s)10xl一10xlⅣl0xl矿主穴热速度V。／(cnVs)10×101lOx】旷10x1旷电fⅡ移率帅mWs)空穴矗移率h／(cml，vs)战吨主浓度N#cm3ixlOm10x10∞浅受上浓度N。／cm’10x10。L1x10”‰镕志*度N^m’10x10”10×1013一loxl0“

7、1Ihl0”3模拟结果及讨论3l活性层缺陷态浓度对太阳电池性能的影响缺陷态浓度是硅薄膜材料重要的参数之一，不同的缺陷态浓度对应不同的少子寿命及迁移率，因此，薄膜电池活性层的缺陷态浓度直接影响光生戴流于的收集效率。在表I中．取窗El层厚度d为0,03pm，窗口层掺杂浓度N。为lOxl01‰m3，活性层厚度为30Rm，研究活性层缺陷态浓度的变化对电池性能的影响。图2蛤m了不同活性层缺陷态浓度F的电池的光谱响麻和Iv特性曲线．表2是相应的电池的各特征参量。薄膜硅太阳电池及材料．411．f目≥3＼型能堪删图2不

8、同活性层缺陷态浓度下的电池的(a)光谱响应和(b)卜V特性曲线表2不同活性层缺陷态浓度下微晶硅薄膜电池的各参数Nt／(cm3)、0c—Jsc／(mA／cm。)FF／％／％1．0x10。3O．64819．65382．3l10．491．0x10140．58518．91980．478．911．0x10150．51615．26772．115．681．0x10160．424610．66563．72．88由图2和表2可知，随着活性层缺陷态浓度N。的增加