界面缺陷态密度与衬底电阻率取值对硅异质结光伏电池性能的影响

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f n [ 8]
在电池背面制备了 池前端制备了铝金 属 栅 线 电 极, 一层铝金属层背电极 .
: (4) (5) (6) (7) (8) (9) 模拟 计 算 中 使 用 的 部 分 参 数 如 表 1 所 列 . 这 些 结构 参 数 中 除 了 可 变 参 数 外,均 取 自 AFORS-HET 6, 19 ] 软件的默认 值 . 另 外, 参 照 文 献[ 中关于缺陷 态的参数对各层和 界 面 层 的 缺 陷 态 进 行 设 置 . 取 衬 底 c-Si ( p ) 层中由 氧 引 入 的 体 缺 陷 态 位 于 带 隙 中 距
+ 缓冲层. 为了 得 到 较 低 的 电 阻 率, 在 a-Si : H ( n ) + 和 a-Si : H ( p ) 表面 都 沉 积 了 一 层 TCO. 最 后, 在电
J n 和 J p 分别为电子和空穴的电 其 中 E 为电场强度, 流密度,q 为 电 子 电 荷,ε 为 介 电 常 数,p 为 空 穴 密 q trap 为带间净陷阱电荷, N D 为电 度,n 为电子密度, 离施主密度,N A 为电离受主密度,U n 和 U p 分 别 为 电子和空 穴 的 净 复 合 率,G 为 光 生 载 流 子 净 产 生 率 . 模型中 同 时 考 虑 电 子 和 空 穴 的 直 接 隙 间 复 合 、 俄 歇 复 合 和 通 过 陷 阱 产 生 的 Shockley-Read-Hall 复合. 金属半导体接 触 模 型 使 用 电 压 控 制 边 界 条 件, 将前接触 ( x = 0 ) 的电势固定为零电势, 这样背接 触( x = l ) 的 电 势 即 为 外 加 电 压 . 前 接 触 的 边 界 条 件和背接触的边界条件如下 φ( 0 ) = 0 , φ( l) = f - b + V, J n ( 0 ) = qS ( n ( 0 ) - n eq ( 0 ) ) , J n ( l ) = - qS b n ( n ( l ) - n eq ( l ) ) , J p ( 0 ) = - qS fp ( p ( 0 ) - p eq ( 0 ) ) , J p ( l ) = qS b p ( p ( l ) - p eq ( l ) ) ,
a-Si : H ( n + ) 层 中 导 带 非晶硅具有 Urbach 带 尾 态 , 和 价 带 特 征 能 量 分 别 为 0. 07 和 0. 1 eV ,指 数 因 子
8872




59 卷
21 3 -1 + 为 2 × 10 cm ·eV ; a-Si : H ( p ) 层 中 导 带 和 价 带
[ 16 ]
;另 一 方 面, 背界面缺
* 国家自然科学基金( 批准号:60977048 ) 、 “钱江人才计划 ” ( 批准号:2007R10015 ) 、 浙江省 宁波市重点 实 验 室 基 金 ( 批 准 号:2007 A22006 ) 和宁波大学王宽成幸福基金资助的课题 . E-mail : ejzhou@ yahoo. com. cn
[ 7 ,8 ]
对于以 p 型单晶硅为衬底的硅异质结 ( SHJ ) 太 阳电池, 异质结界面特性对电池性能有显著的影 响
[ 1 ,2 ]
. 文 献[ 9, 10 ] 的 研 究 表 明: 在 不
使 用 本 征 型 氢 化 非 晶 硅 ( a-Si : H ( i ) ) 的 情 况 下 通 过衬底表面的预处 理 得 到 较 好 的 钝 化 效 果, 并在以 c-Si ( p ) 为衬底的 SHJ 太 阳 电 池 中 得 到 超 过 17% 的 能量转换效率 . 为了研究异质结 前 界 面 缺 陷 态 密 度 D it1 和 背 界 面缺陷态密度 D it2 均 取 不 同 值 时 衬 底 电 阻 率 与 电 池 性能的关系, 需 要 建 立 前 后 界 面 缺 陷 态 模 型. 关 于 前界面缺陷 态, 大 量 研 究 表 明: SCR 的 复 合 产 生 较 大的结漏电流是影响电池开路电压的主要因素 子的收集和 电 池 的 填 充 因 子
[ 4 ,5 ]
. 最 近,
6] 文献[ 研究了前异质结 界 面 缺 陷 态 密 度 取 不 同 值 时衬底电阻率与电 池 性 能 的 关 系, 指出衬底电阻率 最优值 ρ op 的 取 值 将 随 着 前 界 面 缺 陷 态 密 度 D it1 的 降低 而 减 小, 改 变 了 人 们 一 直 以 来 认 为 ρ = 1. 0 6] Ω cm 为衬底最佳电阻率的看法 . 但是, 文献[ 设计 如采用的铝背面场要在高 的电池结构有一些 缺 点, 于 800 ℃ 的温度下制备, 这对 SHJ 太阳电池的能 量 6] 转换效率的提高有一定的 限 制 . 此 外, 文 献[ 对衬 底电阻率 与 背 异 质 结 界 面 缺 陷 态 密 度 的 关 系 和 对
20 -3 取 类 受 主 缺 陷 态 密 度 为 1 × 10 cm ,高 斯 峰 峰
特 征 能 量 分 别 为 0. 035 和 0. 075 eV ,指 数 因 子 为 2 × 10
wenku.baidu.com21
值 能 量 为 0. 66 eV ,峰 的 半 高 宽 为 0. 23 eV. 对 于 a-Si :H( p + ),取类 施 主 缺 陷 态 密 度 为 4 × 1019 cm - 3 , 高 斯 峰 峰 值 能 量 为 1. 1 eV ,峰 的 半 高 宽 为 0. 23 eV ;取 类 受 主 缺 陷 态 密 度 为 4 × 10 20 cm - 3 ,高 斯 峰 峰 值 能 量 为 1. 2 eV , 峰 的 半 高 宽 为 0. 23 eV. 另外, 前后金 属 和 半 导 体 接 触 均 被 设 置 为 平 带 接触, 反 射 率 分 别 为 0. 1 和 1. 0 . 模 拟 光 照 条 件 为 1 0 0 m W·cm
[ 12 ] [ 11 ]
. 如衬底电阻率可变时异质结界面态对太阳
[ 3]
电池性能的作用与衬 底 p 型 单 晶 硅 ( c-Si ( p ) ) 层 耗 尽区( SCR ) 厚 度 的 变 化 有 关 . 然 而, 在异质结界 面态与太阳电池性能的关系中, 对 c-Si ( p ) 衬底电阻 率的作用目 前 研 究 还 不 够 深 入 . 长 期 以 来 都 是 将 ρ = 1. 0 Ω cm 作 为 衬 底 电 阻 率 的 最 优 值, 而将 ρ = 1. 0 —25. 0 Ω cm 视为可用 的 衬 底 电 阻 率

光生 载 流 子 在 SCR 中 的 复 合 影 响 电 池 的 光 生 载 流 . 由 此, 许多理论研
[ 13 — 15 ]
究使 用 类 c-Si 界 面 模 型 计 算 前 界 面 缺 陷 态 对 电 池 性能的影响, 并得到了相关的实验验证 . 但是 关于背 界 面 缺 陷 态 物 理 模 型 的 研 究 进 到目前为止, 展缓慢 . 有研究表 明:一 方 面, 背界面缺陷态增强了 光生少数载流子在 背 界 面 的 复 合, 提高了电池中的 漏电流并降 低 了 开 路 电 压
H ( n ) ) 为 异 质 结 电 池 的 发 射 层, p 型重掺杂非晶
+ 硅( a-Si : H ( p ) ) 为 背 面 场 . 为 了 减 少 非 晶 硅 层 的
+
厚度以达到最大化量子效率, 发射层、 背面场与衬 底 c-Si ( p ) 之 间 没 有 沉 积 本 征 非 晶 硅 ( a-Si : H ( i ) )
9 -3 价带边缘 0. 55 eV 处, 体 缺 陷 态 密 度 为 10 cm .
图1
模拟中使用的 SHJ 太阳电池结构
其中 φ 为 电 势,φ f 和 φ b 分 别 为 前 接 触 和 背 接 触 金
f S fp 和 S b Sb 属的功函数,V 为外加电压,S n , n, p 分别为
前接触界 面 和 背 接 触 界 面 上 对 应 载 流 子 的 复 合 速 率,n eq 和 p eq 分 别 为 平 衡 状 态 下 电 子 密 度 和 空 穴
在异质结前界面缺陷态密度 D it1 和异质结背界面 缺 陷 态 密 度 D it2 均 取 不 同 值 时, 对 p 型 单 晶 硅 ( c-Si ( p ) ) 为 衬 底的硅异质结太阳电池的衬底电阻率 ρ 与电池性能的关系进行了数值研究 . 结果表明:衬 底 电 阻 率 的 最 优 值 ρ op 取 且 ρ op 随着 D it1 的增大而增大;当 ρ > ρ op 时,背界面缺陷态密度 D it2 对衬底电阻率的可 决于前界面缺陷态密度 D it1 , D it2 越大衬底电阻率的可取值范围越小 . 取值范围具有较大影响,
第 59 卷 第 12 期 2010 年 12 月 10003290 /2010 /59 ( 12 ) /8870-07




ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 59 , No. 12 , December , 2010 2010 Chin. Phys. Soc.
界面缺陷态密度与衬底电阻率取值对硅异质结 * 光伏电池性能的影响
2. 物理模型
稳态下 半 导 体 材 料 中 的 电 场 和 电 流 分 布 的 物 理模型 由 下 面 的 Possion 方 程 和 电 流 连 续 性 方 程 描述
[ 18 ]
3. 电池结构
电池结构如图 1 所示 . n 型重掺杂非晶硅 ( a-Si :
: dE q = ( p - n + q trap + N D - N A ) , dx ε dJn = q( U n - G) , dx dJp = - q( U p - G) , dx (1) (2) (3)
12 期

骏等: 界面缺陷态密度与衬底电阻率取值对硅异质结光伏电池性能的影响
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陷态增强了光生多 数 载 流 子 的 复 合, 降低了电池短 路电流
[ 17 ]
密度 . 此外, 前接触界 面 和 背 接 触 界 面 缺 陷 层 中 的 连
[ 17 ] 续缺陷态密度 D it 可以表示为
.
本文采用透明导电氧化物( TCO ) / a-Si : H ( n ) / cSi ( p ) / a-Si : H ( p ) / TCO 电池 结 构, 针对不同的异质 结前界面缺陷态密度 D it1 和背界面缺陷 态 密 度 D it2 , 应用 AFORS-HET 软件和类 c-Si 界 面 缺 陷 态 模 型 数 值研究背 界 面 缺 陷 态 的 作 用 以 及 衬 底 电 阻 率 对 电 16 ,17 ] 并与 文 献[ 的实验结果进行 池性能的影响, 比较 .
关键词 : 硅异质结太阳电池,衬底电阻率,c-Si ( p ) / a-Si : H 界面缺陷
PACC : 7340L ,8630J ,6185
氢化非晶 电池性能的 影 响 没 有 加 以 研 究 . 实 际 上,
1. 引

硅( a-Si : H ) 和氢化微晶 硅 ( μ c-Si : H ) 因 其 低 温 制 备 特点 以 及 对 衬 底 的 钝 化 作 用 而 被 用 于 SHJ 太 阳 能 电池的背 面 场
周 骏
1)2)
邸明东
2)
孙铁囤
3)
孙永堂
2)
汪 昊
2)
1 ) ( 宁波大学光学与光电子技术研究所,宁波 2 ) ( 江苏大学光信息科学与技术系,镇江 3 ) ( 常州亿晶光电科技有限公司,常州
315211 ) 212013 )
213223 )
( 2010 年 2 月 25 收到, 2010 年 5 月 4 日收到修改稿)
D it = [G MGD ( E DA - E V ) + G MGA ( E C - E DA ) ] x0 , ( 10 ) G MGA 其中 G MGD 为单位能级上的施主体缺陷态密度, 为单位能级上的 受 主 体 缺 陷 态 密 度,E DA 为 施 主 体 缺陷态与受主体缺陷态的 界 限 能 级,E C 和 E V 分 别 为导带能级和价 带 能 级,x 0 为 类 c-Si 界 面 层 厚 度 . 由公式 ( 10 ) 可 知, 对 于 G MGD = G MGA 的 情 况, 则有 D it = G MGD ( E C - E V ) x 0 .
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