1、叠层太阳能电池小结1 叠层电池概述由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收,转变成热能；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率的一般较低。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池
2、利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。叠层 a-Si:H 太阳电池能提高效率、解决单结电池存在的稳定性问题的原因在于：（1）叠层电池把不同禁带宽度的材料组合在一起，加宽了光谱响应的范围。 （2）顶电池的i 层较薄（2000 10-8cm） ，以致光照后产生的空间电荷对 i 层电场的调制已不明显，i 层中电场强度分布变化不大，仍是高场区，有源区上的这种高电场显然足以把 i 层中的光生载流子有效抽出，从而阻止光致衰退的发生。 （3）底电池产生的光生载流子约为单结电池的一半，底电池的光致衰退效应较小。双结叠层电池通常由宽禁带带隙的顶电池、隧道
3、结和窄带带隙的底电池三部分依次串联而成。为了获得尽可能高的光电转换效率，叠层电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理和顶底子电池电流匹配等基本要求。叠层电池电流密度一般不同，顶底电池的电流失配会使电池性能大受影响。设法获取电池匹配的结构是保证叠层电池具有良好性能的重要一环。叠层太阳能电池的制备可以通过两种方式得到：一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的作为顶电池，一个则是低带宽的作为底电池。然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面。另一种是一体化的方法，先制备出一个完整的太阳能电池，再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面。典型叠层电池的结构如图 1 所示。图 1 薄
4、膜非晶/微晶叠层电池结构2 叠层电池的隧道结作为有效地互连两个子电池的过渡结，隧道结应具有高透光率、阻抗小（重掺杂）的特点，且其晶格常量和热膨胀系数与上下层也要求匹配。隧穿结厚度包括非晶顶电池 N 层的厚度和微晶底电池 P 层的厚度。在叠层电池 p1-i1-n1-p2-i2-n2 结构中，n1-p2 结特性的好坏对电池特性参数Voc、Isc、FF 均有重要影响。因为 n1-p2 结相对器件内建场为反偏结，任何寄生势垒都将使电池的 I-V 特性变坏。因此，为了进一步提高电池的转换效率就需提供一个特性优良的隧道结，要求该结的掺杂层具有宽的光带隙和高的电导率，以增加到达底电池的光透过率和减少串联电阻
5、。在组成电池的各层材料特性和界面特性得到保证的情况下，叠层电池结构设计便是确定电池效率的关键因素。其中起主要作用的是顶电池和底电池 i 层厚度的设计。叠层电池总的开路电压等于各单结电池开路电压的代数和，而叠层电池的短路电流等于各单结电池中短路电流最小者。因此，叠层电池结构设计的原则是使各单结电池吸收光谱分配合理。为此，调整第 i 个子电池的有源层厚度 di，以使各单结电池的光电流相等，从而获得最大的输出短路电流。在具体实验过程中首先固定一合适的底电池 i 层厚度，然后仔细改变顶电池 i 层厚度，找出最大输出效率，反过来再固定该顶电池 i 层厚度，调整底电池 i 层厚度。NP 隧穿结对薄膜非晶/
6、微晶叠层电池的性能有重要的影响。NP 隧穿结的接触特性影响电池的开路电压，非晶硅顶电池的 N 层和微晶硅底电池的厚度决定了 NP 隧穿结的复合几率，在非晶硅顶电池 N 层表面上沉积微晶底电池 P 层前，先对 NP 界面进行氢处理，除去N 层表面的氧化物绝缘层。2 计算2.1 叠层电池串联原理一般的非晶硅氢合金（a-Si:H）层和 n 层都非常薄，因此，电流主要来自其本征层吸收光子而产生的光生载流子的贡献。所以，设第 i 层子电池的禁带宽度为 Egi,其本征层的厚度为 W，则该层子电池的光电流 Jsci 可由下式给出：（1）10.3()1exp()exp()gisci i iJQFwd其中，e
7、为电子电荷；光波长 （单位 um） ；.24/gigiE是在波长 下每平方厘米每秒入射光子数；Q 为量子产额。()我们取 Q=0.9，吸收系数 i 在基本吸收区由下式给出：（2）12()()i gihCE其中，C 在本文的计算中取值为 。1260()Cevcm由于每层子电池是串联连接的，所以流过每层子电池的光电流相等，即满足串联原理：Jsc1=Jsci=Jscn （3）2.2 太阳能电池厚度的最佳设计由于非晶硅电池结构的特性，本征层的厚度相对结平面要小的多，因此，结内电位分布 V(X)应该满足一维的泊松方程：（4）20()rdVx其中，空间电荷密度 ()可以通过隙态密度 g() 的费米积分来求
8、得：（5）0221211()()exp()expexp)f chchf fchcchcgd 等式中 ch1 和 ch2 分别为施主态和受主态的特征能量， f 为 a-Si:H 材料的费米能级。通过对上面两式的求解,可以得出下面的关系式：（6）12201211212()exp()exp()()chchr chf fchchchgVVeVC其中，C 为积分常数，若假定本征层内电荷总量为 0，即：（7）0000()()ddrrdExxE这里假定本征层厚度为 d，并令 Vd-V0=Vb(在计算中我们取 Vb=1.2V)，便可以通过计算机对上面几个式子进行数值求解,从而得出本征层内电场和电位随空间位置变
9、化的分布曲线，如图 1：图 1(a)和(b)、图 2(a)和(b) 中各曲线 15 分别代表着最小隙态密度 gmin 为 11015cm-3/eV，310 15cm-3/eV，110 16cm-3/eV，310 16cm-3/eV，110 17cm-3/eV 的情况。从图 1(a)和(b)上可以看到，随着最小隙态密度的增大，最小场值迅速减小。另外也可以看到，在本征层很大范围内场值变化非常缓慢，可以用最小场值 Emin 来近似整个本征层的电场，这一关系在 gmin 较小时更为明显。图 2(a)给出最小场值与本征层厚度关系，从图 2(a)可以看到，对于一定材料的禁带宽度，随着电池本征层厚度的增加，
10、结内最小电场迅速减小，这将严重影响着电池的性能。但也不能将本征层做的太薄，那样将影响到对光子的吸收。所以，对一定隙态密度，有一最大的本征层厚度，称为最佳厚度 d0。为了使光生载流子得到最有效的吸收，最佳厚度和最小场值应该满足下列关系式：（8）0min/dE其中， 是漂移迁移率， 是载流子的平均寿命 值可以从实验中测得，非晶硅的 值大约为 110-8 410-8cm2/V-1 ，在我们的计算中， 的取值为 210-8cm2/V-1。图 2(b)中各曲线和虚线的交点代表着不同的 gmin 所对应的最佳厚度值，列于表 1，可以看到降低 gmin，可以增大本征层最佳厚度，这对电池性能的提高将具有很大意
11、义。显然，本征层最佳厚度强烈依赖于隙态密度，当最小隙态密度为 11016cm-3eV-1 时，本征层最佳厚度不超过 1um。2.3 叠层电池效率对于 PIN 结电池，单层电池的效率表为：（9）/ocsinVJFPA其中 Pin 为入射太阳光功率，我们取大气质量为 1(AM1)时，入射太阳光功率为1.0kW/m2。Jsc 为负载短路时的短路电流密度，由(1)式给出。 Voc 为负载断开时的开路电压，其值由下式给出：（10）01()()lngoc scEJkTVe上式中，n 是二极管结构因子，对于非晶硅太阳能电池，它的范围是 1.62.0。在我们的计算里，取 n=1.65，n1=2 ， J00 取
12、值为 8.2105mA*cm-2。T 是环境温度，取值 300K，k是波尔兹曼常数。 FF 为填充因子，它由下式定义：(11)()/mocsFVJ式中,Vm 为最佳工作电压，Jm 为最佳工作电流。（12）(/)ln(1/)ocmkTeVkT（13）xpmmJ式中的 J0 是反向饱和电流密度，由下式给出：（14）01e(/)gEnkTA由上面各式可算出单层电池的效率。根据电池串联原理，叠层电池的总效率应等于各层子电池效率的叠加，即：（15）()sctoalociiinJVFP3 计算及结果分析3.1 各层电池禁带宽度最佳匹配设本征层厚度都为 0.5um，根据公式 (1) (2) (3)，用计算机
13、模拟计算出 15 叠层电池各层最佳匹配禁带宽度，列于表 2 中。可以看到，对不同层数的叠层电池，随层数的增加，顶层电池禁带宽度越来越大。而对同一叠层电池，各层的禁带宽度也不同，顶层禁带宽度最大，然后逐层减少。3.2 叠层电池各层本征层最佳厚度与禁带宽度的依赖关系在 3.1 的计算中，我们把各层电池的本征层厚度都取为 0.5um，为了进一步对非晶硅叠层电池进行最佳设计，我们必须考虑本征层最佳厚度与材料禁带宽度的依赖关系。令 Vb 近似为本征层禁带宽度，图 3 是在最小隙态密度为 11016cm-3/eV，不同禁带宽度情况下 Emin 和 d/Emin 与本征层厚度的关系（图 3 中数字 14 分
14、别代表着禁带宽度分别为 1.0eV、1.2eV、1.5eV 和 1.7eV 的情况） 。图 3(b)中曲线 14 与 d/Emin=210-5cm2kV-1的交点的横坐标即为对应不同禁宽度情况下本征层的最佳厚度。从图 3 上可以看到，随着禁带宽度的变大，本征层的最佳厚度略有增加。3.3 电池效率随层数的变化关系考虑到禁带宽度对本征层厚度的影响，并根据公式(9)(15)对电池效率进行计算机模拟，可以求得在各层本征层厚度都一样时电池效率随层数的变化关系，如图 4 所示。图 4 中分别给出对应最小隙态密度 11016cm-3/eV、310 16cm-3/eV 和 11017cm-3/eV 的本征层厚
15、度 0.505um、0.707um 和 0.912um 的 3 条曲线。我们可以看到，同样的电池层数，电池本征层厚度越大，效率也变大。另一方面，电池效率随着电池层数的增加也变大，但变化幅度越来越小，最后电池总效率趋近一个饱和值，因此，从性价比上来说，做到 3 层已经达到了理想效果。3 结论综合上述，a-Si:H 叠层太阳能电池总效率与各层电池禁带宽度的最佳匹配有很大关系。在寻求最佳匹配的基础上，电池效率随电池层数的增加而增加。但是，层数越大，效率增加就越缓慢。且在 10 叠层以后几乎趋近一个饱和值。因此，一般认为三叠层电池性价比最高。另外，各层禁带宽度与各层的本征层的最佳厚度也有一定的依赖关系
16、，禁带宽度越宽，本征层的最佳厚度也就越大。当然非晶硅太阳电池的实际效率还要受到其它方面因素的影响，特别是本征层的最佳厚度强烈依赖于本征层的隙态密度。因此，进一步改善工艺条件，制作出更好的材料，降低本征层的隙态密度以便能更大程度地提高电池总效率。4 总结语鉴于目前国内外尚无关于复合结式 pn 结结构在同位素微电池制作领域应用方面的研究，只能借鉴一些关于叠层太阳能电池的研究现状，改进其设计方法，研究其在同位素电池上的应用。主要的设计思路集中于以下两点：1）在理论仿真方面，主要是解决各层 pn 结层间的电流匹配问题，禁带宽度的合理组合问题，这是保证复合结有良好性能的最重要一环。2）设计制作方面，目前国内外研究较少，主要是采用机械堆叠法和一体化生长法来实现。其中，隧道结是有效连接各个子电池的过渡结，采用合适的材料来实现各层结的互连是复合结制作的关键。
