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a-Si:H/c-Si异质结界面特性的理论研究

钟春良  
【摘要】:a-Si:H/c-Si异质结太阳电池结合了薄膜硅的工艺优势与晶体硅电池的优点,具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。 影响a-Si:H/c-Si异质结性能的两个关键界面参数是能带补偿和界面态。通过积分光态开路条件下c-Si耗尽区的电子电流密度方程,推导a-Si:H/c-Si异质结太阳电池开路电压的表达式。当界面态D_(it)很小时,界面有效复合速度S_p (S_n)很小,界面态的影响可忽略;当D_(it)较大时,D_(it)的增大导致S_p (S_n)增大,c-Si中的非平衡载流子浓度减小,因此开路电压VOC减小,填充因子FF下降,转换效率下降。当界面态很小时,(p) a-Si:H/(n) c-Si异质结(Pn)太阳电池具有更高的VOC与转化效率;但Pn太阳电池的光态I-V特性对界面态更敏感。当D_(it)增大时,背场效果下降。高质量的a-Si:H本征钝化层还具有阻碍c-Si中光生多子反扩散到反射极中进行复合的作用,提高短路电流。 推导扩散电容C_D的表达式,C_D表征界面态是基于界面态作为复合中心减小c-Si中的非平衡载流子浓度而使C_D随着D_(it)增大而减小。C_D随着D_(it)的减小而增大直致10~(10) cm~(-2)eV~(-1),因而C_D对D_(it)的表征可敏感到10~(10) cm~(-2)eV~(-1)数量级。因此,通过扩散电容的测量可以得出a-Si:H/c-Si异质结的界面态。 价带补偿影响S_p (S_n)和载流子输运而影响a-Si:H/c-Si异质结的光态I-V特性。在界面态不可忽略、ΔEV≤0.5 eV时,界面态对(p) a-Si:H/(n) c-Si异质结光态I-V特性的影响随着价带补偿的增大逐渐被消除,因而适当的能带补偿可改善a-Si:H/c-Si异质结的光态I-V特性。窗口层禁带宽度E_(g2)不同,硅异质结太阳电池的光态I-V特性不同。短路电流随着E_(g2)增大而略有增大。由于E_(g2)是通过能带补偿的作用而影响硅异质结太阳电池的VOC与FF,随着E_(g2)的增大,Sn减小,VOC增大。在E_(g2) 1.9 eV时,载流子输运未受到界面势垒的限制,FF随着E_(g2)的增大而增大;在E_(g2)≥1.9 eV时,载流子输运受到界面势垒的限制,FF减小,转换效率下降。硅异质结的光态I-V特性在E_(g2) = 1.7-1.8 eV时最佳,对应为a-Si:H。在低温工作、a-Si:H层低掺杂、高价带补偿以及高界面态时,载流子输运受到界面势垒的限制,c-Si界面及耗尽区的复合速率显著增大,光电流的损失显著增大,(p) a-Si:H/(n) c-Si异质结太阳电池的光态J-V曲线表现为S-Shape现象。由于价带补偿势垒的限制,P型c-Si衬底的非晶硅的背场效果不佳。通过模拟分析发现,p型c-Si衬底的背场薄膜硅带隙为1.6 eV时背场效果最佳,对应为微晶硅材料。 由于界面强反型层或不可忽略的界面态的存在,由电容-电压法来确定能带补偿可能导致误差。当界面态很小时,通过推导高频下包含强反型层的电容表达式,得到表观内建电势V_(int)的修正表达式。误差与界面电子浓度有关,在ΔE_C 0.05 eV时界面强反型层的影响会导致明显的误差,尤其在ΔE_C较大时,而且误差随着ΔE_C的增大而增大。通过对V_(int)的修正可以更精确地确定能带补偿。当D_(it)较小时,根据V_(int)的修正式计算得到a-Si:H与c-Si间的导带补偿ΔE_C = 0.19 eV。


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