n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池的模拟及优化

陈　侃，陈　茜，陈　庆，谢　泉，肖清泉，张晋敏，熊锡成

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025)



n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池的模拟及优化

陈侃，陈茜*，陈庆，谢泉，肖清泉，张晋敏，熊锡成

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025)

运用AMPS-1D软件对n-β-FeSi2/p-Si结构的异质结太阳电池进行模拟，分别讨论了在其他参数不变的情况下，改变β-FeSi2层的厚度、β-FeSi2层的掺杂浓度以及改变太阳电池的工作温度对电池性能的影响。模拟结果表明：β-FeSi2层厚度增加时，转换效率和短路电流有较大的提高；开路电压也略有提升；填充因子则随着厚度的增加呈下降趋势。β-FeSi2层掺杂浓度增加时，转换效率和开路电压有较大的提高；短路电流略微有所减小；而填充因子则先增加后减小，最后趋于稳定。工作温度增加时，转换效率和填充因子减小，而短路电流和开路电压则增大。经过优化参数，该结构的太阳电池转换效率达到26.241%。

β-FeSi2；AMPS-1D软件；太阳电池；转换效率；光伏特性

环境友好型半导体材料β-FeSi2是一种很有前途的半导体金属硅化物，β-FeSi2薄膜具有0.85～0.89 eV的直接带隙[1]。目前常用的半导体光电材料含有Ga，As，In，P等，这些元素不仅储量少而且有毒[2]。而Fe ，Si元素在自然界中的含量丰富而且安全无毒，故开发和使用以Fe、Si为基础的光电材料既安全又环保。另外，β-FeSi2的光吸收系数较大，在光子能量为1eV时，其吸收系数就大于10-5cm-1[3]。制备β-FeSi2薄膜的方法有很多种，包括反应沉积外延法(RDE)、分子束外延法(MBE)、离子束合成法(IBS)、化学气相沉积法(CVD)等，且晶格失配度只有2%～5%。由于β-FeSi2材料具有优良的性能，因此在热电和光电领域受到了广泛的关注[4]。

聂慧军[5]运用afors-het软件对β-FeSi2(n)/a-Si (i)/c-Si(p)结构的太阳电池进行模拟，得到了17.00%的太阳电池光电转化效率。而许文英[6]也运用afors-het软件对n-β-FeSi2/c-Si (p)/ μc-Si(p+)结构的太阳电池进行了模拟，并且得到了19.8%的太阳电池光电转化效率。虽然β-FeSi2在理论上的光电转换效率可以达到20%以上[7]，但是在目前报道的消息当中，利用β-FeSi2材料作为太阳电池，其实物的最高光电转换效率也仅为8.09%[8]。提高β-FeSi2薄膜太阳电池的光电转换效率仍然是一个有待解决的问题。本文运用AMPS-1D软件对n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池进行模拟，讨论了n-β-FeSi2层厚度、掺杂浓度和工作温度对电池性能的影响。

1　电池结构模型及模拟参数设置

n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池光吸收层结构如图1所示，N型材料层为β-FeSi2薄膜，层厚度变化从100～3000 nm且掺杂浓度可调，P型材料层为Si薄膜，电池结构模拟时，硅薄膜的厚度选择为1000 nm，掺杂浓度选择为1×1014cm-3。

图1　n-β-FeSi2/p-Si太阳电池结构

AMPS-1D是一种微电子和光电子器件模拟软件，可对要设计的器件结构和性能进行模拟，其原理是基于对泊松方程，电子和空穴的连续性方程，复合/产生方程计算求解。模拟计算中所取太阳电池各层结构的主要参数列于表1[5、9]，除了可变参数以外，其他参数都来自AMPS-1D软件的默认值。电池模拟光照条件为 AM1.5，100 mW/cm2，无背场、陷光、反射等结构。

表1　模拟太阳电池的参数

2　结果与讨论

2.1β-FeSi2层厚度对太阳电池特性的影响

图2模拟了在其他参数不变的情况下，不同β-FeSi2层厚度对太阳电池特性的影响。除表1中设置的固定参数外，β-FeSi2层掺杂浓度设置为7×1020cm-3，模拟工作温度设置为300 K。图中Eff代表转换效率，Jsc代表短路电流，Voc代表开路电压，FF代表填充因子。

图2　β-FeSi2层厚度对太阳电池特性的影响

由图2可知，随着β-FeSi2层厚度的增加，转换效率和短路电流都有较大的提高。当厚度增加到1300 nm之后，转换效率趋于稳定，保持在26.191%～26.855%之间；而短路电流也稳定在28～30 mA/cm2之间。随着厚度的增加，开路电压也略有提升，变化范围在1.05～1.11 V之间。填充因子则随着厚度的增加呈下降趋势，从厚度为100 nm时的0.852下降为2900 nm时的0.820。

电池的转换效率和短路电流都随着β-FeSi2层厚度的增加而明显增加，当β-FeSi2层厚度增加到一定程度时，转换效率和短路电流趋于稳定。这是由于β-FeSi2层作为光吸收层，随着其厚度的增加，光波在β-FeSi2层的透光损失降低，使得更多的光被β-FeSi2层吸收，使得光生载流子的数目增加。光吸收层在一定厚度范围内增加，会使得产生的有效光电流增加；而厚度达到足够大时，厚度的增加不仅不会使有效光电流增加，还会因自身的串联电阻增大而抵消增加厚度而产生的多余光电流[10]，同时复合率增加也使得到达电池两极的光生载流子数量下降。因此，短路电流随着β-FeSi2层厚度的增加先增大后趋于平缓，而开路电压随着光生电流的增加而增加，随着暗电流的增加而减少，固其变化趋势为先增加后变化较小。填充因子与短路电流和开路电压的乘积成反比，因而随着β-FeSi2厚度增加逐渐减小。提高β-FeSi2层厚度可以增加短路电流从而提高转换效率，但由于复合率的增加，β-FeSi2层厚度增加到一定值后电池转换效率不会再增加。

所以综合考虑成本和效率，β-FeSi2层的厚度优化值应选择在1500～2000 nm之间，此时的转换效率为25.6%～26.3%，短路电流为28.3 ～29.0 mA/cm2，开路电压为1.09～1.10V，填充因子为0.825～0.830。

2.2β-FeSi2层掺杂浓度对太阳电池特性的影响

图3模拟了在其他参数不变的情况下，不同β-FeSi2层掺杂浓度对太阳电池特性的影响。除表1中设置的固定参数外，β-FeSi2层厚度设置为2000 nm，模拟工作温度设置为300 K。

由图3可知，随着β-FeSi2层掺杂浓度的增加，转换效率有较大的提高。当掺杂浓度增加到6×1020cm-3之后，转换效率趋于稳定，保持在26 %～26. 5%之间；而短路电流则随着掺杂浓度的增加略微有所下降，从28.992 mA/cm2下降到了28.967mA/cm2。随着厚度的增加，开路电压则呈现先上升后稳定的趋势，当掺杂浓度达到7×1020cm-3之后，开路电压稳定在1.1 V左右。而填充因子则随着厚度的增加呈现先增加后下降，最后趋于稳定，当掺杂浓度增加到5×1020cm-3时，填充因子达到最大值0.869，之后填充因子随着掺杂浓度的增加而下降，当掺杂浓度达到8×1020cm-3之后，填充因子趋于稳定，此时的填充因子的值为0.821。

图3　β-FeSi2层掺杂浓度对太阳电池特性的影响

开路电压和转换效率都随掺杂浓度的增加而先增加然后趋于稳定不再变化，而短路电流则随掺杂浓度的增加而先下降然后趋于稳定。这主要是由于掺杂浓度的提高会使材料内部的自由电子和空穴的数量增加，载流子的漂移电流增大[11]，提高内建电场电压，增加少数载流子通过结区。但是重掺杂会带来大量的缺陷，造成少子寿命与扩散长度的减小和暗电流的增加。在设置的掺杂浓度参数范围内，电流受重掺杂造成的缺陷的影响更大，因此随着掺杂浓度的增加短路电流反而下降，最后达到一种平衡。缺陷态和各种载流子的复合也使得开路电压趋近饱和不再增加。同时，转换效率Eff也趋近饱和不再增加。

综合考虑优化之后，得出β-FeSi2层的最佳掺杂浓度是7×1020cm-3，此时的转换效率为26.241%，短路电流为28.967 mA/cm2，开路电压为1.098，填充因子为0.825。

2.3温度对太阳电池特性的影响

图4模拟了在其他参数不变的情况下，不同工作温度下对太阳电池特性的影响。除表1中设置的固定参数外，β-FeSi2层厚度设置为2000 nm，β-FeSi2层掺杂浓度设置为7×1020cm-3。

由图4可知，随着温度的增加，转换效率和填充因子逐渐减小，但减小的幅度比较小；而短路电流和开路电压则随着温度的增加而增大，但增大的幅度也比较小。在300 K时，转换效率为26.241%，填充因子为0.825，短路电流为28.967 mA/cm2，开路电压为1.098 V。

图4　工作温度对太阳电池特性的影响

温度对电流的影响可以从电子跃迁方面来解释：首先随着温度的升高，带隙宽度会逐渐降低，带隙宽度的降低使得更多的电子受光子激发产生跃迁；另外，随着温度的升高，可以为声子提供更多的能量，在声子的参与下，增加材料对光子的二级吸收[12]。由于温度的升高对光电流的增加有着促进作用，因此随着温度的增加短路电流和开路电压都增大。但温度上升时，反向饱和电流指数增加，暗电流急剧增加，填充因子因此下降，转换效率也减小，电池性能下降。

3　结论

本文运用AMPS-1D软件模拟了n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池的β-FeSi2层厚度、掺杂浓度和工作温度对电池性能的影响。结果表明，随着β-FeSi2层厚度的增加，转换效率和短路电流都有较大的提高；开路电压也略有提升；填充因子则随着厚度的增加呈下降趋势。随着β-FeSi2层掺杂浓度的增加，转换效率和开路电压有较大的提高；短路电流略微有所下降；而填充因子则先增加后下降，最后趋于稳定。随着工作温度的增加，转换效率和填充因子减小，而短路电流和开路电压则增大，但变化的幅度都不大。经过优化后，在300 K时的最佳参数为：β-FeSi2层厚度2000 nm，掺杂浓度7×1020cm-3。此时的转换效率为26.241%，短路电流为28.967 mA/cm2，开路电压为1.098 V，填充因子为0.825。

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(责任编辑：江龙)

Simulation and Optimization of the n-β-FeSi2/p-Si Heterojunction Solar Cell

CHEN Kan，CHEN Qian，CHEN Qing，XIE Quan，XIAO Qing-quan，ZHANG Jin-min，XIONG Xicheng

(College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In the article，n-β-FeSi2/p-Si heterojunction solar cell was simulated based on AMPS-1D software．In the case of other parameters are the same，the influences of the β-FeSi2layer thickness，β-FeSi2doping concentration and battery operating temperature on the solar battery performance were discussed. The results show that，a large increase in the conversion efficiency and short-circuit current with the increasing of the β-FeSi2layer thickness，and a small raises in the open circuit voltage. But a drops slightly in the fill factor with the increasing of the β-FeSi2layer thickness. The conversion efficiency and open circuit voltage increase with the increasing of the doping concentration，and a small drops in the short-circuit current. The fill factor rises at first and then drops slightly with the doping concentration increases．The conversion efficiency and fill factor drops with the increase of operating temperature，but the short-circuit current and open circuit voltage increase. By optimizing the various parameters of the cell，the photoelectric conversion efficiency of n-β-FeSi2/p-Si solar cell can reach 26.241%.

β-FeSi2；AMPS-1D；solar cell；conversion efficiency；photovoltaic properties

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.19

1000-5269(2016)03-0072-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.18

2016-05-29

国家自然科学基金项目(61264004)；贵州省青年英才培养工程项目(黔省专合字(2012)152号)；贵州省科技创新人才团队建设专项资金项目(黔科合人才团队[2011]4002)；贵州省科技厅、贵州大学联合资金项目(黔科合LH字[2014]7610)

陈侃(1988-)，在读研究生，研究方向:电子功能材料,Email：172420747@qq.com.

陈茜，Email：ie.xichen@gzu.edu.cn.

TM914.4；TN389

A

1000-5269(2016)03-0076-04