MoS2/SnS异质结太阳能电池的模拟研究

赵航航，袁吉仁，邓新华，黄海宾

(1.南昌大学理学院，南昌 330031；2.南昌大学光伏研究院，南昌 330031)

0 引 言

太阳能电池作为在众多新能源中一颗闪耀的明星，一直以来都受到众多的科学家青睐，但如何提高太阳能电池转换效率是太阳能电池的核心问题。硫化亚锡(SnS)是一种棕黑色Ⅳ-Ⅵ族层状化合物半导体材料，受主能级由于存在Sn空位，SnS通常为p型导电材料。由于制备工艺的差异，禁带宽度在1.0 ～1.5 eV之间[1-2]，与太阳能电池最佳禁带宽度1.5 eV比较接近，在可见光范围内对光的吸收很大(α>104cm-1)，其理论光电转换效率高达25%[3]。SnS可以薄膜化生产，且组成SnS的原料在地球上储备丰富、价格低廉，是一种具有很好应用前景的材料。但实际所制备的SnS太阳能电池转换效率与理论值相差较大[4-7]，如何提高SnS太阳能电池转换效率是目前研究的问题之一[8-9]。

硫化亚锡(SnS)类太阳能电池已经经过数十年的研究，以往的SnS类太阳能电池，n层常用的材料一般为CdS、ZnO、a-Si、ZnS、SnS2、Bi2S3、CZTSSe等，但目前国内外还未见以SnS为p层，MoS2为n层相关电池结构研究报道。

n层材料可以选用二硫化钼(MoS2)，因为二硫化钼与单原子层二维石墨烯材料具有相类似的二维结构和性能，与零能带隙的石墨烯相比，MoS2具有1.2～1.8 eV的能带间隙，单层MoS2是直接带隙半导体材料[10]。同时，MoS2具有优良的光吸收系数(α>106cm-1)和高的载流子迁移率(200 cm2·V-1·s-1)，近些年来受到越来越多的关注，常被用于太阳能电池、光电探测器等一系列光电器件研究中[11-13]。

本文选用的是由南开大学和美国伊利诺伊大学香槟分校合作开发的wxAMPS太阳能电池模拟仿真软件[14]，它是根据著名太阳能电池模拟软件AMPS-1D的内核改编升级而来，可以对多种结构电池进行模拟仿真，例如异质结、同质结、肖基特类太阳能电池，适用性广泛，使用简单，且适合多种环境场合。本文利用wxAMPS模拟了MoS2/SnS异质结太阳能电池，主要对太阳能电池中的SnS吸收层厚度、掺杂浓度和各种缺陷态(高斯缺陷态、带尾缺陷态和界面缺陷态)等影响因素进行了研究。通过计算分析和对各个参数的优化，希望从理论上论证MoS2/SnS电池结构的可行性，特别是理论证实能够达到比较高的转换效率；同时探索影响其高效的各种因素，并进行优化设计，为实际制备该种电池提供理论参考。

1 物理模型与材料参数

设计的太阳能电池模型结构如图1所示，单层重掺杂的MoS2为异质结发射层，衬底为2 μm厚的SnS，MoS2和SnS之间插入一层界面层，界面厚度在1～3 nm之间变化。光子从前接触面入射，进入太阳能电池内部后被吸收转化，光生电子和空穴通过扩散运输到pn结区，在结区空间电场的作用下分别向MoS2发射层和SnS层漂移。

图1 MoS2/SnS太阳电池结构

本文模拟采用的MoS2材料参数参考文献[15]设置，SnS材料参数参考文献[16]。模拟时采用功率为100 W/cm2的标准AM1.5G作为入射光源，从电池正上方入射，温度为300 K，在理想情况下假设入射光在前、后表面的反射率分别为0和1，模拟计算中使用的主要参数如表1所示。这些参数除了部分可变参数外，其他参数都取自wxAMPS软件默认值。

表1 模拟计算采用的主要参数

根据Possion方程和电流连续性方程，一维稳态下，三个方程的具体形式为[17]：

(1)

(2)

(3)

为了构成PN结，本征半导体都需要进行一定的掺杂，掺杂是人为引入的，可以采取一定的手段进行调节。缺陷却是由材料内部结构、杂质等原因产生的，可以通过提高材料性能来减小缺陷。根据电学性能，缺陷态可以分为受主类型缺陷、施主型缺陷和两性缺陷。根据能带里的分布情况，缺陷态可分为指数分布、高斯分布和均匀分布[18]。在wxAMPS中，指数分布模型常用来解释缺陷在晶体中形成的带尾结构。因为通常晶格结构不是绝对的完美，导带和价带附近会延伸出一些定域的带尾缺陷态。图2为带尾缺陷态的分布情况，带尾缺陷态密度与能量的关系如下：

图2 带尾缺陷态分布图

(4)

(5)

其中，ga为acceptor-like缺陷态，gd为donor-like缺陷态，GAO、GDO为导带底、价带顶密度，E为缺陷态在能带中的分布，EC、EV为导带、价带能级，EA为导带尾特征能级，ED为价带尾特征能级。

在wxAMPS中还提供了另一种缺陷态模式——高斯缺陷态，缺陷态在能带中呈现高斯分布趋势，高斯缺陷态适合绝大部分材料在能带中的分布情况。图3为高斯态的分布情况，材料中的高斯缺陷态分布与能量关系可表示为:

图3 高斯缺陷态分布示意图

(6)

(7)

其中，GA(E)为受主型高斯缺陷的分布，GD(E)为施主型高斯缺陷的分布，NAG、NDG为高斯分布的类受主、类施主状态密度，EACPG、EDONG分别是acceptor-like，donor-like峰值能级位置，WDSAG、WDSDG分别是acceptor-like，donor-like分裂能级宽度。在模拟时这些参数要根据实际情况进行自行设计。

高斯缺陷态和带尾缺陷态描述了两种不同缺陷的分布情况，高斯缺陷态主要是由悬挂键引起的，带尾缺陷态主要是由晶格不是严格的周期性而形成的局域态引起的。两种缺陷可以同时存在，由哪一种缺陷来主导要根据具体的材料而定，不同的材料中两种缺陷的量级差异很大，当然影响太阳能电池的转换效率的因素众多，但界面缺陷态是核心影响因素[19]。界面缺陷态是由于界面上下两种材料的晶格系数和不饱和悬挂键的存在，使得界面形成的缺陷态。在讨论MoS2/SnS太阳能电池时加入了一层“界面层”，希望通过对界面缺陷态的讨论能够推断SnS类太阳能电池实际效率低下的原因。

前接触界面和背接触界面缺陷层中的连续缺陷态密度Dit可以表示为：

Dit=[GMGD(EDA-EV)+GMGA(EC-EDA)]x0

(8)

其中,GMGD为单位能级上的施主缺陷态密度，GMGA为单位能级上的受主缺陷态密度，EDA为施主体缺陷态与受主体缺陷态的界限能级，EC和EV分别为导带能级与价带能级，x0为界面厚度。界面态缺陷对器件性能的影响主要是光生载流子在界面传输时会俘获电子或空穴，引起较多的复合，增大暗电流，从而降低电池的转换效率。

2 结果与讨论

2.1 吸收层厚度对太阳能电池的影响

通过改变吸收层厚度模拟计算电池的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率的变化。从图4可以发现随着吸收层厚度的增加，开路电压逐渐上升，厚度达到2 μm时，开路电压上升逐渐趋于平稳。厚度在0.2～0.4 μm时短路电流、填充因子和转换效率都有一个较大的变化。其中短路电流和填充因子变化尤为明显，短路电流从15 mA/cm2增大到33 mA/cm2，转换效率从7%提升到21%。吸收层厚度增加提高了太阳能电池对太阳光的吸收，吸收层可以吸收更多的入射光，产生更多的自由载流子，提高太阳能电池的转换效率。随着厚度的继续增加，短路电流、填充因子和转换效率变化开始变得平缓，吸收层厚度的增加可以提高太阳能电池效率，但吸收层厚度增加到一定时，过厚的吸收层会增加光生少子的漂移长度，使得到达空间电荷区的概率变小，导致复合率增大。为了得到更好的模拟结果，在模拟时选用了厚度为2 μm的参数。

图4 吸收层厚度对Voc、Jsc、FF、Eff影响变化曲线

2.2 吸收层掺杂浓度对太阳能电池的影响

图5为吸收层掺杂浓度对电池性能的影响。改变吸收层的掺杂浓度，在掺杂浓度较低的情况下开路电压、短路电流、填充因子和转换效率基本稳定在一定的范围内。掺杂浓度大于1.0×1013cm-3时，开路电压、填充因子和转换效率都有一定的提升，曲线变化明显。掺杂浓度超过1.0×1015cm-3时，短路电流迅速减小，曲线迅速下降。因为较低的掺杂浓度会降低运送少数载流子的能力，增加掺杂浓度有利于增加空间电荷区的电场强度，提升转换效率，但高浓度的掺杂会引起空间电荷区减小，增大少数载流子复合概率，影响太阳能电池性能。

图5 掺杂浓度对Voc、Jsc、FF、Eff影响变化曲线

2.3 高斯缺陷态对太阳能电池的影响

模拟时所设置的为双高斯缺陷态：受主型高斯缺陷态、施主型高斯缺陷态。为了计算与分析的简便，双高斯缺陷态浓度相同。从图6可以看到高斯缺陷态浓度在1.0×1011～1.0×1015cm-3时，开路电压、短路电流、填充因子以及转换效率都相对稳定，当浓度为1.0×1015cm-3时，开路电压达到最大值，随着浓度的增加，开路电压逐渐变小，短路电流、填充因子和转换效率也随之变小。设计时，考虑到高斯态对太阳能性能的影响，应该将高斯缺陷态浓度控制在1.0×1015cm-3以下。

图6 高斯缺陷态对Voc、Jsc、FF、Eff影响变化曲线

2.4 带尾缺陷态对太阳能电池的影响

带尾缺陷态也是影响太阳电池性能的一个重要因素，模拟时对导带尾、价带尾都进行了设置，为了模拟计算的简便，导带尾缺陷态浓度和价带尾缺陷态浓度采用同一数值。图7给出了开路电压、短路电流、填充因子和转换效率变化曲线。带尾缺陷态浓度在1.0×1015～1.0×1019cm-3·eV-1之间，开路电压基本保持稳定，变化曲线平稳。当浓度大于1.0×1019cm-3·eV-1时，开路电压、短路电流、填充因子和转换效率都出现了下降趋势。

2.5 界面态对太阳能电池的影响

异质结太阳能电池通常是在n型(p型)材料上沉积p型(n型)薄膜作为发射区，在薄膜与晶体表面形成异质结结构，在形成的异质结界面往往存在大量的界面缺陷，由于两种材料的性质不同，晶格常数一般不同，在晶体表面存在许多未饱和悬挂键，这些悬挂键增加了异质结界面的复合速率，减少了少数载流子的寿命，对开路电压、短路电流、填充因子以及转换效率影响较大。

这些界面缺陷可作为非平衡载流子的复合中心，如果在异质结界面附近出现大量的光生电子和空穴，则异质结的界面复合将比较严重，界面缺陷态对太阳能电池性能的影响一直以来是太阳能电池研究的重点。

图8可以看到在界面缺陷态密度低于1.0×1012cm-2时，开路电压、短路电流、填充因子以及转换效率都有一个稳定的数值，当界面缺陷态密度大于1.0×1012cm-2时，开路电压、短路电流、填充因子和转换效率迅速下降。与图6、图7中的高斯缺陷态、带尾缺陷态对太阳能电池的影响比较，可以看到界面缺陷态，影响效果更明显，也更为敏感。

图7 带尾缺陷态对Voc、Jsc、FF、Eff影响变化曲线

图8 界面缺陷态对Voc、Jsc、FF、Eff影响变化曲线

因此宜将界面缺陷态控制在1.0×1010cm-2，此时MoS2(n)/SnS(p)异质结太阳能电池性能最佳，最佳J-V曲线如图9所示，优化后的太阳能电池开路电压为0.88 V，短路电流为33.4 mA/cm2，填充因子为85.4%，转换效率为24.87%。

图9 MoS2(n)/SnS(p)太阳能电池最佳J-V曲线

图10给出了不同界面缺陷态密度下的电流密度-电压曲线。可以发现，随界面缺陷态密度的增加，短路电流和开路电压明显减小。界面缺陷态密度的增大，增加了异质结界面的复合速率，减少了少数载流子的寿命，严重影响太阳能电池性能。

图10 SnS太阳能电池J-V曲线随界面态密度的变化

3 结 论

本文设计了一种新型结构MoS2(n)/SnS(p)异质结太阳能电池，并通过wxAMPS太阳能电池模拟软件，研究了吸收层厚度、掺杂浓度、高斯态、带尾态以及界面态对MoS2/SnS异质结太阳能电池性能的影响。通过一系列模拟优化设计后得出：该结构太阳能电池的SnS吸收层最佳厚度为2 μm，最佳掺杂浓度为1.0×1015cm-3，优化后的太阳能电池开路电压为0.88 V，短路电流为33.4 mA/cm2，填充因子为85.4%，转换效率为24.87%，与SnS理论光电转换效率非常接近。模拟发现：高斯缺陷态在浓度低于1.0×1015cm-3时，对电池性能影响较弱，带尾缺陷态浓度要高于1.0×1019cm-3·eV-1时，才会影响太阳能电池性能；而界面缺陷态密度超过1.0×1012cm-2时，会严重影响太阳能电池性能；并且各种缺陷中界面缺陷态对其性能影响最严重。这些模拟结果有助于了解SnS基太阳能电池转换效率低下的原因，并为实验制备该种电池提供很好的理论参考。