第49卷第12期人工晶体学报Vol.49No.12 2020年12月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS December,2020 ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结太阳电池的模拟研究
罗伟・2，杜锐1
(1.东北石油大学物理与电子工程学院，大庆163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，大庆163318)
摘要：近年来,HIT(heterojunction with intrinsic thin-layer)结构太阳能电池由于具有转化效率高和可低温生产等优点获得了广泛的关注，但是转化原材料成本高、生产技术条件苛刻和缺陷态控制等问题制约了其进一步的发展。本文采用AFORS-HET软件模拟了ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结太阳电池结构吸收层掺杂浓度、缺陷密度和界面缺陷态密度等参数对该结构短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率的影响。优化后的结果显示，当吸收层掺杂浓度为1X1021cm-3,ZnO层和c-Si层缺陷密度小于1017cm-3时,ZnSe/c-Si界面缺陷密度小于1025cm-3时，该结构太阳能电池光电转换效率可达24.29%。
关键词:ZnO/ZnSe；异质结；AFORS-HET；硅基太阳能电池；光电转换效率
中图分类号:TB383.2；T M914.4文献标识码：A文章编号：1000-985X(2020)12-2282_05 Simulation Study of ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)Heterojunction Solar Cells
LUO Wei1，2,DU Rui1
(1.School of Physics and Electronic Engineering,Northeast Petroleum Lniversity,Daqing163318,China；2.Lniversity-Enterpri R&D
Center of Measuring and Testing Technology&Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province,Daqing163318,China)
Abstract:Heterojunction with intrinsic thin-layer(HIT)solar cells have attracted a great deal of interest in the rearchers recently due to its advantages of high energy conversion efficiency and low temperature production procedure，however the high cost of raw material，the harsh technical conditions and the defect state control have become the major problems which prevent its further development.The AFORS-HET software is employed to simulate the influence of the absorber layer doping concentration,the defect density and the interface defect density of state on the ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)heterojunction solar cell's performances(the short-circuit current,open-circuit voltage,fill factor and photoelectric conversion efficiency).
The optimized result shows that when the doping concentration of the absorber layer is1X1021cm-3,the defect density of the ZnO layer and c-Si layer is less than1017cm-3,and the defect density of th谅解书怎么写
e ZnSe/c-Si interface is less than1025cm-3,the photoelectric conversion efficiency of the solar cell with this structure can reach24.29%.
Key words:ZnO/ZnSe；heterojunction；AFORS-HET；silicon-bad solar cell；photoelectric conversion efficiency
0引言
硅基太阳能电池是目前应用最广的太阳能电池，具有转换效率高、工艺成熟和原材料丰富等优点，其单结、非聚光条件下的实验室转化效率已经达到26.1%［1］。然而，其生产过程中存在着工艺复杂和能耗高等问题，为了降低成本并进一步提升太阳能电池在各种条件下的性能，不同结构的硅基太阳能电池相继出现。HIT(heterojunction with intrinsic thin-layer)结构太阳能电池由日本SANYO公司在1992年发明，其转换效率达到18%，该结构具有高稳定性、高效率和生长工艺简单等特点［2］。为了进一步提高电池转化效率，上海交通大学程雪梅等［3］研究了本征层和TCO类型对电池转换效率的影响，中国科学院电工研究所赵雷等⑷研究了晶硅背场对电池转换效率的影响，韩国成均馆大学Dao等［5］研究了不同本征缓冲层对HIT电池转换效率的影响。目前，单结HIT太阳能电池的实验室光电转换效率最高可达到26.7%［6］。
近年来，过渡金属氧化物与Si构成的异质结太阳能电池成为了研究的热点。其中,ZnO作为一种常温
基金项目：黑龙江省高等教育教学改革一般研究项目(SJGY20190100)
作者简介：罗伟(1977—)，男，黑龙江省人，博士，副教授。E-mail：**************
第12期罗 伟等:ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结太阳电池的模拟研究2283下为六方纤锌矿结构的直接带隙半导体材料(带隙宽度大于3.1 eV)，在可见光波段具有超过90%的透过 率，在室温下具有较高效率的紫外受激辐射特性，以其作为发射层有望实现能量的下转换，进而提高太阳能 电池的光电转化效率。尹振超［7］发现膜厚均匀的高、低阻ZnO 发射层有利于太阳光的透过和光电子的收 集，能有效降低组件内部子电池间的差异。Chen 等［8］研究了厚度和缓冲层等参数对ZnO(n)/Si(p)异质结 太阳能电池的影响，通过模拟优化得到了 17.16%的转换效率。然而由于ZnO 与Si 之间的带隙宽度差别较 大,ZnO(n)/Si(p)异质结太阳能电池的效率仍有待提高。ZnSe 在常温下也是六方纤锌矿结构的直接带隙 半导体材料，其光学带隙为2.7 eV，从黄光到远红外波段有较高的光透过率，在光学器件中具有非常广泛的 应用。ZnO 和ZnSe 具有相同的理论晶体结构，具有较好的匹配度，因此可以通过增加ZnSe 本征层来降低 ZnO(n)/c-Si(p)之间的带隙梯度，从而提高ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结硅基太阳电池结构的转化效 率。Fenske 等⑼通过实验研究了该结构的太阳能电池，实验结果显示ZnO 和ZnSe 薄膜的生长以及界面缺 陷态等参数是影响该结构太阳能电池效率的关键因素。
AFORS-HET 软件［10］是由德国HMI 研发，用于异质结硅基太阳能电池一维数值模拟，被广泛用于
异质 结太阳能电池的设计和优化［11-13］。本文利用该软件研究了 ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结硅基太阳电池 各参数对电池性能的影响，通过模拟和参数优化为ZnO 和ZnSe 材料在高效异质结硅基太阳能电池中的应 用提供有益的参考。
1物理模型及参数
1.1电池结构
饰品连锁电池结构如图1所示，发射层为n 型ZnO，本征层为ZnSe ，吸收层为p 型c-Si 。光子从ITO 顶电极入射, 产生的光生电子和空穴在PN 结的内建电场作用下产生光伏效应。电池的能带结构如图2所示，可以看到 从ZnO 发射层到c-Si 吸收层的各半导体层间的带隙梯度依次递减，这样可以使入射光到吸收层时的损耗尽 可能降低。
图 1 电池结构Fig. 1 Structure of the battery
10-? 10^ JO-5 10-* 1（尸 10'2 10-'
-£e
-/
■ ^Si Zn X
...”................ZnO
I Ihickness/cm
图2电池能带图
Fig. 2 Band energy diagram of the battery 1.2模拟电池参数设置
电池的前接触和背接触都为默认的肖特基接触，并假定电池表面反射率为0。模拟时的光源条件为 AM1.5，光源辐照度为1 000 W/m 2，温度为300 K 。电池各层具体参数设置见表1，其中ZnO 层的参数设置 参考了林家辉等的结果［14］ ,ZnSe 层的参数设置参考了 Joshua 等的结果［15］ ,p 型晶体硅层的参数设置参考了 赵雷等的结果［16］。具体参数设置过程中,ZnO 和ZnSe 层厚度在参考实验结果的基础上，在1 ~ 100 nm 范围 内改变这两层的厚度，观察太阳电池效率的变化，结果显示太阳能电池效率与该参数在此范围内无强烈相关 性，因此选择10 nm 作为ZnO 和ZnSe 层厚度。同样的，在1017 ~1019 cm -3范围内改变ZnO 层掺杂浓度，发现 该参数的变化对电池性能没有大的影响，因此将ZnO 和ZnSe 层的掺杂浓度设置为1018 cm -3。将ZnO 和 ZnSe 层的带隙宽度都设置为室温下六方纤锌矿结构对应的理论值。在模拟过程中主要研究c-Si 吸收层掺 杂浓度、缺陷密度和界面缺陷态密度对太阳能电池性能的影响
。
2284研究论文人工晶体学报第49卷
表1各层模拟参数设置
Table1Simulation parameters for each layer
Structural parameter ZnO(n)ZnSe(i)c-Si(p) Thickness/n m10103x105
Dielectric constant101011.9
Electron affinity/eV 4.3 4.3 4.05 Band gap/eV 3.4 2.7 1.12 Optical band gap/eV 3.4 2.7 1.12 Effective conduction band density/cm-32x10182x1018 2.8x1019
Effective valence band density/cm-32x10182x1018 1.04x1019 Electron mobility,““/(cm2•V-1*s-1)20201041
Hole mobility,“/(cm2*V-1*s-1)2020412
Acceptor doping concentration/cm-30100Changed
Donor doping concentration/cm-31x10181000
Electron thermal velocity/(cm*s-1)1x1071x1071x107
Hole thermal velocity/(cm*s-1)1x1071x1071x107 Layer density/(g•cm-3) 5.606 5.42 2.328 Auger el
ectron recombination coefficient/(cm6•s-1)00 2.2x10-31
Auger hole recombination coefficient/(cm6*s-1)009.9x10-32
2模拟结果与讨论
2.1c-Si吸收层掺杂浓度对太阳电池性能的影响
在1016~1022cm-3的范围内改变吸收层掺杂浓度参数，分析其对太阳能电池性能的影响，图3是吸收层掺杂浓度变化对太阳能电池开路电压$、短路电流密度J*、填充因子FF和光电转换效率E a的影响。可以看到随着吸收层掺杂浓度的增加，太阳能电池的开路电压先增加然后保持稳定最后又减小，短路电流先缓慢增加最后大幅减小，填充因子先增加然后保持稳定，然后再增加最后减小，光电转换效率逐渐增加最后大幅减小。开路电压的变化趋势可以做下述解释：随着吸收层掺杂浓度的增加，吸收层的费米能级逐渐降低，向价带顶靠近，因此导致ZnSe(i)/c-Si(p)界面的能带更加弯曲，界面接触势垒提高。根据开路电压的理论公式(1)[17]：
V oc=nk B T ln(乍+1)(1)
q J0
式中:n为理想系数，与pn结性质有关；仏为玻尔兹曼常量；T为热力学温度;q为电子电荷量为光生电流;I。为反向饱和电流。在外界条件不变的情况下，开路电压只与反向饱和电流I。有关，而I。随界面接触势垒的增加而减小，因此开路电压一开始随吸收层掺杂浓度的增加而增加。当掺杂浓度增加到1020cm-3之后，开路电压开始减小是因为掺杂浓度过高，使光生电子的复合几率大幅增加，导致电池对光生电子的收集效率降低。根据电池光电转换效率的曲线变化趋势，将吸收层掺杂浓度定为1X1021cm-3，此时太阳能电池的光电转换效率为25.6%。
需求量变动
2.2缺陷态对太阳电池性能的影响意识的本质是
太阳能电池在实际生产中不可避免地会有缺陷，缺陷的存在对太阳能电池性能的影响很大。模拟时，在发射层ZnO和吸收层c-Si中分别加入高斯型的施主态和受主态缺陷，缺陷中心能量为0.56eV，展宽为0.15eV。在吸收层掺杂浓度为1X1021cm-3的条件下，在1016~1020cm-3的范围内改变缺陷密度参数来分析对太阳能电池性能的影响。图4是缺陷密度变化对太阳能电池开路电压V oc、短路电流密度J sc、填充因子FF和光电转换效率E ff的影响。可以看到电池光电转换效率的降低是因为开路电压和短路电流的减小导致的，当缺陷密度从1016cm-3增加到1017cm-3时，光电转换效率的下降幅度极小，当缺陷密度为1017cm-3时，太阳能电池的光电转换效率为25.38%。随着缺陷密度的继续增加，光电转换效率开始大幅度下降。这是因为随着缺陷数量的大幅增加，光生空穴和电子的复合几率大幅增加，开路电压和短路电流减小，光电转换效率降低。因此，在太阳能电池的实际生产中，如果将缺陷
密度控制在1017cm-3以下，有望获得高转换效率
第12期罗 伟等:ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结太阳电池的模拟研究2285的ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结硅基太阳能电池。
750
1700
「650
70
」_______L ___」_______i ______i ____A.____4________IO*5 10'° IO»7 !O l> 10" 10^' 10^' IO 22
Doping concentration/cm'*
(c) FF !0h ， IO 17 IO'H IO ,V 1卩 I021 IO 2J IO 21Doping concentration/cm*1(dg
图 3 模拟电池性能与吸收层掺杂浓度关系
Fig. 3 Simulated battery performances versus the doping concentration of the absorption layer
Detect deiisity/cm过马路安全图片
(c) FF Defect density/cm -3(d)耳
美人鱼真实存在吗图 4 模拟电池性能与缺陷密度关系
Fig. 4 Simulated battery performances versus the defect density
5 0 5 04 4 3 3
y E y A u n l 图 5 模拟电池性能与界面缺陷态密度关系
Fig. 5 Simulated battery performances versus the interface defect state
density
2286研究论文人工晶体学报第49卷
2.3ZnSe/c-Si界面缺陷态对太阳电池性能的影响
Fenske等⑼发现ZnO/Si型系统中载流子的主要损耗机理与最接近Si表面的ZnO的局部结构有关，插入10nm厚的ZnSe中间层可以有效改善结性能，异质结构由ZnSe/Si界面的性质决定，界面主要传输机制由热电子发射控制，但是电池性能会因界面缺陷过多而受到限制。因此在模拟中，在吸收层掺杂浓度为1X 1021cm-3,ZnO层和c-Si层缺陷密度为1017cm-3的条件下，将ZnSe/c-Si界面设置为热电子发射传输机制，在界面中加入高斯型受主态缺陷冲心能量为0.4eV，展宽为0.15eV，在1023-1027cm-3的范围内改变缺陷密度参数来分析对太阳能电池性能的影响。图5是缺陷密度变化对太阳能电池开路电压V o。、短路电流密度J*、填充因子FF和光电转换效率E a的影响。可以看到电池四项输出参数的曲线变化趋势很相似，当缺陷密度从1023cm-3增加到1025cm-3时，光电转换效率的下降幅度极小，当缺陷密度为1025cm-3时，太阳能电池的光电转换效率为24.29%。因此，在太阳能电池的实际生产中，如果将ZnSe/c-Si界面缺陷密度控制在1025 cm-3以下，有望获得高转换效率的ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结硅基太阳能电池。
3结论
本文通过AFORS-HET软件模拟研究了ZnO(n)/ZnSe(i)/c-Si(p)异质结硅基太阳能电池性能，在标准光源条件下研究了c-Si吸收层的掺杂浓度、ZnO层和c-Si吸收层中的缺陷密度和ZnSe/c-Si界面缺陷态密
度对太阳能电池性能的影响。通过模拟研究，得到了该结构太阳能电池的合理最优设置参数，即当吸收层掺杂浓度为1X1021cm-3,ZnO层和c-Si层缺陷密度小于1017cm-3,ZnSe/c-Si界面缺陷密度小于1025cm-3时，太阳能电池的光电转换效率可以达到24.29%。该研究结果能够为ZnO和ZnSe薄膜材料在高效异质结硅基太阳能电池中的应用和发展提供指导。
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