Si基薄膜叠层太阳电池中顶底电池电流匹配的实现

陈培专,陈新亮*,蔡 宁,韩晓艳,李 娟,任慧志,李 阳,张晓丹,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:以中间层对非晶硅/微晶硅(a Si/ c Si)叠层太阳电池电学特性的影响为研究对象,运用太阳能电池模拟软件,计算了中间层折射率和厚度的变化对顶/底电池电流的影响。针对当前Si基薄膜叠层太阳电池中存在的顶、底电池电流不匹配的问题,提供了解决方案。结果表明,应选用折射率小于3.1的材料作中间层;顶、底电池电流完全匹配的中间层折射率增大所需厚度随之增厚,折射率由1.4增大到2.0,最佳中间层厚则由34nm 增加到63nm。

关键词:非晶硅/微晶硅叠层太阳电池;中间层;电学模拟;顶底电池电流匹配

中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:1005 0086(2011)06 0868 04

Realiz ation of curre nt m atching be twee n top c ell and bottom cell in Si thin film tandem solar ce lls

CHEN 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 Technology of M inistry of Education,Nankai Insti tute of Photo electronic T hin Film De vices and Technology,U niversity,T ianjin300071,China)

Ab 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 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 than3.1.T he re fractive 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 from1.4to2.0,the optimal thickne ss of the interlayer in creases from34nm to63nm.

Ke y wor ds:a Si/ c Si tandem solar cells;interlayer;electric simulat ion;current matching between top cell and bot tom c ell

1 引 言

在非晶硅/微晶硅(a Si/ c Si)叠层太阳电池中,顶电池的短路电流密度(J sc top)小于底电池的短路电流密度(J sc bot)。根据电流连续性原理,叠层电池的短路电流密度(J sc tandem)常受顶电池电流密度的,这是由于为获得好的稳定性需减薄顶电池的结果[1]。因而,提高a Si顶电池的短路电流密度,实现顶、底电池的电流匹配,成为提高叠层电池效率的有效关键问题之一。为了解决上述问题,IMT小组最先于1996年提出了在非晶硅/微晶硅叠层电池的顶电池和底电池间引入中间层(inter layer)的新结构[2]。此后,具有中间层结构的a Si/ c Si叠层电池受到广泛关注。

目前应用最多的中间层材料是Z nO[3],Domin 等人[4]采用180nm a Si/50nm ZnO/1.8 m c Si电池结构,初始效率达11.6%(J sc=12.1mA/c m2,V oc=1.3V,FF=73.2%)。Yamamoto等人[5]也采用带有中间层的a Si/ c Si叠层电池结

光电子 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 xlruzhou@163.com

收稿日期:2010 04 14 修订日期:2010 09 10

基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2006CB202602,2006CB202603);国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA050602);天津市国家科技计划配套资助项目(07QTPT J C29500);天津市应用基础及前沿技术研究计划资助项目(09JCYBJC06900)

构,在1cm 2的电池面积上取得了初始效率14.7%(J sc=14.4mA/c m 2,V oc =1.41V,FF =72.8%),但对中间层材料的结构参数只字不提。Krc 等人采用semi c oherent 光学模型[6],即N ( )=n( )-j k( ),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电池/底电池界面反射率以及对顶、底电池量子效率(QE )的影响规律,但没有给出中间层厚度对电池特性影响的信息。

鉴于叠层电池涉及工艺参数较多,若能在实验前进行模拟计算,再用实验予以验证,以便为实验提供指导是颇有成效的。本文采用太阳能电池模拟软件 Afors H et2.0 [7]研究顶、底电池电流随中间层折射率和厚度的变化趋势,从中提出实现顶、底电池电流匹配所需中间层材料的选择依据,将为具体实现电池性能的提高提供理论指导。前期工作我们进行了光学模拟及实验研究[8],本文对薄膜电池中的电学问题进行研究和讨论。

2 模拟模型

光生载流子疏运机制可以通过泊松方程、自由电子连续性方程和自由空穴连续性方程。3个互相联系的非线性微分方程表征,每一个方程均有2个关联的边界条件。

通过求解3个方程可以得出器件内各个点的静电势(ele c trostatic potential)、空穴准费米能级、电子准费米能级3个态变量,进而可以计算出载流子浓度、电场和电流密度等。计算机模拟计算3个方程的方法是综合运用有限差分和牛顿 拉普森数值分析。将器件分成系列格点,在给出适当初值的情况下,用牛顿-拉普森方法不断迭代求解函数的根。

基于光生载流子输运机制,开发的太阳电池专用模拟软件 Afors H et2.0 [7]。输入太阳电池光学和电学参数即可模拟计算a S i 、 c Si 电池的QE 、I V 等特性参数。相比于其他太阳电池模拟软件,其具有界面人性化、操作简单和速度快等优点。

模拟计算中,如图1所示,采用的电池结构为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 。

计算时同时记入了前电极、背电极T CO 和背反射电极A g 的吸收。标准太阳光从衬底表面垂直入射。电池参数采用南开大学光电子所的a Si 、 c Si 电池参数,其中a Si 、 c Si 折射率分别为3.1、3.3。模拟波长范围为400~1100

nm 。当不加中间层时J sc top =13.46m A/cm 2

,J sc bo t =15.71mA /cm 2,为顶电池电流。

3 模拟计算结果

Krc 的计算结果表明,当中间层折射率n 介于顶电池折射率(3.1)和底电池折射率(3.3)时,在650nm 中心波长范围内将起增透效果[9],不能实现引入中间层的目的,为此本文仅计算n >3.3和n <3.1两种情况的结果,如图2所示。

由图2(a )可见,当n 大于3.3时,J sctop 随着中间层厚度的增加,顶电池短路电流密度变化不大,保持在不加中间层时的13.

5mA/cm 2

左右,并且无论中间层厚度多少,底电池短路电流密度均远大于顶电池短路电流密度,无法实现顶、底电池电流匹

配,因此折射率大于3.3的材料不适于用作中间层。

图1 太阳电池结构模型Fig .1 M odel of the solar cell structure

图2 折射率n 大于3.3(a)和小于3.3(b )的插入层,

其折射率和厚度对顶、底电池电流影响

F ig.2 Influence of the refractive index and thickness for

interla yer on the top and bottom cells current:(a)at n <3.3and (b)n <3.1

从图2(b)可以看出,中间层的加入使J sctop 上升,且折射率越小,上升幅度越大;随着中间层厚度的增加,J sctop 呈先增大后减小的趋势,其峰值随折射率的减小往中间层厚度大的方向偏移。n =2.0、1.7、1.5、1.4曲线的峰值分别出现在70、80和80

869 第6期 陈培专等:Si 基薄膜叠层太阳电池中顶底电池电流匹配的实现

~100nm,大于100nm 后趋于饱和。对底电池短路电流密度则随中间层的加入而几乎线性下降,且折射率越小,下降幅度越大。这正是两者有可能匹配的前提。根据J sctop 、J s cbot 相交位置,可得出当采用a Si200nm/interlayer/ c Si2 m 电池结构时,顶、底电池电流完全匹配的中间层折射率和厚度的对应关系,该结果归纳如表1所示。从表1可见,随着中间层折射率由1.4增大到2.0,所需最佳厚度也由34nm 增加到63nm 。如何理解插入层折射率与厚度的这种关系,拟用多层光学膜中起增反效应的D BR(distribntion Bragg reflec tor)结构予以解释。

表1 顶、底电池电流完全匹配的中间层折射率和厚度T a b.1 R efra ctive index and thickness fo r interlay er

at to p cell and botto m cell current m atching

n T hick nes s for

interlayer /nm

Top and bottom cell current m atch ing /mA/cm 2

2.06314.051.74414.091.53714.101.4

34

14.07

由模拟计算已知,所选用的中间层材料,与高折射率n h 的Si 基薄膜相比要小,故称之为低折射率n l 材料。这样,由高、低折射率材料构成了一种类似于DBR 的功能结构,如图3所示。在顶部非晶硅与底部微晶硅电池间插入折射率n 1、厚度适

宜的薄层与顶电池的n +

构成类似的DBR,它对入射光具有增强反射的作用。其反射增强的大小,借助DBR 反射率R d 的式(1)来表示[10]。

R d =n o -n l n h

2s

n g

n o +n l

n h

2s

n g

2

(1)式中n o 和n g 分别表示非晶硅顶电池i 层的折射率和底部p +

层的折射率。由式(1)可知,低折射率薄层的引入,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 )之差由接近于零,此时由于n l /n h 的存在,如使n g 减小了(n l /n h )的平方倍(对单周期的DBR 结构,s =1),而使两者折射率之差增大,同理还使两者折射率之和减小,故而界面处反射率得以增强。实

际DBR 作用的有效穿透深度L d [10]

的表达式为

L d n eff

n

(2)

从DBR 角度,L d 是,在起反射增强作用的结构中,入射光进入该结构、经增强反射而返回、再次进入该结构、出射后的相位差所描述的有效光学厚度。这种情况下,认为它是从顶电池进入中间层,在底电池界面经增强反射返回进入中间层再进入顶电池的n +返回顶电池产生相位差描述的有效厚度,实际上就是两次经过中间层的光程。其中Vn =n h -n l 为高低折射率之差,n eff 为高低折射率之平均。式(2)可改写成

L d (n h +n l )/2 n n h +n l

n h -n l

=1/R l /h (3)

式(3),关系。顶部n +a Si 与中间层折射率之差 n 越大,亦即中间层

的n l 越小,则L d 越小。或者可以考虑为,有效厚度与高、低折

射率材料构成的DBR 自身反射率R l/n 的平方根成反比。也就

是说,如果高、低折射率材料构成的R l/n 越大,所需厚度就可减薄。

图3 带D BR 结构的叠层电池示意图Fig .3 Sketch of the ta ndem cell with D BR structure

依据表1数据作图,图4给出顶、底电池电流完全匹配的中间层厚度和折射率的关系(数据点)以及按照(3)式拟合的曲线,两者相符甚好,说明按照DBR 概念考虑的合理性。 由拟合结果得n +a Si 的平均折射率为2.85,比实际计算所用的要小。这个计算结果给以启示,真正有效的中间层似乎不是直接插在顶电池的n +非晶硅和P +微晶硅层之间的,而是

在n +

微晶硅之上,还应该有一个过渡层。这个未知的过渡层的加入,再与n +非晶硅层组合的结果,使得复合层的平均有效折射率下降了,以此才能更为有效地达到顶、底电流的平衡。这个由理论模拟计算得出的 预示 数值,应该是需要引为注意有关中间层概念的某种启示。对此深入的分析理解尚待继续。 表1还给出,对不同折射率的中间层,以一定叠层电池结构为前提,计算所得平衡条件下的叠层电池的电流基本保持在14.1mA/c m 2左右。经优化插入中间层后,将对最终匹配的

图4 顶、底电池电流匹配的中间层折射率和厚度拟合曲线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 current ma tching

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光电子 激光 2011年 第22卷

4 结 论

通过以上分析,可以得出以下结论:

1)中间层折射率n>3.3时,并不能改善叠层电池顶电池电流的缺陷,即n>3.3的材料不适合用作中间层。

2)当n<3.1时,中间层的加入使顶电池积分电流上升,且折射率越小,上升幅度越大;而底电池积分电流呈线性下降,折射率越小,下降幅度越大。

3)与插入层相临的材料,是折射率较微晶硅小的一种材料,它可能是一种平均有效折射率在3以下并与微晶硅组合而构成复合层。对此需要继续深入研究。

4)由此导出一个需要继续深入研究的有趣问题。

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作者简介:

陈新亮 (1978-),男,河南省人,博士,副教授,主要从事薄膜太阳电池及新型光伏材料领域的研究

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