Si基薄膜叠层太阳电池中光的优化分配

Si 基薄膜叠层太阳电池中光的优化分配3
陈培专,蔡　宁,陈新亮33,韩晓艳,张德坤,袁育杰,王　烁,熊绍珍,赵　颖,
耿新华
(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所;光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室;光电信息技术科学教育
部重点实验室,天津300071)
摘要:以带有中间层的S i 基薄膜叠层电池为研究对象,模拟了中间层对入射光在叠层电池中传播和分配的影响,对中间层的材料选择提出了优化方案,并以ZnO 作中间层,实验验证了其对入射光的管理作用。

模拟结果表明,引入适当的中间层,既能提高短波段的反射率,又能明显增加长波段光的透过率。

加入ZnO 中间层,可使厚为200nm 的顶部非晶硅(a 2S i )电池的短路电流提高14.1%。

关键词:非晶硅/微晶硅(a 2S i/μc 2S i )叠层太阳电池;中间层;光学模拟;吸收率中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:100520086(2009)0520595206
Light m anagem ent in thin film a 2Si/μc 2Si tand em solar cells
CHEN Pei 2zhuan ,CAI ning ,CHEN X in 2liang 33,HAN X iao 2yan ,ZHAN G De 2kun ,YUAN Yu 2jie ,W ANG Shuo ,XIONG Shao 2zhen ,ZHAO Y ing ,GEN G X in 2hua
(Institute of Photo 2electronics Thin Film Devices and T echnique of Nankai University &Tianjin K ey Laboratory ;K ey Laboratory of Opto 2electronic Information Science and T echnology for Ministry of Education ,Nankai Universi 2ty ,Tianjin 300071,China )
Abstract :The influence of interlayer on the transmittion and distribution of the incident light in a 2S i/μc 2S i tandem solar cells was simulated and realized in experiments.S imulation results indicated the scheme to choose the best interlayer materials in theory.An adequate interlayer could enhance the reflectance in short wavelength range as well as increase the transmittance in long wave ing ZnO as the inter 2layer ,we proved our calculation results and validated its light management effect in fact.T ypical ZnO in 2terlayer increased apparently the short current density of the top cell by 14.1%.K ey w ords :a 2S i/μc 2S i tandem solar cells ;interlayer ;optical simulation ;absorption
1　引　言
非晶硅/微晶硅(a 2S i/μc 2S i )叠层太阳电池因其成本低、效率高和稳定性好等优点,是当前的研究热点之一。

但叠层电池的电流通常受a 2S i 顶电池限制,从而限制了电池效率的提高[1]。

加大顶电池厚度虽能实现电流匹配,但会使电池的稳定性下降[2]。

为协调叠层电池效率和稳定性二者间的矛盾,提出了在a 2S i/μc 2S i 叠层电池的顶底电池间引入中间层(intermedi 2ate reflector or interlayer )的新结构[3]。

目前应用最多的中间层
材料是ZnO [4]。

Bailat 等人[5]
采用180nm a 2S i/50nm ZnO/1.8μm μc 2S i 电池结构,初始效率达到11.6%(J sc =12.1mA/cm 2,
V oc =1.3V ,FF =73.2%)。

Y amamoto 等人[6]
采用带有中间
层的a 2S i/μc 2S i 叠层电池结构,在1cm 2
的电池面积上取得了初始效率14.7%(J sc =14.4mA/cm 2,V oc =1.41V ,FF =72.
8%),但没有给出中间层材料的任何参数。

因为对中间层只是
概念上的了解,具体对材料的选择、如何兼容工艺以及何种折射率和厚度最为合适,极少文献报道。

通过实验的办法对设备进行大的改动,需要耗费大量的时间和经费,并不切实可行。

而模拟和实验相结合,用模拟指导实验,用实验来验证模拟,无疑是一条捷径。

K rc 等人[7]采用semi 2coherent 光学模型对中间层进行了光学模拟,揭示了中间层折射率对叠层电池中顶/
底电池界面反射率以及对顶电池、底电池量子效率(Q E )的影响规律,但没有结合中间层厚度对电池特性的影响给出任何信息。

本文采用《光学薄膜计算系统V2.0》软件[8]模拟了中间层折射率、厚度对叠层电池中a 2S i/μc 2S i 界面处反射率、顶电池吸收率以及顶电池透过率的影响,旨在为中间层材料的选择与设计提供理论依据,以实现叠层太阳电池中光的优化分配,并按模拟思路制备了模型电池予以实验验证。

光电子・激光
第20卷第5期　2009年5月 Journal of Optoelectronics ・Laser
Vol.20No.5　May 2009①收稿日期:2008211205　修订日期:2009201207 3　基金项目:国家“973”计划资助项目(2006C B202602,2006C B202603);天津市国家科技计划配套资助项目(07QTPT JC 29500) 33E 2m ail :cxlruzhou @
2　模拟模型
菲涅尔公式是多层薄膜光学计算的出发点,形式为[9]
r p =
N 0cos θ1-N 1cos θ0
N 0cos θ1+N 1cos θ0(1) r s =
N 0cos θ0-N 1cos θ1
N 0cos θ0+N 1cos θ1
(2) t p =
2N 0cos θ0
N 0cos θ1+N 1cos θ0
(3) t s =
2N 0cos θ0
N 0cos θ0+N 1cos θ1
(4)其中:r p 、r s 是菲涅尔反射系数,t p 、t s 是透射系数,p 、s 分别为p
偏振波、s 偏振波;N 0、N 1为第1、第2介质的折射率;θ0为入射
角度,θ1为折射角。

根据菲涅尔公式开发的《光学薄膜计算系统V2.0》软件,可用于多层膜的光学模拟。

模拟过程采用的电池结构如图1所示,该结构模型的顶电池为pin a 2S i 电池和μc 2S i 底电池的P +窗口层,在n 型a 2S i 与P +型μc 2S i 间加入中间层。

其中a 2S i 顶电池厚度(d top )为200nm ,折射率n 为3.1;μc 2S i 底电池窗口层厚度(d bot )为20nm ,n 为3.3。

图1　电池结构模型
Fig.1　Mod el o f solar cell stru ctu re
在计算顶电池和中间层界面的反射率时,为简化计算,该
光源假设是与波长无关的“理想”光源,即各个波长的振幅均为1,而且光从n 为3.1的介质入射,根据菲涅尔公式算出界面反射率;在计算顶电池吸收率时,光从空气界面垂直入射,顺序穿过顶电池、中间层以及20nm 厚的P +μc 2S i 。

对a 2S i 顶电池的pin 3层当作同一层处理,然后按程序对如图1所示的a 2S i 、中间层、20nm 厚μc 2S i 窗口层结构进行吸收率的计算。

模拟中采用的波长范围为400～1100nm 。

3　模拟/实验结果和讨论
3.1　中间层折射率对顶底电池界面反射率及顶电池吸
收率的影响
以《光学薄膜计算系统V2.0》程序对不同中间层折射率对模型的反射率与吸收率的影响进行了模拟。

目的是,通过计算结果与K rc 等人的结果相对照,以验证程序的可行性,也为证明模拟计算的正确性,并为后续实验验证结果的可信性提供理论依据。

K rc 的计算结果表明,当中间层折射率介于顶电池折射率和底电池折射率(3.1～3.3)间时,在650nm 中心波长范围内将起增透效果[10],不能实现引入中间层的目的。

为节省计算,仅给出中间层厚度为70nm 和n <3.1、n >3.3模拟的结果,如图2所示。

图2(a )为对折射率小于3.1的中间层的模拟结果,实线为无中间层时界面反射率曲线,虚线、点线、点划线、短虚线分别为引入厚度为70nm 、折射率为210、118、116、114的中间层后的界面处反射率曲线。

从图2(a )可以看到,随着中间层折射率的降低,短波段界面处反射率上升,在长波段下降。

且当n <3.1时,中间层折射率越低越有助于提高顶电池在短波段的光吸收,同时长波段反射的下降,有利增加底电池在长波段的光吸收,从而有利减少在各子电池内的光损失,显示出将入射光分地域、
分波段的复用效果。

图2　中间层折射率在n <3.1和n >3.3范围内折射率对顶底电池界面反射率的影响
Fig.2　I nflu ence o f th e refractive ind ex at n <3.1and n >3.1for interlayer
on th e interface reflectivity b etw een top and bottom cells
图2(b )为对n >3.3的中间层的模拟结果,其中实线为无
中间层时界面处反射率曲线,虚线、点线分别为引入折射率为410、510厚度为70nm 的中间层后界面反射率曲线。

与无中间层相比,界面反射率出现明显振荡的干涉现象。

尤其在750
nm 后为底电池利用的太阳光波段,界面处的反射率反而升高,
这部分反射回去长波长的光,顶电池无以利用,反而降低了底电池的光利用率,这对叠层电池效率的提高是不利的。

因此,单纯从光学角度,中间层折射率不得大于顶电池材料的折
・
695・ 光电子
・激光　
2009年　第20卷　
射率。

引入中间层后是否具有显著效果的最好检验方式是观察顶电池的吸收效果是否得以增强。

图3示出中间层折射率对a 2S i 顶电池吸收特性的影响。

(计算时,入射光设为等幅光谱曲线)。

图3　中间层折射率对顶电池吸收率的影响
Fig.3　I nflu ence o f th e refractive ind ex for interlayer on th e absorptivity o f top cell
从图3可以看出,中间层的加入引起500～750nm 波长电
池吸收率的显著改变。

当n >3.3时,与无中间层的相比,a 2S i 顶电池的吸收率变化不大。

而当n <3.1时,中间层折射率对顶电池吸收率的影响集中在500～600nm 波段,顶电池的吸收率随中间层折射率的降低而增大。

对各吸收率曲线进行积分,可近似表征顶电池的短路电流密度表,见表1。

从表1可以看出,随着折射率的降低,顶电池的短路电流密度不断上升。

表1　引入厚度70nm 中间层后顶电池的短路电流密度随折射率的变化规律
T ab.1　C h anges of J SCtop w ith refractive ind ex w h en introduing interlayer w ith th e thick ness of 70nm
w/o n =5.0n =4.0n =2.0n =1.8n =1.6n =1.4
J sc top
/(mA ・cm 2)
9.9059.83510.02710.82110.87410.92110.964
综上所述,要提高叠层电池中顶电池的短路电流密度,选用折射率小的材料作为中间层为宜。

3.2　中间层厚度对顶底电池界面反射率及顶电池吸收
率的影响
ZnO 为常用的背反射电极材料,其折射率及消光系数的光谱曲线由图4所示。

ZnO 的折射率n 取为恒定2.0,由上述计算结果,处于适合选用的折射率范围内,何况它的n 在可见光及红外范围,是小于2.0的,这更有利于增强反射。

ZnO 具有很强的抗H 等离子还原作用的能力,中间层沉积后,其特性不会受随后μc 2S i 沉积的影响,与S i 基薄膜电池工艺相容性好,因此是容易获得用作中间层材料而被广泛研究[4]。

引入不同厚度ZnO 中间层后,顶、底电池界面反射率的计算结果如图5所示。

从图可以看出,当ZnO 厚度小于100nm 时,界面反射率在短波段处上升,长波段下降。

随着ZnO 厚度的增加,反射峰值位置发生红移。

当ZnO 厚度达到80nm 时,a 2S i/μc 2S i 界面对小于732.5nm (该波长位于a 2S i 的吸收限附近)的光线,其反射率全部高于没有ZnO 中间层时的反射率;当ZnO 厚度为200nm 时,界面反射率出现干涉现象,对叠层电池性能提高不利。

因此,如果选用ZnO 作为中间层,其厚度最好不大于80nm 。

然而当考虑了ZnO 的折射率和消光系数实际光谱分布重新计算后,如图5(b )所示,发现两者的差别并不很大,只是由于在可见光及红外范围内ZnO 折射率降低,更有利于反射的增强效应。

而当参照图4(b )中实际ZnO 的红外吸收明显上升的现象后,图5(b )内在长波段的反射较不考虑吸收的更为减小。

图6示出ZnO 厚度对顶电池吸收特性的影响。

从图(a )可见,加入中间层后,a 2S i 顶电池的吸收率在400～500nm 、750～1100nm 两个波段内基本不变,因为在400～500nm 区间的入射光,已基本被a 2S i 顶电池吸收,没有光线到达界面处的原故。

用λd 表示加与不加ZnO 中间层时顶电池的吸收率曲线交点波
长。

在500nm ～λd 波段,加入ZnO 中间层使顶电池吸收率升
高。

此波段吸收率的明显增加,是因为在此区间顶底界面反射率升高(如图2所示),那些被反射回顶电池的光被再次吸收所
致;而在λ>λd 波段吸收率降低。

此波段吸收的下降,正是因为反射谱的窄化,原本不被顶电池吸收而透过了的光。

也就是说,加入ZnO 中间层使光谱发生变化,提高了有利顶电池吸收的光子的反射,使之回到顶电池而得以再次利用。

在680nm
时,μc 2S i 的吸收系数已略高于a 2S i 的吸收系数[11]
,
随着波长
图4　Z nO 的折射率和消光系数的光谱曲线
Fig.4　Sp ectrum cu rves o f refractive ind ex and extinction coefficient for Z nO
・
795・第5期　陈培专等:S i 基薄膜叠层太阳电池中光的优化分配
图5　不同厚度Z nO 中间层对应的顶底电池界面的反射率谱线
Fig.5　R eflectivity cu rves o f interface for top and bottom cells w ith different thick nesses o f Z nO interlayers :
(a)w ithout absorb ability and (b)w ith absorb ability
图6　不同厚度Z nO 中间层对应的顶电池吸收率谱线未考虑和考虑吸收后的对比
Fig.6　Absorptivity cu rves o f top cells w ith different thick nesses o f Z nO interlayers :
(a)w ithout absorb ability and (b)w ith absorb ability
的增大,同时让更多的有利于底部μc 2S i 电池吸收的光得以增强
透过。

这种光的再分配,对提高光被电池的有效利用是非常适宜的。

随着ZnO 厚度由60nm 增加到100nm ,600～680nm 波段吸收谱域向长波方向扩展,在680nm 之后吸收率变化不明显。

在600～680nm 波段吸收率的变化是由于,随着ZnO 厚度的增加顶电池与中间层界面反射率不断上升(如图5所示),使得顶电池的光吸收增加;在680～1100nm 波段几乎不变,是因为a 2S i 顶电池在大于680nm 时接近吸收限[11],因此入射光的增加或减少,对顶电池总的吸收的多少影响则不明显。

但当ZnO 厚度为200nm 时,顶电池吸收量在500～680nm 波段整体蓝移,原因是在此波段期间,其反射率与小于100nm 时相比降低。

而由图6(b )显示的厚度只要在80nm 以下,即使考虑了ZnO 自身的吸收,其对可见光波段的吸收影响不大(因为此波段ZnO 的消光吸收很小,在5×10-3以下),甚至稍有增大。

这可能来自于折射率减小的作用。

在红外部分ZnO 自身吸收的增强,但从图6(b )的插图所示,考虑了ZnO 的吸收后,S i 吸收限之外的长波段部分的吸收的影响也并不大。

所以在随后的
计算中,为使计算简化,仍不考虑ZnO 自身吸收的影响问题。

综上所述,要提高顶电池在短波段的光吸收,同时不减小甚至提高底电池在长波段的光吸收,最佳的顶电池和底电池界面反射谱线应是:在500～680nm 波段有高的反射率,在680～1100nm 波段有低的反射率。

太阳电池的短路电流可以由Q E 的积分获得[12]。

假设吸收光子后转换成电子空穴对的几率为1,Q E 即代表所吸收的光子数,由各波长吸收曲线的积分可近似计算获得加入ZnO 后顶电池的短路电流密度,计算结果如表2所示。

表2　引入不同厚度Z nO 中间层后顶电池的短路电流密度
T ab.2　C h anges of Jsctop w ith different
thick nesses of Z nO interlayers
Thickness of ZnO/nm
0607080100200
J sc /(mA ・cm 2)
9.90510.50210.82111.05811.23810.283
从表2可以看出,当中间层ZnO 厚度小于100nm 时,顶电池短路电流密度随其厚度的增加而增加,但根据图2的结论,
・
895・ 光电子
・激光　
2009年　第20卷　
选用ZnO 作为中间层时,其厚度最好不大于80nm 。

综合以上分析,ZnO 做中间层时厚度应介于70～80nm 间比较合适,具体厚度的选择还应考虑与μc 2S i 底电池短路电流匹配的问题。

按图1所示的模型电池结构制备了实验电池。

采用MOCVD 法制备ZnO 薄膜[13],其厚度分别取50、70和100nm (与之对应的沉积时间分别为1min 40s 、2min 20s 和3min 20s )。

采用V HF 2PECVD 法分别沉积制备了所有的S i 基薄膜。

模拟实验电池为pin a 2S i/ZnO/μc 2S i P +层的器件结构。

测试该结构的Q E,所得结果如图7所示。

从图可以看出,加入中间层后,与没有中间层相比,在500～750nm 波段顶电池QE 均上升,光学模拟结果中顶电池吸收率也是在500～750nm 波段内发生变化,先上升后下降,在接近750nm 处有所下降是因为考虑了微晶窗口层的吸收;在400～500、750～1100nm 波段几乎不变,和光学模拟结果完全一致。

图8给出插入不同厚度ZnO 中间层后,顶电池积分电流随ZnO 厚度变化,
模拟计算与
图7　Z nO 中间层对非晶硅顶电池
QE 影响的实验结果
Fig.7　Q E cu rves o f a 2Si top cells
w ith th e Z nO
interlayers
图8　不同厚度Z nO 中间层顶电池积分电流变化
Fig.8　Ch anges o f integral cu rrent for top cells w ith
different thick nesses o f Z nO interlayers
实验所得该变化的结果比较。

从图可以看出,顶电池积分电流
峰值出现在中间层厚度为70nm 时,此时顶电池积分电流上升
1.68mA/cm 2
,提升了14.1%。

该结果与模拟结果有很好的对应性。

3.3　中间层对a 2Si 顶电池透过率的影响
因为μc 2S i 底电池的光吸收和a 2S i 顶电池的透过率成正比关系,因此这里对S i 顶电池的透过率进行了模拟计算与实验对比。

图9为模拟和实验所得a 2S i 顶电池的透过曲线。

比较发现,无论是模拟结果还是实验结果,加入ZnO 中间层后,a 2S i 顶电池透过率在短波段基本不变,而在长波段透过率上升,该作用对底电池是有利的,能使其光吸收得到增强。

在620～775nm 波段,模拟结果与实验结果有相似的趋势,但具体数值并不一致,模拟值比实验值低。

主要因为模拟时考虑了20nm 微晶窗口层的光吸收,再加上考虑到ZnO 自身吸收后则透过率更
显降低。

图9　a 2Si 顶电池的透过率曲线
Fig.9　T ransmittance cu rves o f a 2Si top cells :(a)simu lation resu lts and (b)exp erim ent resu lts
4　结　论
通过以上分析,可以得出以下结论:
1)要提高叠层电池中顶电池在短波段的光吸收,同时不减小甚至还能有效提高底电池在长波段的光吸收,最佳的顶电
池和底电池界面反射谱线应分配在:在500～680nm 波段有高的反射率,在680～1100nm 波段有低的反射率。

此时选择薄的(200nm )a 2S i 顶电池也能获得高的顶部子电池的电流。

在顶底电池间插入很薄、但折射率适当的透明性好的(最好能导电好)材料作中间层能达到上述目的。

・
995・第5期　陈培专等:S i 基薄膜叠层太阳电池中光的优化分配
2)折射率小于3.1的中间层能提高顶电池的光吸收;且随折射率的减小,顶电池的光吸收增大更盛。

与此同时,底电池的光吸收在短波段不受影响,在长波段增加。

因此,中间层的加入使得光在整个叠层电池的各段发生重新分配,有利各子电池分波段的光吸收得以增强。

此时中间层的折射率的选择较低为好(n ～1.4),但厚度不得厚于70nm 。

3)选择了工艺相容、折射率适中(n ～2.0)的ZnO 作中间层的材料进行了实验验证。

当采用70nm 厚ZnO 中间层时,顶电池短路电流密度上升了1.68mA/cm 2,提升14.1%。

实验与模拟结果相符甚好。

参考文献:
[1]　M eier J.Intrinsic m icrocrystalline silicon (muc 2si :h )2a prom ising new
thin film solar cell material ,1st WCPEC ,H awaii 1994,4092412.[2]　F ischer D ,Dubail S ,Anna Selvan J A ,et al.The m icrom orph solar
cell :E xtending a 2Si :H technology towards thin film crystalline sillion ,25th IEEE PVSC ,Wash.D.C 1996,105321056.
[3]　Pellaton Vaucher N.C ontrolled nucleation of thin m icrocrystalline lay 2
ers for the recombination junction in a 2Si stacked cells ,2nd WCPEC ,V ienna 1998,7282731.
[4]　Shah A V ,Bailat J ,Vallat 2Sauvain E,et al.M icrocrystalline and m icro 2
m orph solar cells and m odules :status and potential ,31st IEEE Photo 2voltaic Specialists C on ference ,Lake Buena V ista ,F la 2005,135321358.
[5]　Dom in éD ,Bailat J ,Steinhauser J ,et al.M icrom orph solar cell optim i 2
zation using a Z nO layer as intermedia reflector ,4th WCPEC ,H awaii 2006,146521468.
[6]　Y amam oto K,Nakajima A ,Y oshim i M,et al.N ovel hybrid thin film sili 2
con solar cell and m odule ,3rd WCPEC ,Osaka 2003,278922792.[7]　K rc J ,Sm ole F ,T opic M.Advanced optical design of tandem m icro 2
m orph silicon solar cells ,J.N on 2Cryst ,2006,352(9220):189221895.[8]　Y ang G H,W u C Y,Li L ,et al.Research of the black flim 2a novel
com plex cathode for inverted O LE D ,Journal of Optoelectronics ・La 2
ser (光电子・激光),2004,15(1):528.(in Chinese )[9]　T ang J F ,G u P F.M odern Optical Thin F ilm T echnology ,Zhe Jiang :ZheJiang University Press ,H ang zhou 2006,15.(in Chinese )[10]K rc J ,Sm ole F ,T opic M.Optical simulation of the role of reflecting in 2
terlayer in tandem m icrom orph silicon solar cells ,Sol.E nergy M ater
Sol Cells ,2005,86(4):5372550.
[11]Shah A ,M eier J ,Vallat 2Sauvain E,et al.M icrocrystalline silicon and
‘m icrom orph ’tandem solar cells ,T hin Solid F ilms ,2002,4032404:
1792187.
[12]K rc J ,Zeman M,Pieters B E,et al.Optical and electrical analysis of
tandem m icrom orph silicon solar cell to achieve record 2high efficien 2cy ,4th W orld PVSC con ference ,H awaii 2006,152921532.
[13]Chen XL ,G eng X H,X ue J M,et al.T em perature 2dependent growth
of zinc oxide thin films grown by metal organic chem ical vapor depo 2
sition ,J.Cryst.G rowth ,2006,296(1):43250.
作者简介:
陈培专　(1981-),男,硕士研究生,主要从事薄膜材料的光学和电学模拟研究1
・
006・ 光电子
・激光　
2009年　第20卷　。