（凝聚态物理专业论文）微晶硅μcsi：h薄膜太阳电池的数值模拟.pdf

摘要微晶硅薄膜太阳电池因具有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池成本低、制备工艺简单等优势，被视为未来太阳电池的发展方向。经过近十几年的研究，微晶硅薄膜及其电池的制备技术已取得了较大进展，电池效率不断提高。不过，当前该领域的研究工作主要集中在实验方面。为了更好地理解微晶硅薄膜太阳电池的工作原理，优化电池结构，从而指导实践，我们采用计算机模拟的方法对p i n结构的单结微晶硅( p c s i ：h ) 同质结薄膜太阳电池进行了研究。本文采用b u r g d m a n 等人开发的太阳电池电容模拟软件( 简称s c a p s ) 对p i n 结构的单结微晶硅( “c s i ：h ) 同质结薄膜太阳电池进行了数值模拟。重点研究了本征层的缺陷态密度和厚度以及窗口层的厚度和掺杂浓度对电池的伏安( j v )特性和光谱响应的影响。最后简单分析了“光陷阱”对太阳电池性能的影响，并计算了在理想情况下单结微晶硅薄膜电池的效率。得到的主要结论如下：( 1 ) 本征层缺陷态密度对电池性能有至关重要的影响。随着本征层缺陷态密度n 。的增加，电池的光谱响应显著变差，各性能参数( 开路电压v o c 、短路电流密度j s c 、填充因子f f 和效率1 1 ) 均单调下降。( 2 ) 随着本征层厚度的增加，电池在长波段的光谱响应逐步改善，但该层过厚则导致中波段的光谱响应急剧下降；电池的开路电压v o c 和填充因子f f 单调下降，短路电流密度j s c 和效率t 1 先增大后减小；在缺陷态密度为1 0 x 1 0 1 6 c m 3的条件下，本征层厚度为1 5 5 t m 一- - 2 0 l x m 时电池的性能较为理想，效率达到7 o 以上。，( 3 ) 电池的最佳本征层厚度随该层缺陷态密度的增加逐渐减小。当本征层缺陷态密度n t 从1 0 x 1 0 1 5 c m 3 增加到5 0 x 1 0 1 7 锄3 时，最佳本征层厚度从3 5 9 m 减小n 0 5 岬，相应的电池最高效率t 1 也从l o 5 1 下降到3 4 9 。( 4 ) p 型窗口层的厚度对短波段的光谱响应及短路电流密度j s c 和电池效率q 有较大影响。随p 层厚度的减小，短波段的光谱响应明显改善，同时短路电流密度j s c 和电池效率”显著增大。( 5 ) 当p 层掺杂浓度n 。在较低的范围内时，随着n 。的增大，电池在中短波段的光谱响应明显改善，开路电压v o c 、短路电流密度j s c 、填充因子f f 和效率1 1 均快速增大；继续增大n 。，上述各性能参数基本趋于饱和，一旦p 层形成“死层 则会导致短路电流密度j s c 和效率t 1 下降。本模型中，p 层的n 。值取为1 0 x 1 0 1 8 c i i l 3 1 0 x 1 0 1 9 0 3 3 3 时电池的性能较好。( 6 ) 引入“光陷阱一后，电池的短路电流密度j 跖和效率 1 明显改善，而开路电压v o c 和填充因子f f 则变化不大。( 7 ) 在理想情况下，由本论文的电池模型得到的单结微晶硅薄膜电池最佳效率为1 5 4 3 。关键词：微晶硅同质结薄膜太阳电池；j v 特性；光谱响应；计算机模拟；s c a p si ia b s t r a c tm i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o no r e s i ：h ) t h i nf i l ms o l a rc e l li sb e l i e v e d 嬲ad e v e l o p i n gt r e n do ft h ef u t u r ep h o t o v o l t a i ci n d u s t r yb e c a u s eo fi t ss t r o n g - p o i n t s ：h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ys i m i l a rt oc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l ，l o wc o s ta n ds i m p l ep r o c e s s i n g d u r i n gn e a r l yt e ny e a r so fr e s e a r c h , g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fm i e r o c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i nf i l ma n ds o l a rc e l l s t h ee f f i c i e n c yo ft h es o l a rc e l l sh a sb e e ni m p r o v e dc o n t i n u o u s l y h o w e v e r , e x p e r i m e n t a ls t u d i e si nt h i sf i e l da r er e p o r t e dc o m m o n l y i no r d e rt og a i nab e r e ru n d e r s t a n d i n go ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i nf i l ms o l a rc e l la n do p t i m i z et h ed e s i g no fs o l a rc e l l s ，w ea n a l y z e dt h eb a s i cp h y s i c so fm i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o no r e - s i ：h ) t h i nf i l ms o l a rc e l lw i t hp - i ns t r u c t u r eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s i nt h i sp a p e r , as i n g l e - j u n c t i o nm i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o n0 t c - s i ：h ) t h i nf i l ms o l a rc e l lw i t hp - i - ns t r u c t u r eh a sb e e ns i m u l a t e db yu s i n gt h es o l a rc e l lc a p a c i t a n c es i m u l a t o r ( s c a p s ) e f f e c t so ft h ei - l a y e r sd e f e c td e n s i t ya n dt h i c k n e s s ，p l a y e r st h i c k n e s sa n dd o p i n gc o n c e n t r a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l sw e r er e s e a r c h e dm a i n l y a tt h ee n do f t h i sp a p e r , w ea n a l y z e ds i m p l yt h ee f f e c to f “o p t i c a lt r a p ”o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es o l a rc e l la n dc a l c u l a t e dt h eb e s te f f i c i e n c yo ft h es o l a rc e l lg i v e ni nt h i sp a p e r t h em a i nr e s u l t sa r e 嬲f o l l o w s ：( 1 ) t h ei - l a y e r sd e f e c td e n s i t yh a sac r i t i c a li n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c e so fs o l a rc e l l s w i t ht h ed e f e c td e n s i t yi n c r e a s i n g , a l lt h es o l a rc e l l sp e r f o r m a n c e s ( o p e nc i r c u i tv o l t a g ev o c ，t h es h o r t c i r c u i tc u r r e n td e n s i t yj s c ，t h ef i l lf a c t o rf fa n dt h ee f f i c i e n c yr 1 ) a n dt h es p e c t r a lr e s p o n s ed e c l i n em o n o t o n o u s l y ( 2 ) w i t ht h et h i c k n e s so fi - l a y e ri n c r e a s i n g , t h eq u a n t u me f f i c i e n c yq ea tl o n g - w a v e l e n g t hr e g i o ni m p r o v e sg r a d u a l l y , b u tq ea tm e d i u m w a v e l e n g t hr e g i o nd e c r e a s e sr a p i d l yi fi ti st o ot l l i c k t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h es o l a rc e l l sw i t ht h ei - l a y e rt h i c k n e s sb e t w e e n1 5 1 x ma n d2 0 岬i so v e r7 ，w h e nt h ei - l a y e r sd e f e c td e n s i t yn ti se q u a lt o1 0 xl0 1 6 c m 3 ( 3 ) t h et h i c k n e s so fp l a y e ra f f e c t ss p e c t r a lr e s p o n s ea ts h o r t w a v e l e n g t hr e g i o n ，t h ec e l l ss h o r tc i r c u i td e n s i t yj s ca n de f f i c i e n c yr lr e m a r k a b l y w i t ht h et h i c k n e s so fp - l a y e rr e d u c i n g , t h es p e c t r a lr e s p o n s ea ts h o r t w a v e l e n g t hr e g i o nr i s e sg r e a t l y , a n ds h o r tc i r c u i td e n s i t yj s ca n dt h ee f f i c i e n c y1 1o fs o l a rc e l la l s oi n c r e a s eo b v i o u s l y i i !( 4 ) w h e nt h ed e f e c td e n s i t yo fi - l a y e ri n c r e a s i n g , t h ei - l a y e r so p t i m a lt h i c k n e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a x i m u me f f i c i e n c yo ft h es o l a rc e l l sa l lg r a d u a l l yd e c r e a s e s ：t h eo p t i m a lt h i c k n e s so fi - l a y e rr e d u c e sf r o m3 5 1 x mt o0 5 1 x m a n dt h em a x i m u me f f i c i e n c yo f t h es o l a rc e l la l s od r o p st o3 4 9 f r o m1 0 5 1 a st h ei - l a y e r sd e f e c td e n s i t yi n c r e a s i n gf r o m1 0 1 0 1 3 c ：i ：r l st o5 o l o c n r 1fl 一，( 5 ) w h e nt h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no fp l a y e r ( n a ) i sa tl o w e rr a n g e ，t h es o l a rc e l l ss p e c t r a lr e s p o n s ea ts h o r ta n dm e d i u m w a v e l e n g t hr a n g ea n da l lt h ep e r f o r m a n c e s ( o p e nc i r c u i tv o l t a g ev o c ，t h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n td e n s i t yj s c ，t h ef i l lf a c t o rf fa n dt h ee f f i c i e n c yt 1 ) a r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fn a ；c o n t i n u i n gt oi n e a s en a , t h ep e r f o r m a n c e so ft h ea b o v et e n dt os a t u r a t i o n ；o n c ea”d e a dl a y e r ”f o r m si np - l a y e r ，t h es h o r t c i r c u i tc u r r e n td e n s i t yj s ca n de f f i c i e n c y1 1w i l ld e c l i n e t ot h es o l a rc e l l sm o d e lg i v e ni nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c e so ft h es o l a rc e l la r eb e t t e rw h e nt h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no fp l a y e r ( n a ) i sa tt h er a n g eo f1 0 1 0 1 8 c m 3 。1 0 1 0 1 9 c m 3 ( 6 ) a f t e r o p t i c a lt r a p w a si n t r o d u c e d ，s h o r t c i r c u i tc u r r e n td e n s i t yjs ca n dt h ee f f i c i e n c yt 1o ft h es o l a rc e l la r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y , b u tt h ei m p r o v e m e n to fo p e nc i r c u i tv o l t a g ev o ca n dt h ef i l lf a c t o rf fi sn o to b v i o u sr e l a t i v e l y ( 7 ) i nt e r m so ft h e s o l a rc e l l sm o d e lg i v e ni nt h i sp a p e r , t h em a x i m u me f f i c i e n c yo f t h es o l a rc e l li su pt o15 4 3 i na ni d e a lc i r c u m s t a n c e k e yw o r d s ：1 t c - s i ：hh o m o - j u n c t i o nt h i nf i l ms o l a rc e l l s ；j vc h a r a c t e r i s t i c ；s p e c t r a lr e s p o n s e ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；s c a p si v原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：赵坍刊嗍纱。7 年少月z 萝日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：超明剞日期：沙参1 年2 - 月谚日郑州大学硕士学位论文第一章l 亩第一章引言人类在2 l 世纪面对的最大困难是什么? 答案是不可再生能源的同渐减少和环境污染的日盏严重。目前，全球总能耗的7 4 来自煤、石油和天然气等化石能源。据国际能源权威年鉴t a p 世界能源统2 0 0 5 6 月发布的数据显示2 0 0 4 年世界一次能源消耗量为l0 2 1 0 ”吨石油的当量，到2 0 0 5 年底，世界石油呵采量为4 5 年，天然气可采量为6 1 年，煤炭可采量为2 3 0 年。无论从世界还是从中国来看常规能源都是有限的，中国的常规能源远远低于世界平均水平，约为世界总储量的1 0 忆图1 1 为我国与世界主要常规能源储量预测图口l 。如何解决这一对难题成为困扰世界各国经济发展的茸要任务，各种清洁可再生能源的优越性只渐突出。其中，太阳能以取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、能自由利用的独特优势而成为人们注目的焦点。地球表面接受的太阳能辐射能够满足全球能源需求量的l 万倍，地表每平方米平均每年受到的辐射可生产1 7 0 0 k w - h 电。国际能源署的统计数据显示，在全球4 的沙漠上安装太阳能光伏系统就足以满足全球能源的需求，所以其潜力十分巨大m 。2 2 6 d 年2 2 口0 年2 1 0 d 馨警1 * *+ s蚺e 1 年箸锰一型s 4 i 一_ _盍阿n 石黄生气罔1 - 1 我国与世界主要常规能源储量预测削太阳电池是利用光生伏特效应，直接将太阳能转化为电能的光学器件。利用太阳能组件发电具有许多优点，如：安全可靠、无嗓音、无污染、能源随处可得、郑州大学硕上学位论文第一章引苦故障率低、维护简便、可与建筑物方便结合等。它因其独有的优势于近年得到了迅速发展，并首先在太阳能资源丰富的国家，如德国和日本，得到了大面积的推广和应用。在国际市场和国内政策的拉动下，国内的光伏产业逐渐兴起，并迅速成为后起之秀，涌现了无锡尚德、常州天合和天威英利等一大批优秀的光伏企业，国内的光伏发电产业链也正在形成。除提供能源外，光伏发电还有许多独特优势，尤其是它可以为边远地区、特殊场合供电。考虑到太阳能光伏发电的附加价值，光伏发电的综合经济效益大大提升，因此不能单纯与传统发电模式比较单位发电成本。太阳能光伏发电能够降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，太阳能光伏发电有许多经济、社会和环境保护的积极意义，它必将成为当前世界上最有发展前景的新能源技术。1 1 太阳电池的发展历史及研究现状太阳电池的发展已有相当长的历史。早在1 8 3 9 年，法国的b e c q u e r e l 等人在电解槽中发现了光生伏特效应。1 8 8 3 年，f r i t t s 描述了第一个用硒制造的光生伏特电池。1 9 4 1 年，o h l 提出了硅p n 结光伏器件，以此为基础，美国贝尔实验室的c h a p i n 等人于1 9 5 4 年制备出了第一个实用的硅扩散p n 结太阳电池，其光电转换效率为6 t 4 1 ，此后又很快将其效率提高到了1 0 。1 9 5 8 年，太阳电池首先在人造卫星上得以应用。由于光伏发电成本过高，在2 0 世纪8 0 年代以前，太阳电池主要用于航天、通讯等领域作为能源补充。9 0 年代以来，随着能源危机和环境恶化的加剧，光伏发电开始受到广泛关注，世界各国政府纷纷出台了促进太阳电池产业和市场发展的政策和措施。近年来，全球光伏市场每年以3 0 - 4 0 速度持续高速增长。2 0 0 3 年全世界光伏组件产量为7 4 2 m w ，2 0 0 4 年就已经达到了11 4 6 m w 5 1 。光伏产业已成为全球发展最快的新兴行业之一，而作为整个光伏产业的核心，太阳电池也得到了快速发展。最近1 0 年太阳电池及组件生产的年平均增长率达到3 3 ，最近5 年的年平均增长率达4 3 ，2 0 0 6 年世界太阳电池产量达2 5 0 0m w p ，累计发货量达8 5 0 0m w p 。与国际上蓬勃发展的光伏发电产业相比，中国的光伏产业起步较晚，但近年来发展迅猛。2 0 0 5 年中国太阳能电池生产总量达到1 3 9 m w ，较2 0 0 4 年猛增了1 7 9 ，2 0 0 6 年达到4 0 0 m w ，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则达到惊人的1 1 8 0 m w 。以3 年产量增长2郑州人学硕十学位论文第一章引言4 5 倍，产能增加1 2 5 倍而成为全球光伏产业发展最快的国家。晶体硅太阳电池是“第一代太阳电池 ，具有高的稳定性和转化效率，是开发最早也是技术最成熟的太阳电池。在当前的光伏市场中，晶体硅太阳电池仍以9 0 左右的份额占据着绝对优势。但是，晶体硅太阳电池制备工艺复杂，原材料占整个电池成本的比例较大( 约为4 0 ) ，因此，晶体硅电池进一步降低成本的空间不大。光伏专家认为，采用由硅原料、制锭、切片到太阳电池的传统工艺路线使电池成本降低至每峰瓦一美元以下是比较困难的。为了降低太阳电池的成本，诞生了第二代太阳电池，即薄膜太阳电池。薄膜太阳电池技术具有以下优点【6 1 ：节省原材料；采用低温工艺，可以使用玻璃和塑料等廉价衬底，能够明显降低能耗；材料和电池同步制备，工艺简单，可以大面积连续化生产。目前研究较多、发展较快的薄膜太阳电池主要有硅基薄膜电池、化合物薄膜电池( 包括铜铟硒( c u l n s e 2 ) 、碲化镉( c d t e ) 和砷化镓( g a a s ) 薄膜电池) 和有机半导体薄膜电池( 包括染料敏化t i 0 2 纳米薄膜电池) 等。其中，硅基薄膜电池以材料丰富、清洁无毒、薄膜制备工艺相对成熟等诸多优势，近年来成为光伏领域研究的热点。根据光吸收层微结构的不同，硅基薄膜太阳电池大致有非晶硅( a - s i ：h ) 薄膜电池和微晶硅( p c s i ：h ) 薄膜电池之分。a o s i ：h 薄膜电池是最早进入产业化的一种薄膜电池，但是，由于光电转换效率低，尤其是存在严重的光致衰退效应( 即s w 效应) 7 1 ，因而大大限制了其发展和应用。与非晶硅薄膜相比，微晶硅薄膜材料具有两个典型的优点：第一，电导率高、载流子迁移率大，同时光致衰退效应非常小，光学性能稳定。第二，更接近晶硅的光学带隙，增强了长波响应。所以微晶硅薄膜太阳电池被国际公认为新一代的硅基薄膜太阳电池。另外，为了最大限度的利用太阳光能量，大幅度地提高太阳电池效率，近年来又先后提出了各种新概念太阳电池，被统称为第三代太阳电池。其中包括多结叠层电池、热光伏电池( t p v ) 、量子阱及量子点的超晶格太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等。1 2 微晶硅薄膜太阳电池的研究进展由于微晶硅薄膜电池既具有晶体硅电池的高效率、高稳定的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省原材料的优点，被视为硅基薄膜太阳电池的下一代技术。3郑州大学硕学也论文第一章引言p c ，s i ：h 薄膜太阳电池的研究热潮起始于1 9 9 4 年，第一个采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备的“c - s i ：h 薄膜太阳电池效率达46 0 0 ”。随后经过了十多年的广泛研究，单结g c s i ：h 电池的最高效率达到了1 03 ，a - s i i _ t c - s i ：h叠层电池晟高效率达1 47 1 9 1 。目前，国际上在该研究领域处于最前沿的研究机构主要有；美国的u n i t e ds o l a r 太阳能公司、日本的o d t n o a 公司、德国的j u l i c h光伏研究所和瑞士的微技术( i m t ) 研究所等。在国内，南开大学、上海交通大学、中科院半导体所、中科院研究生院及郑州大学等单位在微晶硅薄膜及电池制备方面开展了大量的研究工作。微晶硅( e - s i ：h ) 薄膜是由纳米晶硅、晶粒边界、空洞和非晶硅共存的混合相材料。与非晶硅薄膜电池相似，微晶硅薄膜电池多采用p i n 或n i _ p 结构。单结p - i - n 微晶硅薄膜太阳屯池的典型结构如图1 2 所示，其中玻璃为薄膜电池的衬底；i 层为本征层，光生载流子主要在这一层产生并在内建电场作用下被分离丌来；p 层是窗口层，入射光透过该层进入本征层，p 层还和n 层一起产生内建电场：z n o 为透明导电膜，a l 是金属电极。i l l u m i n a t i o nlllili厂g l a s sz n 0i l c s i ：h ! a c - s i ：h ( i )p c s i ：h ( n )z n oa id l - 2p - i 吨型邺一s i ：h 薄膜太阳电池结构示意图近年来，国内外有关i x c s i ：h 薄膜太阳电池的实验研究工作主要包括以下三个方面：( 1 ) i t c - s i ：h 薄膜生长机理的研究：主要是采用光发射谱( o e s ) 、红外吸郑州人学硕上学位论文第一章引言收光谱( m ) 【1 1 1 、椭偏谱或朗缪尔探针等分析手段在线监测薄膜的生长过程，分析等离子体中反应基元的种类和浓度，电子密度和电子温度以及薄膜表面微结构的动态变化等。一般认为，s i l l 3 是p c s i ：h 薄膜生长的主要基元【1 4 , 1 5 】，同时h 原子对薄膜微结构的形成起着至关重要的作用 1 6 , 1 t j 。基于大量的实验研究，人们先后提出了多种p c - s i ：h 薄膜生长模型【l 引，其中较为典型的有表面扩散模型、刻蚀模型和化学退火模型等。( 2 ) p c s i ：h 薄膜的高速沉积：由于p c s i ：h 薄膜为间接带隙半导体材料，因此为了保证充分的光吸收，作为太阳电池活性层的本征微晶硅薄膜的厚度通常达几个微米。若采用常规的射频等离子增强化学气相沉积法( r f p e c v d ) 制备i t c - s i ：h 薄膜，由于沉积速率较低( 一般小于0 3 a s ) ，其沉积时间长达l o h 以上，因此高速沉积质量优良的“c s i ：h 薄膜具有非常重要的现实意义。目前广泛采用的高速沉积技术主要有热丝( h w ) c v d 、甚高频( f ) p e c v d 和电子回旋共振( e c r ) c v d i l 9 - z l l 等。相比较而言，甚高频( f ) p e c v d 技术使用的激发频率较高，能够减小等离子体鞘层的厚度和电压，从而降低电子温度、降低轰击衬底的离子能量，增大了输运到生长表面的离子流量，在提高薄膜沉积速率的同时也大大改善了薄膜的质量【2 2 1 ，同时又与常规的r f p e c v d 技术具有很好的兼容性，因此这种技术在p c s i ：h 薄膜研究中取得了很大进展。瑞士的微技术研究所【2 3 】对高速沉积制备微晶硅薄膜太阳电池进行了深入的研究，2 0 0 1 年在s e m s c杂志报道了在沉积速率为0 7 4n m s 下单节微晶硅n - i - p 太阳电池效率达到7 8 ，进一步提高生长速率到l n m s 时，效率达到6 9 ，非晶微晶叠层电池效率达到1 1 2 。德国j u l i c h 光伏研究中心的0 v e t t e d 等人【2 4 】采用v h f ( 9 5h z ) 技术制备了微晶硅n i - p 太阳电池，在生长速率分别为0 2 0 n m s 和0 4 6 n m s 时，效率为8 7 和8 3 。m a i 等【2 5 】采用h p d 和v h f p e c v d 相结合的技术，使p , c s i ：h薄膜的沉积速率达1 l 砧s ，用于单结的p i n 型即一s i ：h 薄膜电池效率达1 0 3 ，1 0 c r n x l o c m 组件效率达8 9 。m n a t h 等人研究了不同的晶化率对微晶硅薄膜电池开路电压的影响【2 6 1 。( 3 ) i t c s i ：h 薄膜电池的结构及性能研究：c s i ：h 薄膜电池是一个由多层薄膜组成的复杂的光电转换器件，各层薄膜及其界面特性均会对整个电池的性能产生影响。这方面的研究工作涉及透明导电膜( t c o ) 和光陷阱的制备【2 7 ，2 8 1 、背面光5郑州大学硕士学位论文第一章引言反射层的制备2 9 1 窗口层的选择与性能优化【3 0 3 1 1 以及本征层的特性对电池性能的影响【3 2 训等诸多方面。与实验研究相比，当前有关g c - s i ：h 薄膜及其电池的理论研究工作则很少。z u n g e r 等人【3 5 1 使用势平面波理论计算了光学带隙宽度随晶粒大小的变化，并给出两者之间的表达式。t r i p a t h i 3 6 】等人对重掺杂1 1 型p c s i ：h 薄膜中电子的输运特性进行了理论模拟，得出了激活能、自由载流子浓度和迁移率随1 1 型掺杂浓度的变化及界面捕获的载流子浓度与有效电子浓度的关系。后来该研究小组又对p i n结构的i l l c - s i ：h 薄膜电池进行了理论模拟【37 1 ，得出电池的性能强烈依赖于本征层的晶化率及微结构。北京师范大学的温亮生【3 8 1 等采用有效介质理论对肛c s i ：h 薄膜电池进行了理论模拟，研究了电池性能与i 层厚度、i 层薄膜的光学带隙、单晶相的比率及晶粒尺度的关系。1 3 本文的开题思想及研究内容综上所述，微晶硅薄膜太阳电池兼有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池的低成本优势，是近年来光伏领域研究的热点。经过近十几年的研究，微晶硅薄膜及其电池的制备技术已取得了较大进展，电池效率不断提高。然而，目前有关微晶硅薄膜太阳电池的研究主要局限在实验方面，从理论上进行计算模拟的研究报道较少，且多限于薄膜生长过程和薄膜中载流子输运及其光电特性研究，对微晶硅薄膜太阳电池整体性能的计算模拟还很少见。与常规的实验方法相比，计算机模拟具有节省原材料、省时省力、重复性好等诸多优势，已成为材料研究和器件设计中强有力的研究方法。对于薄膜电池这种具有多层复杂结构的器件，若要研究某一参数对电池性能的影响，原则上要求应保持其它诸多参数固定不变。譬如，若要研究本征层缺陷态密度的影响，则不仅要求其它各层的结构和性能参数保持不变，还应控制本征层的厚度、晶化率及p i 界面状态等保持不变，这在实验上通常很难控制甚至是无法实现的。计算机模拟正好能够弥补上述不足，它能够方便、精确地进行参数的设置与控制。为了进一步理解太阳电池的工作原理，优化电池结构，本文利用b u r g e l m a n等人研究开发的太阳电池电容模拟软件s c a p s ( s o l a rc e l lc a p a c i t a n c es i m u l a t o r ，简称s c a p s ) 对p i - n 结构的微晶硅薄膜太阳电池进行了数值模拟。一般认为，6郑州大学硕士学位论文第一章引言i 层( 本征层) 的结构特性是影响p i n 薄膜电池的性能的关键因素。因为i 层是光吸收层，光生载流子主要在这部分产生并依靠其中的内建电场被收集，该层不仅要尽可能多的吸收太阳光，还要有较好的载流子输运特性( 如较少的复合中心，较大的载流子扩散长度，较长的载流子寿命等) 。另外，作为电池窗口层的p 层对电池的整体性能也有着重要影响。首先，入射光透过该层进入本征层，p 层的厚度和光吸收系数将对电池的短路电流产生较大的影响；其次，p 层和n 层一起产生内建电场，而内建电场的强弱直接影响光生载流子的收集。基于以上考虑，本文主要研究了本征层( 即i 层) 和窗e l 层( 即p 层) 的结构和性能参数如厚度、缺陷态密度等对p i n 结构的微晶硅薄膜太阳电池性能的影响。本文的主要内容如下：第一章综述了太阳电池尤其是微晶硅薄膜太阳电池的研究进展；第二章重点介绍本工作的理论基础，包括太阳电池的工作原理、半导体中载流子的输运机制及薄膜电池研究中常用的计算机模拟软件；第三章至第五章为本论文的核心内容，第三章给出了1 t c s i ：h 薄膜太阳电池模型及参数，并模拟了本征层的缺陷态密度和厚度等对电池j v 特性和光谱响应的影响；第四章研究了窗口层的厚度和掺杂浓度等对电池性能的影响；第五章简单分析了光陷阱的作用，并给出了理想情况下单结微晶硅薄膜太阳电池的极限效率；第六章是本论文的结论与展望。7郑州大学硕士学位论文第二章理论基础第二章理论基础本章简要阐述了太阳电池的物理基础，主要介绍了太阳电池的工作原理、半导体中光的吸收、非平衡载流子的复合和输运机制以及半导体器件物理的基本方程等。最后，介绍了当前太阳电池模拟中常用的模拟软件。2 1 太阳电池的工作原理及性能参数太阳能电池是以p - n 结的光生伏特效应为基础的半导体器件。所谓光生伏特效应，简单地讲，就是当物体受到适当波长的光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。p n 结是太阳电池的心脏。当太阳光照射到p n 结时，一部分被反射，其余部分被p n 结区的价电子吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热，另一部分以光子的形式与p - n 结区的价带电子碰撞，使价带电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对。产生在p - n 结势垒区的电子空穴对，在势垒区内建电场( 由n 区指向p区) 的作用下，将电子驱向1 1 区，空穴驱向p 区，使之分离。在n 区的势垒边界处，光生空穴几乎全部被扫入p 区，因而该处就与n 区内部形成了指向势垒方向的少数载流子( 空穴) 浓度梯度，使n 区的光生空穴以扩散方式向势垒区运动，一旦达到势垒区边界，便被内建电场扫入p 区，光生电子仍留在n 区。同理，p区的势垒区边界处光生电子数目近似为零，p 区内部也形成了指向势垒方向的少数载流子( 电子) 浓度梯度，使p 区的电子向势垒区扩散，达到势垒区边界后即被扫致n 区，光生空穴仍留在p 区。因此，各区产生的光生载流子，在内建电场的作用下，反方向越过势垒，形成光生电流。在电池两端开路的情况下，被分离的光生电子空穴对分别积累在n 区和p 区，与热平衡状态下的p n 结相比，n 区有了过剩电子，p 区有了过剩空穴，这就建立了以p 区为正、n 区为负的光生电动势( 或称光生电压) 。如果将电池的两端接入负载，在持续的光照下，就会有电流从电池的p 端经过负载流入n 端，这就是太阳电池的简单工作原理【3 9 ，柏】。郑州人学硕士学位论文第一二章理论基础图2 1 理想太阳能电池的等效电路上ir理想p n 太阳电池的等效电路如图2 1 所示。它相当于一个电流为i p h 的恒流源与一只正向二极管并联，流过二极管的电流在太阳电池中称为暗电流i d口y( 厶= 厶( p 丽一1 ) ) 【3 9 1 ，光照下流过负载的电流为i 应等于电池的光电流i p h 与暗电流i d 的线性叠加，即，业、，= 一厶ip 村一1l ( i o 是二极管饱和电流)( 2 1 )其中q 为基本电荷，k 为波尔兹曼常数，t 为绝对温度，n 是理想化因子，对于p n 结n = l ，对于p i - n 结n 2 。电池的理想伏安特性曲线如图2 2 ( a ) 所示。图中还给了出暗特性曲线，即无光照( ，荫= o ) 时的i - v 曲线。太阳电池的负载特性曲线如图2 2 ( b ) 所示，曲线上的点称为工作点，随负载的变化而变化。j1、酱八曲线、avb图2 - 2电池的理想伏安曲线表征太阳电池性能的参数主要有：短路电流i s c ，开路电压v o c ，填充因数f f和转换效率q 。9郑州大学硕士学位论文第- 二章理论基础( 1 ) 短路电流i s c ：所谓短路电流i s c 就是光照情况下太阳电池的两端短路( 即在图2 一l 中v = o ) 时的电流。此时，光电流全部流入外电路，不可能在p - n 结两边形成载流子的积累，光电压为零。f l 了( 2 1 ) 式可知，当v = 0 时，k = ，也就是说，在不考虑其它损耗的情况下，短路电流i s c 与光电流i p h 相等。( 2 ) 开路电压v o c ：所谓开路电压v o c 就是光照情况下太阳电池两端开路( 即在图2 1 中i - 0 ) 时的电压。在开路状态下，随着光照时间的增加，n 区的过剩电子和p 区的过剩空穴越来越多，光生电压越来越高，暗电流i d 也相应增大，当暗电流全部抵消了光电流时，光电压不再增大，此时的光电压称为开路电压v o c 。由( 2 1 ) 式可得：= 孚h 睁- )亿2 ，gk o( 3 ) 填充因子f f 定义为太阳电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值。调节负载电阻到某一值r m ( 如图2 2b 所示) 时，曲线上有一点m 满足输出功率p 最大，则该点被称为最大功率点。该点所对应的电流称为最大功率点电流i m ，所对应的电压称为最大功率点电压v m ，所对应的功率则称为最大功率p m ，则职2 东茏q 3 k、。填充因子的值越高，表明太阳电池输出特性越趋近于矩形，太阳电池性能越好。计算和实验结果证明，填充因子随v o c 的提高而提高。( 4 )太阳电池的效率1 1 定义为最大功率点的输出功率p m 与入射功率之比。由( 2 3 ) 式得：7 = 鲁= 芈( 2 4 )1 i nj i n效率t 1 表征太阳电池将入射在其表面的太阳能转换成有用电能的比例，是判断电池质量好坏的重要参数。2 2 半导体中的光吸收半导体对光的吸收包括本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收和晶格吸收。1 0郑州大学硕士学位论文第二章理论摹础不过除了本征吸收外，其他吸收都很小，且不形成光电导，因此以下只介绍本征吸收。当半导体受到光照时，价带中的电子受光子激发而跃迁到导带，同时在价带留下一个空穴，这种吸收称为本征吸收。发生本征吸收的条件是入射光子的能量必须等于或大于半导体的禁带宽度e g ，即h v e g ，因而各种半导体材料都有一个本征吸收的长波限：厶：黑汹)( 2 5 )2 可历协j本征吸收满足吸收定律，即：_ a l l ( x ) = - a i ( 工)( 2 6 )这里x 表示距入射面的距离，与光的频率有关，i ( x ) 表示x 处的光能流密度，仅为吸收系数，与波长有关。将上式积分可得：i ( x ) = i o e 叫。( 2 7 )i o 表示x = 0 处即入射面的光能流密度。如图2 3 【3 8 1 所示，为半导体的本征吸收曲线。图2 - 3 半导体的本征吸收曲线设q ( x ) 为x 处波长为九的光子流密度，则有q ( 石) ：掣：粤p 一靠，z u ，z u假设每吸收一个能量大于e g 的光子产生一对电子一空穴对，位体积内光生载流子的产生率g ( x ) 为：g ( 石) ：一d q _ _ ( x ) ：( 1 一p ) 口q ( x ) e 一甜( 2 8 )则在光照面下x 处单( 2 9 )这就是载流子连续性方程中的产生项，其中p 为入射面的光反射率。由于半导体的能带结构不同，本征吸收表现出两种不同的形式，即直接跃迁郑州人学硕士学位论文第_ 二章理论基础和间接跃迁。对应于这两种跃迁的半导体材料，分别称为直接带隙半导体和间接带隙半导体。因为间接带隙半导体中的光吸收过程要有声子参与，所以间接带隙半导体的吸收系数通常比较小。2 3 非平衡载流子的复合和输运机制2 3 1 复合理论【4 1 】在适当波长的光照下，半导体价带中的电子被激发到导带产生电子空穴对，称作光生载流子。这时半导体内的载流子浓度n 和p 超过了无光照时的平衡载流子浓度n o 和p o ，超出的这部分n 和p 称为非平衡载流子浓度。单位时间、单位体积内产生的电子空穴对数称为产生率g 。停止光照后，原来激发到导带中的电子将回到价带中，载流子浓度又衰减到热平衡时的值，这个过程就是复合。单位时间、单位体积内复合的电子空穴对数称为复合率r ，复合率r 和产生率g之差称为净复合率u 。在上述过程中非平衡载流子的平均存在时间称为非平衡载流子的寿命t ，它与净复合率u 的关系为f ：望( 2 1 0 )f = 二-i ：z 1 u ，【，、半导体内的复合过程，根据不同的划分方法，可以有不同的分类。就复合过程的微观机制讲，复合过程大致可以分为两种( 1 ) 直接复合：导带电子直接跃迁到价带与价带空穴复合；( 2 ) 间接复合：电子和空穴通过禁带中的能级( 复合中心)进行的复合。根据复合发生的位置，复合可分为体内复合和表面复合。就复合机制而言