本征缓冲层厚度对纳米硅/晶体硅异质结太阳电池的影响

郭群超， 刘 阳

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

2014年，松下和夏普公司分别制备出25.6%和25.1%的高效率异质结太阳电池后[1-2]，世界各地又掀起了一场异质结太阳电池研究的浪潮[3-8]。常规异质结太阳电池是在晶硅衬底上沉积非晶硅材料制成的[6，8]，这样既保留了非晶硅太阳电池开路电压较高的特点，又继承了单晶硅太阳电池短路电流高的优势。纳米硅材料是介于微晶硅和非晶硅材料之间的一种晶体结构[9-12]，其构成与非晶硅十分相似，不同之处在于，纳米硅是非晶硅中存在一定数量纳米尺寸的硅晶粒。这部分纳米晶粒产生了所谓的量子尺寸效应，导致纳米材料的能隙不但没有降低反而变得更宽。因此，利用纳米材料制备的太阳能电池具有反常的、超过非晶硅电池的高开路电压。用纳米硅替代非晶硅制备异质结太阳电池可以期待能得到更高的电池效率。运用wxAMPS软件模拟了界面态密度对纳米硅(nc-Si:H)/晶体硅(c-Si)异质结太阳电池性能影响，并且采用在界面处增加缓冲层的办法来降低界面态对异质结太阳电池的消极影响。

1 实验基础

1.1 wxAMPS与AMPS-1D软件的区别

AMPS-1D软件是一款针对薄膜太阳能电池的模拟软件[13]。此软件利用泊松方程、电子连续性方程和空穴连续性方程分别得出电子准费米能级、空穴准费米能级和电势，而后再由电子准费米能级、空穴准费米能级和电势出发，可以得到太阳电池的一系列光伏特性。但AMPS-1D软件在求解算法、物理模拟及界面等方面存在着一定的局限性。文献[14-18]在AMPS-1D软件原物理模型的基础上又添加了两种隧穿电流模型，并且重写了程序内核，改进了求解算法，开发了wxAMPS软件。这款软件的性能更加稳定、通用性更强，而且还具有更方便的操作界面，可以利用其他的光学模型，能够更好地模拟更多的新型太阳电池。表1对两种软件从用户界面和计算性能两方面进行了对比，可以看出wxAMPS具备一定的优势，本文采用wxAMPS软件进行模拟计算。

表1 AMPS和wxAMPS软件对比分析[1]

1.2 纳米硅/晶体硅异质结太阳电池结构参数设置

此异质结电池器件结构见图1所示，衬底采用150 μm厚的P型晶体硅，掺杂浓度为1.3×1015cm-3；窗口层为厚度为50 nm的N型纳米硅，掺杂浓度为1×1017cm-3；在N型晶体硅与P型纳米硅之间设计一层厚度在0～50 nm之间变化的本征纳米硅缓冲层(Buffer层)，具体参数设置范围见表2。模拟的太阳光照条件为温度300 K，AM1.5 100 mW/cm2。

图1 模拟器件结构示意图

1.3 本征缓冲层参数设置

影响异质结器件最大的问题是界面的缺陷态。在P-nc-Si:H与N-c-Si:H中插入一层1 nm的本征缓冲层，界面态密度在5×1010～5×1014cm-3之间变化，在禁带中呈双高斯分布，详见表3。

2 结果与分析

2.1 界面态密度对光伏特性的影响

在异质结太阳能电池中，由于材料内部和边界处都存在缺陷，而且不同材料之间存在晶格失配，因此在各材料的交界面之间必然存在界面缺陷态。在此采用wxAMPS软件研究了界面态缺陷密度对纳米硅/单晶硅异质结电池性能的影响。图2为界面密度在1010～1014cm-2范围内，纳米硅(nc-Si:H)/晶体硅(c-Si)异质结太阳电池的主要性能参数变化。

表2 nc-Si:H/c-Si异质结太阳电池的结构参数

表3 本征纳米晶硅缓冲层(buffer层)缺陷参数范围

由图2可知：当界面态密度在5×1010～5×1012cm-2时，电池性能基本不变化。当界面态密度超过6×1012cm-2，随着界面态密度增加电池的性能快速下降；当界面态密度达到1×1013cm-2时，开路电压从701 eV下降至483 eV，并且填充因子与短路电流也有所下降，导致转换效率从22.3%跌至14%；当界面态密度达到1×1014cm-2时，短路电流也大幅度下降至8.2 mA/cm2，开路电压下降至150 mV，填充因子降为20%，而转换效率下降至仅有2.5%。可见，当界面态密度保持在1×1011cm-2以下时，对该异质结电池的影响可忽略；然而界面缺陷态密度达到或超过1×1013cm-2时，对该异质结电池性能的影响非常显著，尤其是电流下降很快。漏电电流和填充因子关系[19]为

(1)

式中：FF为填充因子；JSC为短路电流；J0为漏电电流。

短路电流的突然大幅下降原因是在界面处电子复合引起漏电电流增加。并且漏电电流增大也使开路电压与填充因子下降，从而导致电池的光电转换效率下降。

2.2 本征纳米硅缓冲层(buffer层)厚度对光伏特性的影响

在异质结太阳电池沉积过程中，应该采取措施尽量减小界面态密度。实际生产中可采用增加表面处理工序来降低界面态密度。下文讨论增加本征纳米硅缓冲层的办法对降低界面态密度的影响是否有效。

在nc-Si:H/c-Si异质结太阳电池中，设定界面态密度为8×1012cm-2，保持P-nc-Si:H窗口层和单晶硅层的参数不变，在两层之间插入一层本征纳米硅(参数设定见表3)。图3所示为该异质结太阳电池的性能随本征纳米硅缓冲层(buffer层)厚度变化趋势。从图3可见，没有缓冲层的基础电池光电转换效率为20.2%。在此电池上插入仅1 nm的纳米本征缓冲层后，电池效率迅速提高至24.4%(开路电压为701 mV，短路电流为43 mA/cm2，填充因子为81%)。但是随着本征层厚度的递增，光电转化率又逐步减小了。尤其是当本征层厚度到达10 nm时，电池的性能急剧下降，开路电压降至641 mV，短路电流为43 mA/cm2，填充因子为75%，转换效率降为20.67%。因此，在P型纳米硅窗口层和单晶硅之间加入1～10 nm以内厚度的本征纳米缓冲层能够有效抵消界面态密度对电池带来的消极影响，但如果缓冲层超过10 nm则效果相悖。

图2 界面态密度对电池性能的影响

图3 本征层厚度对太阳电池的影响

图4和图5分别为不同本征层厚度的异质结电池外量子效率和光谱响应图。

图4 不同本征层厚度的异质结电池外量子效率

图5 不同本征层厚度的异质结电池的光谱响应

图6为不同缓冲层厚度的异质结电池外量子效率在300 nm处的比较。由图6可见，缓冲层厚度超过10 nm后短波响应下降趋势更加明显。

图6 不同缓冲层厚度的异质结电池外量子效率在300 nm处比较

比较可知，有1 nm缓冲层的异质结电池相对于无缓冲层的电池短波响应有所增加。这是因为本征纳米缓冲层一定程度上抑制了界面态的消极影响。但是随着缓冲层厚度增大，尤其是超过10 nm之后，其短波响应反而越差。分析认为，缓冲层过厚导致电池内建电场宽度增加，电场强度下降，光生载流子收集效率下降。反向饱和电流增加，短路电流下降，填充因子和开路电压也降低，电池效率进一步降低。因此，适当的纳米缓冲层厚度可提高异质结电池的效率，但不宜过厚。该结论与韩兵等[19]对微晶硅/晶体硅HIT电池的计算结果相似，只是缓冲层厚度范围有所不同。

3 结 论

采用wxAMPS软件对nc-Si:H/c-Si异质结太阳电池进行了模拟计算。分析发现，界面态密度超过1×1013cm-2时，将会严重影响该异质结太阳电池的开路电压和填充因子。采用在P-nc-Si:H和单晶硅基体之间插入一层1～10 nm本征纳米硅缓冲层的办法可以有效抵消缺陷态密度的影响，提高nc-Si:H/c-Si异质结电池的效率，但如果缓冲层厚度过厚会适得其反。