Si基薄膜疊層太陽電池中頂?shù)纂姵仉娏髌ヅ涞膶?shí)現(xiàn)

1、Si 基薄膜疊層太陽電池中頂?shù)纂姵仉娏髌ヅ涞膶?shí)現(xiàn) 陳培專 , 陳新亮 *, 蔡 寧 , 韓曉艷 , 李 娟 , 任慧志 , 李 陽 , 張曉丹 , 熊紹珍 ,趙 穎 , 耿新華(南開大學(xué) 光電子薄膜器件與技術(shù)研究所 , 光電子薄膜器件與技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 光電信息技術(shù)科學(xué)教育 部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 天津 300071摘要 :以中間層對非晶硅 /微晶硅 (a Si/ c Si 疊層太陽電池電學(xué)特性的影響為研究對象 , 運(yùn)用太陽能電池模擬 軟件 , 計(jì)算了中間層折射率和厚度的變化對頂 /底電池電流的影響。針對當(dāng)前 Si 基薄膜疊層太陽電池中存在 的頂、 底電池電流不匹配的問題 , 提供了解決方案

2、。結(jié)果表明 , 應(yīng)選用折射率小于 3. 1的材料作中間層 ; 頂、 底 電池電流完全匹配的中間層折射率增大所需厚度隨之增厚 , 折射率由 1. 4增大到 2. 0, 最佳中間層厚則由 34nm 增加到 63nm 。關(guān)鍵詞 :非晶硅 /微晶硅疊層太陽電池 ; 中間層 ; 電學(xué)模擬 ; 頂?shù)纂姵仉娏髌ヅ渲袌D分類號 :TN304 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1005 0086(2011 06 0868 04Realiz ation of curre nt m atching be twee n top c ell and bottom cell in Si thin film tandem sol

3、ar ce llsCHEN Pei zhuan, CHEN Xin liang *, CAI Ning, HAN Xiao yan, LI Juan, REN Hui zhi, LI Yang, ZHANG Xiao dan, XIONG Shao zhen, ZH AO Ying, GENG Xin hua(T ianjin Key Laboratory of Photoelectronic Thin Film Devices and Technology &K ey Laborator y of Optoelectron ic Information Science and Tec

4、hnology of M inistry of Education, Nankai Insti tute of Photo electronic T hin Film De vices and Technology , U niversity, T ianjin 300071, ChinaAb st ract :T hrough c hanging t he refractive inde x and thickness of the interlayer, the influenc e of the int e r layer on the electrical propert ies of

5、 a Si/uc Si tandem solar cells is investigated. Based on the problem of current matc hing top cell and bottom cell in tandem solar cells, the corresponding solution is provided. The results indic at e that the refrac t ive inde x of the interlayer mat e rials should be less than 3. 1. T he re fracti

6、ve index and thic kness are correlated in the case of current matching be t ween t op cell and bott om cell. With the the refractive inde x increasing, the thic kness of the interlayer in tandem solar cells should increase. When the refrac t ive index inc reases from 1. 4to 2. 0, the optimal thickne

7、 ss of the interlayer in creases from 34nm to 63nm.Ke y wor ds :a Si/ c Si tandem solar cells; interlayer; electric simulat ion; current matching between top cell and bot tom c ell1 引 言在非晶硅 /微晶硅 (a Si/ c Si 疊層太陽電池中 , 頂電池的 短路電流密度 (J sc top 小 于底電池的短路電流密度 (J sc bot 。根 據(jù)電流連續(xù)性原理 , 疊層電池的短路 電流密度 (J sc tand

8、em 常受頂 電池電流密度的限制 , 這是由于為獲得好 的穩(wěn)定性需減薄頂電 池的結(jié)果 1。因而 , 提高 a Si 頂電池的短路電流密度 , 實(shí)現(xiàn)頂、 底電池的電流匹配 , 成為提高疊層電池效 率的有效關(guān)鍵問題之 一。為 了解決上述問題 , IMT 小組最先于 1996年提出了在非 晶硅 /微晶硅疊層電池的頂電池和底電池間引入中間層 (inter layer 的新結(jié)構(gòu) 2。此后 , 具有中間層結(jié)構(gòu)的 a Si / c Si 疊層電 池受到廣泛 關(guān)注。目前應(yīng) 用最多的中間層材料是 Z nO 3, Domin 等人 4采用 180nm a Si/50nm ZnO/1. 8 m c Si 電池結(jié)構(gòu)

9、, 初始效率達(dá) 11. 6%(J sc=12. 1mA/c m 2, V oc =1. 3V, FF =73. 2%。 Yamamoto 等人 5也采用帶有中間層的 a Si/ c Si 疊層電池結(jié)光 電 子 激 光第 22卷 第 6期 2011年 6月 Journal of Optoelectronics Laser V ol. 22N o. 6 Jun. 2011 *E mail:c xlruzhou163. com收稿日期 :2010 04 14 修訂日期 :2010 09 10基金項(xiàng)目 :國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2006CB202602, 2006CB202603 ; 國家

10、高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2009AA050602; 天津市國家科技計(jì) (構(gòu) , 在 1cm 2的電池面積上取得了 初始效率 14. 7%(J sc=14. 4mA/c m 2, V oc =1. 41V, FF =72. 8%, 但對中間層材料的結(jié)構(gòu) 參數(shù)只字不提。 Krc 等人采用 semi c oherent 光學(xué)模型 6, 即 N ( =n( -j k( , 對中間層進(jìn)行了光學(xué)模擬 , 揭示了中間層折 射率對疊層電池中頂電池 /底電池界面反射率以及對頂、 底電 池量子效率 (QE 的影響規(guī)律 , 但沒有給出中間層厚度對電池 特性影響的信息。鑒于疊層電池涉及工藝參數(shù) 較多 , 若 能

11、在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行模擬 計(jì)算 , 再 用實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證 , 以便為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)是頗有成效的。 本文采用太陽能電池模擬軟件 Afors H et2. 0 7研究頂、 底電 池電流隨中間層折射率和厚度的變化趨勢 , 從中提出實(shí)現(xiàn)頂、 底電池電流匹配所需中間層材料 的選擇依據(jù) , 將為具體實(shí)現(xiàn)電 池性能的提高提供理論指導(dǎo)。前期工作我們進(jìn)行了光學(xué)模擬 及 實(shí)驗(yàn)研究 8, 本文對薄膜電池中的電學(xué)問題進(jìn)行研究和 討論。2 模擬模型光生載流子疏運(yùn)機(jī)制可以通 過泊松方程、 自由電子連續(xù)性 方程和自由空穴連續(xù)性方程。 3個(gè)互相聯(lián)系的非線性微分方 程表征 , 每一個(gè)方程均有 2個(gè)關(guān)聯(lián)的 邊界條件。通過求解 3個(gè)方程可以得

12、 出器件內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的靜電勢 (ele c trostatic potential 、 空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級、 電子準(zhǔn) 費(fèi)米能級 3個(gè)態(tài)變 量 , 進(jìn)而 可以計(jì)算出載流子濃度、 電場和電流密度等。計(jì)算機(jī) 模擬計(jì)算 3個(gè)方程的方法是綜 合運(yùn)用有限差分和牛頓 拉普森 數(shù)值分析。將器件分成系列格點(diǎn) , 在給出適當(dāng)初值的情況下 , 用牛頓 -拉普森方法不斷迭代求 解函數(shù)的根。基于光生載流子輸運(yùn)機(jī)制 , 開發(fā)的太陽電池專用模擬 軟件 Afors H et2. 0 7。輸入太陽電池光學(xué)和電學(xué)參數(shù)即 可模擬計(jì)算 a S i 、 c Si 電池的 QE 、 I V 等特性參數(shù)。相比 于其他太陽電池模擬軟件 , 其具有界

13、面人性化、 操作簡單和 速度快等優(yōu)點(diǎn)。模擬計(jì)算中 , 如圖 1所示 , 采 用的電池結(jié)構(gòu) 為 glass2mm/T CO600nm/p + a S i10nm /i a S i200nm /n + a Si20nm/Interlayer/p + c Si20nm /i c S i2 m/n + c Si20nm/TCO100nm /A g50nm 。計(jì)算時(shí)同時(shí)記入了前電極、 背電極 T CO 和背反射電極 A g 的吸收。標(biāo)準(zhǔn)太陽光從襯底表面垂直入射。電池參數(shù) 采用南開大學(xué)光電子所的 a Si 、 c Si 電池參數(shù) , 其中 a Si 、 c Si 折射率分別為 3. 1、 3. 3。模擬波

14、長范圍為 4001100nm 。當(dāng) 不 加 中 間 層 時(shí) J sc top =13. 46m A/cm 2, J sc bo t =15. 71mA /cm 2, 為頂電池電流限制。3 模擬計(jì)算結(jié)果Krc 的計(jì)算結(jié)果表明 , 當(dāng)中間層折射率 n 介于頂電池折射 率 (3. 1 和底電池折射率 (3. 3 時(shí) , 在 650nm 中心波長范圍內(nèi)將 起增透效果 9, 不能實(shí)現(xiàn)引入中間層的目的 , 為此本文 僅計(jì)算 n >3. 3和 n <3. 1兩種情 況的結(jié)果 , 如圖 2所示。由圖 2(a 可 見 , 當(dāng) n 大于 3. 3時(shí) , J sctop 隨著中間層厚度的增 加 , 頂電

15、 池短路電流密度變化不大 , 保持在不加 中間層時(shí)的 13.5mA/cm 2左右 , 并且無論中間層厚 度多少 , 底電池短路電流密 度均遠(yuǎn)大于頂電池短路電流密度 , 無法實(shí)現(xiàn)頂、 底電池電流匹 配 , 3. 3圖 1 太陽電池結(jié)構(gòu)模型 Fig . 1 M odel of the solar cell structure圖 2 折射率 n 大于 3. 3(a 和小于 3.3(b 的插入層 ,其折射率和厚度對頂 、 底電池電流影響F ig. 2 Influence of the refractive index and thickness forinterla yer on the top an

16、d bottom cells current:(a at n <3. 3and (b n <3. 1從圖 2(b 可以看出 , 中間層的加入使 J sctop 上升 , 且折射率 越小 , 上升幅度 越大 ; 隨著中間層厚度的增加 , J sctop 呈先增大后 減小的趨勢 , 其峰 值隨折射率的減小往中間層厚度大的方向偏 n 2. 1. 57080869 第 6期 陳培專等 :Si 基薄膜疊層太陽電池中頂?shù)纂姵仉娏髌ヅ涞膶?shí)現(xiàn)100nm, 大 于 100nm 后趨于飽和。對底電池短路電流密度 則隨中間層的加入而幾乎線性下降 , 且折射率越小 , 下降幅度 越大。這正是兩者有可能匹配

17、的前提。根據(jù) J sctop 、 J s cbot 相交位 置 , 可得出當(dāng)采用 a Si200nm/interlayer/ c Si2 m 電池結(jié)構(gòu) 時(shí) , 頂、 底電池 電流完全匹配的中間層折射率和厚度的對應(yīng)關(guān) 系 , 該結(jié)果歸納如表 1所示。從表 1可見 , 隨著中間層折射率 由 1. 4增大到 2. 0, 所 需最佳厚度也由 34nm 增加到 63nm 。如 何理解插入層折射率與厚度的這 種關(guān)系 , 擬用多層光學(xué)膜中起 增反效應(yīng)的 D BR(distribntion Bragg reflec tor 結(jié)構(gòu)予 以解釋。表 1 頂 、 底電池電流完全匹配的中間層折射率和厚度 T a b.

18、1 R efra ctive index and thickness fo r interlay erat to p cell and botto m cell current m atchingn T hick nes s forinterlayer /nmTop and bottom cell current m atch ing /mA/cm 22. 06314. 051. 74414. 091. 53714. 101. 43414. 07由模擬計(jì)算已知 , 所選用的中間層材料 , 與高折射率 n h 的 Si 基薄 膜相比要小 , 故稱之為低折射率 n l 材料。這樣 , 由高、 低折

19、射率材料構(gòu)成了一種類似于 DBR 的功能結(jié)構(gòu) , 如圖 3所 示。在頂部非晶硅與底部微晶 硅電池間插入折射率 n 1、 厚度適宜的薄層與頂電池的 n +構(gòu)成類似的 DBR, 它對入射光具有增 強(qiáng)反射的作用。其反射增強(qiáng)的 大小 , 借助 DBR 反射率 R d 的式 (1 來表示 10。R d =n o -n l n 2sn gn o +ln h2sn g2(1 式中 n o 和 n g 分別表示非晶硅頂電池 i 層的折射率和底部 p +層的折射率。由式 (1 可知 , 低折射率薄層的引入 , 使原本折射率相近的本征 a Si 和 p +c Si 的折射率 (即 n o 和 n g 之差由接 近

20、于零 , 此時(shí)由于 n l /n h 的存在 , 如使 n g 減小了 (nl /n h 的平方 倍 (對單 周期的 DBR 結(jié)構(gòu) , s =1, 而使 兩者折射率之差增大 , 同 理還使兩者折射率之和減小 , 故而界 面處反射率得以增強(qiáng)。實(shí)際 DBR L d 10的表達(dá)式 為L d (2從 DBR 角度 , L d 是 , 在起反射增強(qiáng)作用的結(jié)構(gòu)中 , 入射光進(jìn)入 該結(jié)構(gòu)、 經(jīng)增強(qiáng)反射而返回、 再次進(jìn)入該結(jié)構(gòu)、 出射后的相位差 所描述的有效光學(xué)厚度。這 種情況下 , 認(rèn)為它是從頂電池進(jìn)入 中間層 , 在底電池界面經(jīng)增強(qiáng)反射返回進(jìn) 入中間層再進(jìn)入頂電 池的 n +返回頂電池產(chǎn)生相位差描述的有效

21、厚度 , 實(shí)際上就是 兩次經(jīng)過中間層的光程。其中 Vn =n h -n l 為高低折射率之 差 , n eff 為高低 折射率之平均。 式 (2 L d n h -n l=1/l (3式 (3 , 關(guān)系。頂部 n +a Si 與中間層折射率之差 n 越大 , 亦即中間層 的 n l 越小 , 則 L d 越 小?；蛘呖梢钥紤]為 , 有效厚度與高、 低折 是說 , 如果高、 低折射率材料構(gòu)成的 R l/n 越大 , 所需厚度就可 減薄。圖 3 帶 D BR 結(jié)構(gòu)的疊層電池示意圖 Fig . 3 Sketch of the ta ndem cell with D BR structure依據(jù)表 1

22、數(shù)據(jù)作圖 , 圖 4給出頂、 底電池電流完全匹配的 中間層厚度 和折射率的關(guān)系 (數(shù)據(jù)點(diǎn) 以及按照 (3 式擬合的曲 線 , 兩者相符甚好 , 說明 按照 DBR 概念考慮的合理性。 由擬合 結(jié)果得 n +a Si 的平均折射率為 2. 85, 比實(shí)際計(jì)算 所用的 要小。這個(gè)計(jì)算結(jié)果給以啟示 , 真正 有效的中間層似乎 不是直接插 在頂電池的 n +非晶硅和 P +微晶硅層之間的 , 而是在 n +微晶硅之上 , 還應(yīng)該有一個(gè)過渡層。這個(gè)未知的過渡層 的加入 , 再與 n +非晶硅層組合的結(jié)果 , 使得復(fù)合層的平均有效 折射率下降了 , 以此才能更為有效地達(dá)到頂、 底電流的平衡。 這個(gè)由理論

23、模擬計(jì)算得出的 預(yù)示 數(shù)值 , 應(yīng)該是需要引為注意 有關(guān)中間層 概念的某種啟示。對此深入 的分析理解尚待繼續(xù)。 表 1還給出 , 對不同折射率的中間層 , 以一定疊層電池結(jié) 構(gòu)為前提 , 計(jì)算所 得平衡條件下的疊層電池的電流基本保持在 14. 1mA/c m 2左右。 經(jīng)優(yōu)化插入中間層后 , 將對最終匹配的圖 4 頂 、 底電池電流匹配的中間層折射率和厚度擬合曲線 Fig . 4 C urve fitting of the refra ctive index and thickness for interlay er a t to p cell and bo tto m cell curren

24、t ma tching870光 電 子 激 光 2011年 第 22卷電流值貢獻(xiàn)不大 , 它的作用只是調(diào)整光在頂、 底電池中的分配 , 使頂、 底 電流隨之變化 , 從而兩者趨于平衡而已 。最終的平衡 電流仍主要由頂、 底電池的結(jié)構(gòu)尺寸 決定。為獲得更好的疊層 電池性能 , 今后在調(diào)節(jié)好中間層最佳厚度的基礎(chǔ)上 , 進(jìn)一步對 電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合優(yōu)化仍是有必 要的。4 結(jié) 論通過以上分析 , 可以得出以下結(jié)論 :1 中間層折射 率 n >3. 3時(shí) , 并不能改善疊層電池頂電池 電流限制的缺陷 , 即 n >3. 3的 材料不適合用作中間層。 2 當(dāng) n <3. 1時(shí) , 中間層的

25、加 入使頂電池積分電流上升 , 且 折射率越小 , 上升幅度越大 ; 而底電池積分電流呈線性下降 , 折 射率越小 , 下降幅度越大。3 與插入層相臨的材料 , 是折射率較微晶硅小的一種材 料 , 它可能是一種平均有效折射率在 3以下并與微晶硅組合而 構(gòu)成復(fù)合層。對此需要繼續(xù)深 入研究。4 由此導(dǎo)出一 個(gè)需要繼續(xù)深入研究的有趣問 題。 參 考文獻(xiàn) :1 M eier J . Intrins ic m icrocrystalline silic on ( c Si:H a prom ising n ew thin film s olar cell m aterialA. Proc. 1st WC

26、 PEC C .H a waii, 1994, 409 412.2 Pellaton Vaucher N , N agel J L, Platz R . Controlled nuc leation of thin m icrocrystalline layers for the recom bin ation junction in a Si s tacked cells A.Proc. 2nd WCPE CC .Vienn a, 1998, 728 731.3 Shah A V, Bailat J, Vallat Sauvain E, et al. M icrocrys talline a

27、nd m icrom orph solar cells and m odules :status and poten tial A.Proc. 31s t IE EE PSCC .Osaka, 2005, 1353 1358. 4 D om in D, Bailat J, Steinhaus er J, et al. M icrom orph solar cell optim iz ation u sing a Z no layer as interm ediate reflectorA. Proc. 4th WC PEC C .H awaii 2006, 1465 1468.5 Yam am oto K, N akajim a A, Yoshim i M , et al. N ovel h ybrid thin filmsilicon s olar c ell and m oduleA.Proc. 3rd WC PECC. Osaka, 2003, 2789 2792.6 Krc J , Sm ole F, T opic M . Advanced optic al design of tandem m icrom orph silicon solar c ellsJ.J. N on C rys t. Solids , 2006, 352(9 20 :1892 1895.7