非晶硅锗薄膜太阳电池的模拟研究

张研研，陈 祺，李凯丰，周德江，王忠鑫，史力斌

(1.渤海大学 a.新能源学院;b.数理学院，辽宁 锦州 121013;2.太和区职业技能教育中心，辽宁 锦州 121000)

随着传统化石能源的日益枯竭以及燃烧化石能源对环境造成的污染日益严重，开发清洁、安全、可再生的能源迫在眉睫。太阳能在可再生能源中是最具有发展潜力的［1］。太阳电池中晶体硅太阳电池的生产工艺最为成熟且转换效率较高，因而在光伏市场上占有85%的份额，但因其生产成本较高，很难满足工业发展及家庭并网发电的需要［2］。近年来，非晶硅薄膜太阳电池以其较低的生产成本，在市场上所占份额有所增加，但其转换效率不高且在长时间光照下易出现光致衰退现象［3］。近期发展起来的非晶硅锗薄膜材料因带隙在1.1～1.8 eV可调，且随着锗含量的增加使其对长波区太阳光的吸收系数增大，因而越来越受到重视。然而，与非晶硅薄膜太阳电池相比，非晶硅锗单结薄膜太阳电池的工作机理及影响效率的因素尚不明确，文献报道的此种电池的转换效率都较低［3］，故可以通过计算机模拟的方法进行分析研究，以便进一步提高电池效率。

本文利用美国滨州大学研发的AMPS(analysis of microelectronic and photonic structures)程序模拟分析了发射层材料、厚度以及背接触势垒对非晶硅锗薄膜太阳电池光伏性能的影响规律，找到了最佳的优化条件，为实验中改善电池的光伏性能提供参考。

1 物理模型及参数设置

待模拟的非晶硅锗薄膜太阳电池的结构为TCO/a-Si:H(p+)/a-SiGe:H(i)/a-Si:H(n)/TCO，如图1所示，其中:a-Si:H(p+)为太阳电池的窗口层;a-SiGe:H(i)为太阳电池的吸收层;a-Si:H(n)层则与前二者构成p-i-n结;TCO(透明导电氧化物薄膜)帮助非晶硅收集横向电流。

AMPS模拟程序主要是利用一定的边界条件对泊松方程及电子和空穴连续性方程进行求解，从而得到太阳电池的各项光伏参数。AMPS程序有2种模拟方式，分别为态密度(DOS)和载流子寿命(life time)模式，本文采用的是DOS模式。在此模式下，非晶材料的带尾定域态采用指数分布，隙间定域态采用高斯分布，没有考虑界面缺陷态的影响。非晶材料带尾和隙间定域态分布如图2所示。模拟中使用的各材料参数主要来自文献［4-8］，具体如表1所示。模拟所采用的温度为300 K，光照条件为AM1.5、100 mW/cm2，有效波长范围为0.3 ～1.1 μm。

图1 非晶硅锗薄膜太阳电池结构简图

图2 非晶材料带尾和隙间定域态分布

2 结果与讨论

2.1 窗口层材料的选择

窗口层分别采用文献［7］中报道的带隙为2.10 eV的 a-SiC:H(简称 a-SiC1)、文献［9］中报道的带隙为1.92 eV的a-SiC:H(简称a-SiC2)以及非晶硅。在前接触保持平带(即前接触没有势垒)的前提下，模拟对比了三者分别作为非晶硅锗薄膜太阳电池窗口层时电池的光伏性能，模拟结果见表2。

表1 非晶硅锗薄膜太阳电池的模拟参数设置

表2 不同窗口层时太阳电池性能比较

从表2的模拟结果可以看出:窗口层的带隙越宽，就越能使更多的载流子被吸收层非晶硅锗有效收集，电池的短波响应越好(如图3所示)，短路电流越高;当带隙为2.10 eV的非晶硅碳(a-SiC1)作为窗口层时，电池的开路电压和短路电流虽然很高，但填充因子只有0.269，说明此时出现了s-shape现象，产生的原因是窗口层与吸收层之间较高的价带失配对空穴起到了一定的阻碍作用，如图4所示，这与文献［10］中的实验结果基本相符。带隙为1.92 eV的非晶硅碳(a-SiC2)作为窗口层时，其较宽的带隙使电池的短路电流高于非晶硅作为窗口层的短路电流，但其价带失配低于a-SiC1作为窗口层时的价带失配，故填充因子仍较高，导致a-SiC2作为窗口层时电池的转换效率最高为9.776%，因此非晶硅锗薄膜太阳电池的窗口层应采用带隙为1.92 eV的非晶硅碳。

图3 不同发射层时太阳电池的光谱响应

图4 不同发射层时太阳电池的能带

2.2 窗口层厚度对非晶硅/锗薄膜太阳电池性能的影响

窗口层采用带隙为1.92 eV的非晶硅碳。图5为窗口层厚度对电池性能影响的模拟结果。从图5可见:随着窗口层非晶硅碳厚度的增加，电池的短路电流、开路电压和填充因子都有所降低，从而导致电池转换效率的降低。图6为窗口层非晶硅碳的厚度为5和15 nm时的量子效率对比结果。从图6可见:厚度为15 nm时的短波区量子效率明显不及厚度为5 nm时的短波区量子效率，而长波区的量子效率基本不受窗口层厚度的影响。这是因为非晶硅碳的带隙较宽，对短波段的光子吸收系数远高于其在长波段的吸收系数。随着窗口层厚度的增加，窗口层对短波段的光子吸收增加，产生的光生载流子增加，而较厚的窗口层中出现了低场区(如图7所示)，光生载流子很难漂移到n区被有效收集，故短波段的量子效率降低，导致短路电流降低。因为窗口层厚度增加使由隙间缺陷引起的复合电流增加，根据式(1)，电池的开路电压降低，又由式(2)可知，电池的填充因子也随之降低。故在形成有效pn结的前提下，窗口层厚度越薄越好，最终选择窗口层厚度为5 nm，此时电池的短路电流为14.613 mA·cm－2，填充因子为0.809，开路电压为0.840 V，转换效率为9.920%。

图5 窗口层非晶硅碳厚度对电池性能的影响

图6 窗口层厚度分别为5和15 nm时的量子效率

图7 窗口层中的电场分布

2.3 背接触势垒对非晶硅/锗薄膜太阳电池性能的影响

本研究中背接触势垒主要针对电子，为背接触处导带与费米能级的能量差，计算方法如式(3)所示。

式(3)中:En表示背接触势垒;Ec和EF分别表示导带底能量和费米能级;φ表示背部TCO的功函数;χ表示n层非晶硅的电子亲和势。图8为背接触势垒对非晶硅锗薄膜太阳电池性能影响的模拟结果。从图8可见:随着En的增大，电池的短路电流不断降低;当背接触势垒超过0.6 eV时，开路电压和填充因子明显降低。从能带图中可看出产生这种现象的原因，即随着背部接触势垒的增加，能带向上弯曲，对电子形成阻碍作用，不利于背部电极收集电子，故短路电流降低，如图9所示。从图9还可看出:背接触势垒为0.11 eV时，背接触为平带;背接触势垒为0.31 eV时，背接触势垒虽与pn结内建电势方向相反，但该势垒较小;但背接触势垒为0.81 eV时，背接触势垒很高，且与内建电势方向明显相反，从而导致开路电压显著降低，填充因子则随着开路电压的降低而降低。综上，背接触势垒越低越好，当背接触势垒范围为0.11～0.51 eV(相应的 TCO功函数为3.91 ～4.31 eV)时，电池的性能较好。

图8 背接触势垒对非晶硅锗薄膜太阳电池性能的影响

3 结束语

利用AMPS程序对非晶硅锗单结薄膜太阳电池进行了模拟优化。模拟结果表明:带隙为1.92 eV的a-SiC:H较适合作为非晶硅锗薄膜太阳电池的窗口层，且在形成有效pn结的前提下，窗口层越薄越好。通过模拟还发现:背接触势垒越高，则电池的转换效率越低，但当背接触势垒在0.11～0.51 eV(相应的TCO的功函数为3.91～4.31 eV)时，背接触势垒对电池的性能影响较小。

图9 背接触能带结构

［1］熊绍珍，朱美芳.太阳能电池基础与应用［M］.北京:科学出版社，2009.

［2］柯少颖，王茺，杨宇.SiGe:H薄膜太阳能电池研究进展［J］.材料导报，2014，28(1):11－16.

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