利用AMPS对N型衬底上双面HIT太阳电池的模拟优化

张研研，王宇航，路钰清，王义正，王 月

(渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000)



利用AMPS对N型衬底上双面HIT太阳电池的模拟优化

张研研，王宇航，路钰清，王义正，王 月

(渤海大学 新能源学院，辽宁 锦州 121000)

运用AMPS-1D软件对TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)/TCO双面HIT异质结构太阳电池进行仿真，分析其光伏特性随本征层厚度、界面缺陷态密度以及窗口层掺杂浓度的变化规律。结果表明：本征层虽有降低界面缺陷态密度的积极作用，但也有引起光学损失的负面影响，故本征层厚度的设计要兼顾二者的影响；窗口层掺杂浓度越高，太阳电池的开路电压越高，短路电流密度越低，其中短路电流密度的降低可用窗口层中的电场分布进行很好的解释。

太阳电池；本征层厚度；掺杂浓度

目前，传统的化石能源日益枯竭，且燃烧传统的化石能源污染环境，导致许多城市出现不同程度的雾霾，因此开发可再生的清洁能源迫在眉睫。太阳能作为清洁能源具有巨大的发展潜力，而太阳电池则是将太阳能转换成电能的核心器件。研究太阳电池的主要目的是在提高太阳电池转换效率的同时，降低太阳电池的成本。带有本征层的非晶硅/单晶硅太阳电池(HIT太阳电池)其使用的单晶硅材料比单晶硅电池少，有利于降低电池成本，且其转换效率很高，受到了世界广泛关注。日本三洋公司生产的双面HIT太阳电池，其转换效率已达25.6%[1]。我国在此方面的研究成果与日本三洋公司相比还存在较大差距[2]，有待进一步加强。

界面缺陷态对双面HIT太阳电池的性能影响较大，需要本征非晶硅进行钝化。柳琴等[3]在实验中测试了本征非晶硅厚度对太阳电池性能的影响。本文将模拟有无本征层时界面缺陷态对双面HIT太阳电池性能的影响，以及在界面缺陷态为定值时本征层厚度对电池性能的影响。任丙彦、Wang Lisheng等[4-6]分别模拟了窗口层的厚度、掺杂浓度以及能带失配对太阳电池性能的影响。本文将模拟分析在不同前接触势垒的条件下，窗口层的掺杂浓度对太阳电池性能的影响，并利用窗口层的电场分布很好地解释此影响。美国滨州大学研发的AMPS-1D(analysis of Microelectronic and Photonic Structures)模拟软件，运算结果准确且不易发散，故本文将采用该软件进行模拟，同时也借鉴了AFORT-HET(automat for simulation of hetero-structure)软件部分先进的功能。

1 器件和材料物理参数模型

本文模拟的双面HIT太阳电池的结构如图1所示。采用AMPS软件在态密度(DOS)的模式下进行模拟。此模式下，半导体电子态分为导带、价带扩展态，导带、价带带尾定域态以及隙间定域态。带尾定域态是由键角畸变产生的，用指数函数描述，而隙间定域态主要是由结构缺陷如悬挂键等造成。这里非晶硅的隙间定域态呈双高斯函数分布，单晶硅的隙间缺陷态采用平均分布。

图1 双面HIT太阳电池结构

各层材料的参数设置主要来自参考文献[7-8]，详见表1。模拟时，光照条件设置为AM1.5、100 mW/cm2，有效波段范围为0.3～1.1 μm。

表1 太阳电池模拟的参数设置

续表(表1)

2 结果与分析

2.1 本征层厚度对太阳电池光伏性能的影响

从图2中可看出：模拟过程中不论是否考虑界面缺陷态，只要界面缺陷态为一定值，即不随本征层的厚度变化而变化，则短路电流密度随本征层厚度的增加而明显下降，开路电压和填充因子也有微小降低，从而导致太阳电池的转换效率降低。短路电流随本征层厚度的增加而明显降低，其原因主要是本征非晶硅的厚度增加，导致进入单晶硅吸收层的光子流，尤其是短波段的光子流减少，而非晶硅中的缺陷较多，短路电流密度主要取决于单晶硅，因此电池的短波段量子效率降低(如图3所示)，短路电流密度随之降低。文献[3,9]中随本征层厚度的增加电池的效率一般先增加达到峰值后降低，这是因为本征层厚度的增加钝化了电池的界面缺陷态，但当界面缺陷态密度降到定值后，实验显示随着本征层厚度的增加，电池的效率反而降低，故设计本征层时要综合考虑本征层降低界面复合的积极作用和引起光学损失的负面影响，即在达到良好钝化效果前提下，本征层越薄越好。在模拟过程中，设置参数时，如果设置界面缺陷态随着本征层厚度的增加而变化，则会出现与上述实验结果相同形状的转换效率曲线；如果保持界面缺陷态是定值，则应得到实验中电池效率曲线的后半段，即随着本征层厚度的增加电池的效率反而降低。因此，本文的模拟结果与文献[3,9]中报道的实验结果相符合，同时也说明在模拟本征层厚度对电池性能影响时，一定要先阐明界面缺陷态的参数设置情况。

2.2 界面缺陷态对太阳电池光伏性能的影响

根据文献[10]报道，有本征层钝化时界面缺陷态密度的变化范围为5×109～5×1012cm-2，无本征层时其变化范围为5×1011～5×1013cm-2。本文按照上述变化范围模拟了有无本征层(有本征层时其厚度保持4 nm不变)时界面缺陷态对太阳电池性能的影响，结果如图4所示。

图2 有无界面缺陷态时本征层厚度对电池性能的影响

图3 不同本征层厚度时的量子效率

图4 有无本征层时界面缺陷态对电池性能的影响

从图4中可看出：总体来说，无论是否考虑本征层，界面缺陷态密度越大，电池的开路电压越低，导致转换效率降低。开路电压降低的原因是界面缺陷态密度越大光生载流子复合几率就越大。如图5所示：在9～10 nm的界面处，界面缺陷态为5×1011cm-2时的载流子复合率明显高于界面缺陷态为5×109cm-2时的载流子复合率。光生载流子复合几率越大，则反向饱和电流增加，由式(1)[11]可知开路电压降低。

(1)

当界面缺陷态密度低于5×1011cm-2时，电池的转换效率较高，本征层起到了良好的钝化作用。当界面缺陷态密度介于(5×1011～5×1012)cm-2时，没有本征层的电池转换效率反而超过了有本征层的电池效率，其原理同本文2.1节中所述，再次证明了2.1节中的结果，即对于相同的界面缺陷态密度，本征层越薄越好。当界面缺陷态密度高于5×1012cm-2时，电池的转换效率明显降低；当界面缺陷态密度达到5×1013cm-2时，电池的转换效率已趋近于0，电池已不能正常工作。

2.3 窗口层掺杂浓度对太阳电池光伏性能的影响

除窗口层掺杂浓度会影响太阳电池的转换效率外，前接触势垒也会对电池效率产生影响。因此，本文模拟了不同前接触势垒时，窗口层掺杂浓度对太阳电池的影响。前接触为平带即指电池前端的TCO与发射层P型非晶硅之间没有接触势垒，若在发射层掺杂浓度变化的情况下保持平带，则AMPS中前接触势垒(即前接触处导带与费米能级间的能量差)参数的设定值要随之变化。借助AFORT-HET软件前接触保持平带的功能，确定了当发射层掺杂浓度不同时前接触势垒的设定值，如表2所示。本文分别模拟了前接触势垒保持1.51、1.67 eV不变以及前接触为平带条件下窗口层掺杂浓度对太阳电池光伏性能的影响，如图6所示。从图中可看出：无论前接触势垒为何值，窗口层的掺杂浓度越高，电池的开路电压和填充因子越大，这主要是因为P型非晶硅的掺杂浓度越高，其费米能级越接近价带，则与n型单晶硅形成pn结时，接触电势差越大，则开路电压越大。据经验式(2)[11]可知：填充因子则随着开路电压的增加而增加。

(2)

图5 不同界面缺陷态密度时载流子的复合

图6 不同前接触势垒条件下窗口层掺杂浓度对太阳电池光伏性能的影响

从图6可以看出：窗口层的掺杂浓度越高，电池短路电流密度的整体趋势为下降，尤其是前接触势垒保持1.67 eV不变时，没有出现任何拐点。图7为前接触势垒保持1.67 eV不变时太阳电池中的电场分布，可说明电流下降的原因。HIT太阳电池的窗口层为P型重掺杂非晶硅，其缺陷浓度很高，载流子较容易复合，很难靠扩散运动被前电极收集，主要靠电场驱使的漂移运动被收集。AMPS软件中电场的正方向为P区指向N区，故窗口层里负方向内建电场的绝对值越大，越有利于前电极收集空穴，反之则不利于载流子的收集。图7中，当窗口层掺杂浓度是1×1019cm-3时，5 nm 厚窗口层中的电场基本上都为负方向，有利于空穴被前电极收集，故短路电流较大。当窗口层掺杂浓度是5×1019cm-3时，5 nm窗口层中的电场有正有负，正方向的电场不利于载流子的收集，而负方向的电场绝对值较小，故其短路电流密度低于掺杂浓度是1×1019cm-3时的短路电流密度。窗口层掺杂浓度是1×1020cm-3时，其正方向电场的绝对值最大，而负方向电场的绝对值最小，故其短路电流密度低于掺杂浓度为5×1019cm-3时的短路电流密度。其他掺杂浓度虽没一一列举，但同理可知：窗口层的掺杂浓度越大，在电场的影响下，电池的短路电流密度越低。而图6中，当前接触势垒保持1.51 eV不变时，短路电流在掺杂浓度是1×1020cm-3处出现拐点，这主要是因为(如图8所示)当掺杂浓度是1×1020cm-3时，在窗口层大于2 nm厚度处，其正方向电场的值开始低于掺杂浓度是5×1019cm-3时电场的值，因此短路电流在掺杂浓度是1×1020cm-3时反而升高。前接触为平带时的短路电流密度变化情况可以用同样的方法进行分析。从图6还可看出：前接触势垒值越大，电池的短路电流越大，其原因不再详述，可参考文献[12]。

图7 前接触势垒为1.67 eV时的电场分布

窗口层掺杂浓度/cm-31×10185×10181×1019前接触势垒/eV1.511.621.67窗口层掺杂浓度/cm-35×10191×10205×1020前接触势垒/eV1.741.761.81

图8 前接触势垒为1.51 eV时的电场分布

3 结束语

本文通过美国滨州大学研发的AMPS软件模拟了本征层厚度、界面缺陷态密度以及窗口层掺杂浓度对N型衬底上双面HIT异质结太阳电池光伏性能的影响。模拟结果显示：在界面缺陷态不变的情况下，随本征层厚度的增加，电池的短路电流密度降低，电池效率下降，说明本征层既有降低界面缺陷态密度的积极作用，但也有引起光学损失的负面影响，故本征层厚度的设计要兼顾二者的影响，即实验中若本征层已起到良好的钝化效果(界面缺陷态趋于定值)，则其越薄越好。模拟还发现：当界面缺陷态密度高于5×1012cm-2时，电池的转换效率明显降低；当界面缺陷态密度达到5×1013cm-2时，电池的转换效率已趋近于0，电池已不能正常工作。最后模拟发现：窗口层的掺杂浓度越高，电池的开路电压和填充因子就越大，而短路电流密度整体趋势为降低。本文利用窗口层中电场的分布情况，很好地解释了不同前接触势垒条件下短路电流密度随掺杂浓度变化的原因。

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[12]张研研,任瑞晨,史力斌.双面HIT太阳电池TCO与非晶硅界面势垒的模拟优化[J].原子与分子物理学报,2013,30(4):659-664.

(责任编辑 陈 艳)

Simulation Optimizing of Bifacial HIT Solar Cell on N-Type Substrate with AMPS

ZHANG Yan-yan, WANG Yu-hang, LU Yu-qing, WANG Yi-zheng, WANG Yue

(College of New Energy, Bohai University, Jinzhou 121000, China)

The HIT solar cell of TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)/TCO was simulated with the software AMPS-1D. The variation laws of photovoltaic performance as functions of the thickness of the intrinsic layer，state density of interface defects, and the doping concentration of the window layer were analyzed. The simulation results show that intrinsic layer has both advantage of reducing the interface defects state density and disadvantage of causing the optical loss. Therefore, two factors should be fully considered to design the thickness of the intrinsic layer. The higher the doping concentration of the window layer, the higher the open-circuit voltage of solar cell, and the lower short-circuit current density. The reducing of short-circuit current density can be explained by the electric field distribution in the window layer.

solar cell; thickness of the intrinsic layer; doping concentration

2017-02-08 基金项目：辽宁省教育厅一般项目(LY2016002)；渤海大学校博士启动项目(0515bs023)

张研研(1980—),女，辽宁阜新人,博士研究生,讲师,主要从事矿物加工工程及清洁能源方面的研究，E-mail:zhangyanyan729@163.com。

张研研，王宇航，路钰清，等.利用AMPS对N型衬底上双面HIT太阳电池的模拟优化[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(5):75-80.

format：ZHANG Yan-yan, WANG Yu-hang, LU Yu-qing, et al.Simulation Optimizing of Bifacial HIT Solar Cell on N-Type Substrate with AMPS[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):75-80.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.013

TK511.4

A

1674-8425(2017)05-0075-06