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Acomputersimulationmodelofa-Si/c-SiheterojunctionsolarcellsatthermodynamicequilibriumusingaScharfetter-GummelsolutionofPoisson'
sequationhasbeendeveloped.Itstressestheroleofthei(a-Si:
Hbufferthinlayerinsertedintothea-Si/c-Siheterojunctionsolarcells.Duetotheuseofdesignsoftheinsertionofani(a-Si:
Hbufferthinlayerintop-nheterojunction,thecollectionandtransportofphoto-generatedcarrierseffectivelyincrease,enhancingtheperformancesofa-Si/c-Siheterojunctionsolarcells.Also,theinfluencesofthicknessandp-typedoppingconcentrationofp+
Hthinfilmsina-Si/c-Siheterojunctionsolarcellsonthecollectionandtransportofphoto-generatedcarriersarediscussed.Undertheconditionofprolongedlightsoaking,thesimulationshowsthata-Si/c-Siheterojuncionstructuresolarcellpossesseshighlightstability
.Keywords:
heterojunctionsolarcell;
Newton-Raphsonsolutiontechnique;
densityofstatesina-Si:
H;
carriercollection
EEACC:
8420;
2560B
第23卷第4期
2003年11月
固体电子学研究与进展
RESEARCH&
PROGRESSOFSSE
Vol.23,No.4Nov.,2003
*E-mail:
hslin@ustc.edu.cn
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(No
.69876024
1引言
非晶(薄膜-晶态硅异质结,诸如a-Si/c-Si,
µ
c-Si/c-Si和a-SiC/c-Si等结构太阳能电池近年来得到人们愈来愈浓厚的兴趣[1~4],原因是晶态硅半导体太阳能电池能量转换效率虽高达24%,但造价昂贵,而a-Si:
H基太阳能电池不仅能大面积生产,造价又低廉,可是内在的Staebler-Wronski效应使其稳定性差,非晶(薄膜-晶态硅异质结结构是综合两者优点充分发挥各自长处的最佳设计,而且这种结构电池能在较低温度下(<
250º
C制造,从而避免采用传统的高温(>
900º
C扩散工艺来获得p-n结,这不但节约能源,而且低温环境使得a-Si:
H基薄膜掺杂,禁带宽度、厚度得以较精确控制,为优化器件特性提供机会;
低温沉积过程中单晶硅片弯曲,变形小,因而其厚度可取作为本底光吸收材料光学所要求的最低值,约80µ
m,改善少数载流子扩散长度与电池总厚度比值,从而允许采用"
低品质"
c-Si以及poly-Si[1]。
非晶(薄膜-晶态硅异质结在制造大面积、高效率、低价格、稳定性好的半导体太阳能电池中具有巨大的潜力。
非晶(薄膜-晶态硅异质结制造中采用所谓HIT技术(HeterojunctionwithinsertedIntrinsic
Thin-layer,即对pn结嵌入本征缓冲薄层,从而很好提高其太阳能电池性能[1~4]。
如在120º
C下通过化学汽相沉积(PECVD技术把a-Si:
H薄膜直接沉积于N型单晶硅n(c-Si本底材料上形成p+(a-Si:
H/n(c-Si异质结,可获得12.3%电池能量转换效率,但若嵌入质量好的i(a-Si:
H缓冲薄层,电池的能量转换效率将提高到14.8%[2]。
本文准备应用Scharfetter-Gummel解法数值求解Poisson方程,对热平衡态a-Si/c-Si异质结太阳能电池进行计算机数值模拟,推出其能带图,电场强度分布等,着重分析嵌入i(a-Si:
H薄层提高a-Si/c-Si异质结太阳能电池性能的原因以及a-Si/c-Si异质结太阳能电池中p+(a-Si:
H薄膜厚度和p型掺杂浓度设计,并讨论其稳定性。
2物理模型
图1是p+(a-Si:
H/i(a-Si:
H/n(c-Si异质结太阳能电池结构简图。
下列Poisson方程描述其热平衡态性质:
ε(x=
2
dx2
=c(x(1
图1p+(a-Si:
H/n(c-Si异质结太阳能电池结构简图
die.1Schematicdiaeramofp+(a-Si:
H/n(c-Sisolarcell
式中b(x称局部真空能级,它的数值与电子静电势相同,但符号相反,其单位为电子伏特[5,f];
ε(x是材料介电常数。
于是电池中电场强度g(x由下式得出:
g(x=
dx
方程(1右边空间电荷密度c(x表示为:
c(x=h[i(xjk(x+l+m(kno(x+it(xjkt(x](2其中i(x是价带中空穴浓度,k(x是导带中电子
浓度,l+
D(kno(x
是净有效荷正电分立局域态浓
度,i
t(x
是连续局域态上俘获的空穴浓度,kt(x是连续局域态上俘获的电子浓度。
方程(2中i
和k
表达式依赖于a-Si:
H隙态密度分布的具体形式,本文采用用图
图2"
p"
型隙态密度分布
die.2p-shapeddistributionofeapstates
的"
型分布模型[5,f],即从导带边q
C
伸入带隙的1r4
4期林鸿生等:
a-Si/C-Si异质结结构太阳能电池设计分析
类受主Urbach带尾态为N(E=Gaoexp(-E/Ea,和价带边EV伸入带隙的类施主Urbach带尾态N(E=Gdoexp(-E/Ed
能量E起始点分别从导带底和价带顶算起,伸入禁带为正,禁带中部是常数隙态密度Gmg,其能量范围从EL0到E=EUP-EL0[5,6]
Eda是类受主态和类施主态转换能量。
表1列出a-Si/c-Si
异质结太阳能电池模拟计算中使用的典型物理参数[2,4~6]
。
a-Si:
H的Eg=1.72eV,电子亲和能xe
=4.0eV,介电常数ε=11.7,而c-Si的Eg=1.12eV,xe=4.05eV,ε=11.9。
模拟计算中T=300K,器件总长度为L,L
=4.0µ
m。
Φbo是x=0处势垒高度,ΦbL是x=L处势垒高度,Φb0=1.35eV,ΦbL=0.28eV,方程(1的边界条件:
V(0=Φbo-ΦbL
W
V(L=0
(3
把器件进行400等分的网格划分,通过差分法把方程(1转化成一组差分方程组,由XeYZo[
-\aph]o[解法求解差分方程组[5,6]
得出器件网格点上电子局部真空能级V的精确数值解,从而计
算出相应的能带图,电场强度和空间电荷浓度分布
等[5,6]。
显然,
只要给器件选择恰当的物理参数,方程(1和(3求解是在没有任何先决条件下进行的。
H太阳能电池在光照射下性能出现衰退
影响了它的应用。
在文献[7]的实验结果中支持了空间电荷效应是a-Si:
H太阳能电池光诱导性能衰
退的主要物理机制[8],继而应用数值模拟方法[6]
进一步论证并得出结论,在光照射下a-Si:
H太阳能电池光生空穴俘获产生的带正电缺陷使电池内部有了净正空间电荷,从而把高电场调制到p/i界面,而使i/[界面附近电场强度下降以至出现小于
^1_104
V/cm^
准中性区(低场‘死层a,低场‘死层a降低a-Si:
H太阳能电池对光生载流子收集,
使电池性能随着光照射而衰退。
本文继续应用计算机数值模拟方法分析a-Si/c-Si
异质结结构太阳能电池的稳定性,用Nb来表示在光照下a-Si:
H中由于空穴俘获正空间电荷密度的增加量,取Nb=5
_1016cm-3[6,7,9]
于是被光照射过的a-Si/c-Si异质结太阳能电池中空间电荷效应也应用方程(1来模拟,但此时空间电荷密度c(x
应取以下形式:
c(x=d[Nbbe(x-f(xbNbg(fhi(xbeZ(x-fZ
(x]c-Si没有SZebjer-kro[]li效应,Nb
=0
表mnopq/ropq
异质结太阳能电池模拟计算使用的典型物理参数snt.msuvwxyqrnzyux{qr{yn|n}vwv|{,~{vdn{qny~wfo|ro}y~wv|{q}~znwqonqnnopq/ropquvwv|oj~nrwqon{ozn|rvzz{
ParameZer/u[iZp(a-Si:
Hi(a-Si:
H[(c-SiL/µ
m0.05
0.03
3.92
Ng/cm
-3
5_10
14
NA/cm-3
7_1017
NC/cm
-32_10192_1019
2.8_1019
NV/cm
2_10
192_10
191.09_10
19Gdo/cm-3·
eV-17.222_10217.222_1021
Gao/cm-3·
eV
-17.222_10217.222_1021Ed/eV0.05330.0433Ea/eV0.0370.027
Gmg/cm-3
·
-1
16
15
E
da/eV0.860.86
3结果与讨论
3.myb
(nopq:
H/n(ropq异质结中nopq:
H膜厚
设计
图3是理论计算的pb
H0.08µ
m/[(c-Si
异质结太阳能电池能带图。
异质结位于0.08µ
m处,
能带不连续,价带顶有跳变,而且在靠近表面(x
=0区域能带向下弯曲。
图3pb
异质结太阳能电池能带图(取电池0~0.25µ
m区域Fig.3Ba[ddiagramofpb(a-Si:
heZeroju[cZio[]ojarcejj(x=0~0.25µ
m
图4(1是pb(a-Si:
m/[(c-Si异质结的电场强度分布,x=0.08µ
m交界面上电场强
74固体电子学研究与进展
23卷
度最大,为|1.28×
105
V/cm|
保证了对势垒区光生载流子的抽取,势垒区主要延伸于c-Si
上,单晶硅中载流子扩散长度有几百微米,
载流子传输可以主要因扩散运动而进行,电场的存在并不重要(如在接近电池c-Si收集电极x=2.9µ
电场强度最低,为|0.68V/cm|,但a-Si:
H等非晶薄膜缺陷密度高,载流子扩散长度极短(<
0.1µ
膜内光生载流子要依靠其膜内高电场(≥1×
104
V/cm
驱使才为电极所收集,而形成光生电流,有关非晶薄膜内电场强度分析对于其太阳能电池应用至关重要,这也是这一研究工作的出发点,但从图
4(1看到,p+(a-Si:
H膜内有小于1×
V/cm的准中性区(低场"
死层"
如x=0.04,0.05,0.06µ
m,强度分别为|6.06×
102
|3.57×
103V/cm|和|1.41×
V/cm|,低场区的出现不利于光生载流子传输与收集,但若把p+
H膜厚减薄至0.04µ
m,则如图4(2所示,膜内低场区几乎消失,如x=0.02µ
强度为|9.32×
103V/cm|,因此p+
H
膜越薄,光生载流子的传输与收集就越容易
图4a-Si/c-Si
异质结太阳能电池电场强度分布(取电池0~0.25µ
m区域[(1p+
m/n(c-Si,(2p+(a-Si:
H0.04µ
m/n(c-Si
]Fig.4Electricfieldprofilesina-Si/c-Siheterojunction
solarcell(x=0~0.25µ
m[(1p+
0.08µ
m/n(c-Si,(2p+(a-Si:
m/n(c-Si,respectively
]特别值得注意的是,如图4(1和(2
所示,在靠近表面(x
=0区域内存在反电场,表面上反电场强度最大,随着深入体内而减小,如p+(a-Si:
m/n(c-Si异质结,x=0,0.01,0.02,0.03µ
m,
电场强度分别为+4.05×
104,+1.87×
+4.85×
103,+1.01×
103
V/cm,
反电场区域(0~0.03µ
是膜厚的3/8,而p+
m/n(c-Si异质结,x=0,0.01µ
m,反电场强度+4.03×
10
4,+1.46×
反电场强度数值减少,区域范围也减小为(0~0.01µ
m,仅是膜厚的1/4,反电场区域的能带向下弯曲,如图3。
反电场将阻挡电
极对光生空穴的收集,但如刚才所揭示的,p+(a
-Si:
H膜愈薄,不仅膜内小于1×
V/cm的低场
区愈窄,而且反电场区域和强度也愈小,p+
膜薄还使载流子扩散运动变得重要,这样光生空穴在接近表面时除了高电场下漂移运动的惯性外还能借助扩散运动来冲破反电场到达收集电极,
这时由于光生载流子的有效收集,增大了电池的短
路电流,而且厚度尽可能薄的p+(a-Si:
薄膜还能减少入射光及光生载流子在p+
H层损失,于是薄的p+
薄膜设计将能提高电池的性能,例如把p+
H薄膜厚度从40nm减薄到5nm,p+(a-Si:
H/n(c-Si
异质结太阳能电池的短路电流密度将由25升高至30mA/cm2
而能量转换效率则由9.2%提高到12.3%[2],
不过太薄的p+
H膜与c-Si
所形成的是浅异质结,受界面影响较大,异质结特性不易做好。
3.2p+
H/n(c-Si异质结中a-Si:
H薄膜
的p型杂质浓度选择
如果降低p+
H薄膜掺杂,取NA=1×
1017cm-3
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