双面HIT太阳能电池的模拟优化

张王飞，刘淑平

(太原科技大学 应用科学学院，太原 30024)

社会在快速发展消耗了大量的不可再生资源，造成严重的环境污染。所以现在的首要任务是寻找和开发新能源。新型的可再生能源中，太阳能储量无限，零污染和覆盖范围广等特点，为了利用太阳能，太阳能电池的应运而生。太阳能电池能的原理是把太阳能转化为电能，且零污染。太阳能电池经过漫长发展，技术已经相当成熟，但是提高太阳能电池的性能仍然是很大的难题。

日本Sanyo公司在1994年制作出了转化效率超过20%的“HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer)”异质结太阳电池。因为这种太阳电池把一层很薄的本征非晶硅层插入在了吸收区和发射极之间，以此来钝化异质结的界面，所以他能同时实现pn结和优异的表面钝化，从而达到高效效果[1]。影响太阳电池效率的有背场、本征层、发射层、能带补偿、结构等内部条件外，还有温度、光照强度等外部条件。

因此本文用AFORS-HET软件先对双面HIT太阳电池进行模拟优[2]，对比不同结构的太阳能电池，得出双面HIT太阳能电池的性能最高。详细分析了太阳能电池各层的参数对电池效率的影响。并优化了双面HIT各个参数的数值。

1 电池结构和物理参数模型

双面HIT太阳电池的结构如图1所示。以a-Si(n)为窗口层、a-Si(i)为本征层、c-Si:(p)衬底为吸收层、pm-Si(p+)为薄膜背场。各层所采用的部分参数如表一所示。可变参数外这些参数除了，其他的都采用软件的默认值。另外参照文献[3]中关于缺陷态参数对各层缺陷态进行如下设置。

对于晶体硅的缺陷设置，取其为无带尾态，体内氧空位缺陷密度为1×1011cm-3，对应能量位置在带隙内离价带顶0.94 eV处。非晶硅具有Urbach带尾，a-Si(n)层中，导带和价带特征能量分别为0.033 eV 和0.064 eV；a-Si(i)层中，价带特征能量为0.041 eV和和导带特征能量0.036 eV；pm-Si(p+)层中，价带和导带特征能量分别为0.079 eV和0.033 eV.

其中，对a-Si(n)，取类施主缺陷态密度为1×1020cm-3，高斯峰峰值能量(离价带顶的能量)为0.44 eV，峰值半宽为0.21 eV，取类受主缺陷态密度为5×1020cm-3，高斯峰峰值能量为0.63 eV，峰值半宽为0.25 eV；对a-Si(i)，其缺陷太较低时对异质界面具有良好的钝化作用，故取类施主缺陷态密度为1×1016cm-3，高斯峰峰值能量为0.89 eV，峰值半宽为0.144 eV，类受主缺陷态密度为1×1016cm-3，高斯峰峰值能量为1.08 eV，峰值半宽为0.134 eV.对pm-Si(p+)，取类施主缺陷态密度为1×1019cm-3，高斯峰峰值能量为1.15 eV，峰值半宽为0.24 eV，类受主缺陷态密度为1×1020cm-3，高斯峰峰值能量为1.15 eV，峰值半宽为0.24 eV[4]；忽略界面态在模拟过程中的影响，取理想情况,AM1.5，0.1 W/cm3，并假定太阳电池表面的反射率为0.1，背面发射率为1.

图1 太阳电池的结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of solar cell structure

2 模拟结果分析与讨论

2.1 不同结构太阳能电池

如表2所示，各项参数对比中，双面HIT太阳能电池的输出参数最高，尤其是开路电压和转化效率，开路电压提高了将近150 mV，转化效率提高了近9%[5].所以，相对于n-p结构和HIT结构，双面HIT结构的太阳能转化效率更高，电池电池性能更好。

表1 电池结构参数
Tab.1 Parameters for cell structure

参数a-Si(n)a-Si(i)c-Si:(p)pm-Si(p+)厚度/nm533×105可调介电常数11.911.911.911.9电子亲和势/eV3.93.94.053.9带隙/eV1.741.741.12可调光学带隙/eV1.741.741.121.74有效导带密度/cm-31×10201×10202.8×10191×1020有效价带密度/cm-31×10201×10201.04×10191×1020电子迁移率/cm-2·V-1·s-15510415空穴迁移率/cm-2·V-1·s-1114121受主掺杂浓度/cm-3001.5×1016可调施主掺杂浓度/cm-32.5×1019000电子热速度/cm·s-11×1071×1071×1071×107空穴热速度/cm·s-11×1071×1071×1071×107层密度/g·cm-32.3282.3282.3282.328电子俄歇复合系数/cm-6·s-1002.2×10-310空穴俄歇复合系数/cm-6·s-1009.9×10-320带间复合系数/cm-6·s-10000

表2 不同结构的太阳能电池
Tab.2 Solar cells with different structures

性能参数开路电压/mV短路电流填充因子/%转化效率/%np652.338.5383.1920.91npp+78341.0787.0727.36nipip+79342.2887.7829.17

由图2可以明显看出，双面HIT结构的太阳能电池，电压电流与横纵坐标所围成的面积最大，效率最高。

图2 三种结构I-V曲线
Fig.2 I-V curves of three kinds of structure

2.2 发射层对电池性能影响

图3为发电池性能与射层厚度的变化关系。随着厚度的增加，电池各个参数降低。对于np结构，高掺杂带来的缺陷与载流子的复合几率随着发射层厚度的增加的增大，致使到达空间电荷的载流子数量减少，载流子收集几率降低；并且发射层厚度增加变相的增加了电池的串联电阻[6]。所以造成了短路电流降低，填充因子，电池的转化效率下降。综上，发射层的厚度应该保持在3 nm～5 nm.

图4为发射层浓度与电池性各项参数的关系图。可以看出发射层掺杂浓度在1018cm-3之前，各项参数随着掺杂浓度的增加而提高，之后电池各参数基本不变。内建电势虽然由于重掺杂浓度提高而增大，但同时，造成了暗电流的增加，缺陷态也大量增加[7]。所以之后的电池各项参数会达到一种平衡保持不变。

图3 发射层厚度对电池性能影响
Fig.3 The effects of the emission layer thickness on the performances of cell

图4 发射层浓度对电池性能影响
Fig.4 The influences of the emission layer doping concentration on the performances of cell

2.3 本征层对电池性能影响

图5中可以看出，开路电压保持不变外，电池的转化效率、填充因子和短路电流都在随着本征层厚度的增加而逐渐降低。这是因为过厚的本征层会造成电场强度下降，从而载流子穿过结区受到影响，短路电流填充因子和转化效率降低了。本征层其厚度不能过厚，造成材料的浪费增加成本[8]。综合到现在的技术，本征层厚度控制在3 nm最佳。

图5 本征层厚度对电池性能影响
Fig.5 The effects of the intrinsic layer thickness on the performances of cell

2.4 背场对电池性能影响

从图6可以看出，有了背场背场的I-V曲线与坐标轴的面积更大，即电池总功率增大。表3说明，增加了背场电池的转化效率提升了将近8.5%.

增加背场能够提高电池性能主要原因是背场的增加形成了背电场，背电场的方向与内建电场的方向相同，从而提高了开路电压Voc.因而增加了这部分少子的收集几率，短路电流Jsc也就得到提高[5]。

表3 有无背场
Tab.3 Back field

性能参数开路电压/mV短路电流/mA/cm2填充因子/%转化效率/%无背场652.338.683.1920.91有背场79442.187.7828.51

图6 有无背场时I-V曲线
Fig.6I-Vcurves of back field of structure

2.4.1 薄膜硅背场带隙对太阳电池影响

对于不同的带隙材料，我们很难把其所有的光电参数精准的给出来。所以选择特定的集中作为实验参数，选择带隙Eg的变化范围在1.2～1.8 eV，尽可能覆盖从微晶硅到非晶硅等各种形态的薄膜硅材料[9]。

由图7(a)可知，在同一种背场带隙下(以1.6 eV为例)，电池的填充因子逐渐提高随着掺杂浓度的提高。在一定的掺杂浓度下(1018cm-3)，随着背场带隙的增加，填充因子也逐渐增大。而背场带隙在高浓度掺杂时对填充因子的影响很小。

由图7(b)可知，在同一种背场带隙下(以1.6eV为例)，随着掺杂浓度的提高，电池的转化效率逐渐提高。在一定的掺杂浓度下(1018cm-3)，随着背场带隙的增加，转化效率也逐渐增大。

图7(b)中当掺杂浓度NB≥19cm-3时，背场带隙1.6 eV,1.74 eV和1.8 eV的电池转化效率达到28.5%.而带隙为1.4 eV和1.3 eV要在1×1021cm-3和1×1023cm-3才能达到。

从上可知，之所以不能选择窄带隙薄膜硅材料作为电池背场，是因为窄带隙薄膜硅材料做为背场要达到最佳背场效果要很高的掺杂浓度，而从文献[3]中可以知道，影响非晶硅背场的原因是导带失配，ΔEc和价带失配ΔEv越大，ΔEv越小，背场效果越好。(ΔEc=Δx,ΔEv=ΔEg-Δx).

图7 填充因子、转化效率、开路电压与短路电流
Fig.7 Filling factor、 Conversion efficiency、Open circuit voltage、 Short-circuit current

所以不是带隙越宽越好，带隙越宽，ΔEc越大ΔEv也会变大，但是越来越大的ΔEv带来的负面效果也越来越明显。

综上所述，在NB51×1019cm-3时，带隙1.6～1.8 eV的宽带隙薄膜硅材料更适合作为双面HIT太阳电池的背场[10]。

3 结论

采用AFORS-HET模拟软件对双面HIT结构的太阳电池的不同结构，发射层，本征层，背场进行数值模拟与优化。结果表明：双面HIT太阳能电池的性能最高。发射层的厚度应该在3～5 nm，掺杂浓度在1018cm-3；本征层最佳厚度在3 nm，且本征层能够提高电池效率；背场对电池性能的提升有明显作用，能大幅度提升电池的效率，背场掺杂浓度NB≥1×1019cm-3带隙在1.6～1.8 eV范围内时的材料比较适合作为电池的背场。双面HIT太阳能电池的转化效率理论可以到29.17%，具有很高的应用前景和研究意义很高[11]。