微晶硅同质结薄膜太阳电池的数值模拟分析

　　采用太阳电池电容模拟软件（简称SCAPS）对p- i- n 结构的微晶硅同质结薄膜太阳电池进行了数值模拟。研究了本征层的厚度和缺陷态浓度及窗口层的厚度等参数对电池性能的影响。得到的主要结论如下：（1）随着本征层缺陷态浓度Nt 的增加，电池的各性能参数均单调下降。（2）随着本征层厚度的增加，长波段的光谱响应逐渐改善，但该层过厚则导致中波段的光谱响应急剧下降，在Nt=1.0×10¹⁶/cm³ 的条件下，本征层厚度在1.5~2.0 μm 范围内电池效率均可达到7.0%以上。（3）p 型窗口层的厚度对短波段的光谱响应及短路电流密度JSC有较大影响。

　　提高转化效率、降低生产成本始终是太阳电池研究的两大方向，薄膜太阳电池正是顺应这一要求而迅速发展起来的。在各类薄膜太阳电池中，微晶硅(μc- Si:H)薄膜电池因兼有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池低成本的优势，成为近年来光伏领域研究的热点。目前有关微晶硅薄膜电池的研究工作主要集中在实验方面，研究内容涉及如何提高微晶硅薄膜的沉积速率、控制氧污染及制备光陷阱等。为了更好的理解微晶硅薄膜太阳电池的工作原理，优化电池结构，本文利用太阳电池电容模拟软件（简称SCAPS）对p-i-n 结构的微晶硅薄膜太阳电池进行数值模拟，主要研究了本征层的缺陷态浓度和厚度以及窗口层的厚度等参数对电池性能的影响。

1、SCAPS 软件简介及物理模型

　　SCAPS （Solar Cell Capacitance Simulator）是Burgelman 等人依据半导体器件物理的基本方程（包括泊松方程、电子和空穴的连续性方程等）研究开发的太阳电池电容模拟软件。近年来，Burgelman 等人利用该软件针对CdTe 和CIGS 等多晶薄膜太阳电池开展了大量的研究工作，所得到的模拟结果和实验结果吻合得很好。

　　本文所研究的p-i-n微晶硅薄膜太阳电池的结构如图1 所示。图1 中p、i、n 三层都是微晶硅薄膜，由于本征层（即i 层）中通常存在不同程度的氧污染，该层实际上呈弱n 型，故该结构也可称作pnn 结构。计算中微晶硅的薄膜吸收系数取自文献，光学带隙取为1.2 eV，各层的具体参数见表1。本模型没有考虑复杂的陷光结构。模拟时采用标准的太阳光谱AM1.5 (100mW/cm²)从电池左侧入射，设入射光在前、背电极表面的反射率分别为0.1 和0.9；电子和空穴在该表面处的复合速率为1×10⁷ cm/s。为了简化，本文暂不考虑界面态的影响。

图1 微晶硅p-i-n薄膜太阳电池结构示意图

3、结论

　　利用Burgelman 等人开发的SCAPS 软件，通过建立微晶硅薄膜电池模型并合理设置参数，研究了本征层缺陷态浓度、厚度及p 型窗口层的厚度对电池的各性能的影响，得到的主要结论如下：

　　(1) 本征层缺陷态浓度对电池性能有至关重要的影响：随着本征层缺陷态密度Nt 的增加，各波段的光谱响应都显著变小，电池的各性能参数（VOC、JSC，FF，η）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；电池的开路电压VOC 和填充因子FF 单调下降，短路电流密度JSC 和效率η先增大后减小；在缺陷态浓度为1.0×10¹⁶/cm³ 的条件下，本征层厚度为1.5~2.0 μm 时电池的性能较为理想，效率达到7.0%以上。

　　(3) p 型窗口层的厚度对中短波段的光谱响应及短路电流密度JSC 有较大影响。