摘要:運用FORS-HET數值模擬軟件，對a-Si(n)/a-Si(i)/c-Si:(p)/a-Si(i)/pm-Si(p+)結構的太陽能電池進行模擬優化，依次討論了不同結構，發射層，本征層，背場對電池性能的影響。
通過計算不同結構的太陽能電池，結果表明:通過模擬計算顯示太陽能電池性能最高的是雙面HIT結構;電池性能隨著發射層厚度的增加，載流子的收集效率降低造成各項參數逐漸降低，隨著摻雜濃度的提高使得內建電場強度增加，性能提高最終趨于穩定;隨本征層厚度的增加電池各個參數逐漸降低;增加背場能夠提高電池性能。
通過優化背場帶隙在1.6-1.8eV摻雜濃度NB≥1×1019cm-3的薄膜硅材料且本征層的厚度應該控制在3nm，發射層厚度在3-5nm較合適。理論計算表明雙面HIT太陽能電池轉化效率可以高達29.17%.
關鍵詞:數值模擬;背場;雙面HIT太陽電池;本征層;發射層
社會在快速發展消耗了大量的不可再生資源，造成嚴重的環境污染。所以現在的首要任務是尋找和開發新能源。新型的可再生能源中，太陽能儲量無限，零污染和覆蓋范圍廣等特點，為了利用太陽能，太陽能電池的應運而生。太陽能電池能的原理是把太陽能轉化為電能，且零污染。
太陽能電池經過漫長發展，技術已經相當成熟，但是提高太陽能電池的性能仍然是很大的難題。日本Sanyo公司在1994年制作出了轉化效率超過20%的“HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer)”異質結太陽電池。因為這種太陽電池把一層很薄的本征非晶硅層插入在了吸收區和發射極之間，以此來鈍化異質結的界面，所以他能同時實現pn結和優異的表面鈍化，從而達到高效效果[1]。
影響太陽電池效率的有背場、本征層、發射層、能帶補償、結構等內部條件外，還有溫度、光照強度等外部條件。因此本文用AFORS-HET軟件先對雙面HIT太陽電池進行模擬優[2]，對比不同結構的太陽能電池，得出雙面HIT太陽能電池的性能最高。詳細分析了太陽能電池各層的參數對電池效率的影響。并優化了雙面HIT各個參數的數值。
1電池結構和物理參數模型
以a-Si(n)為窗口層、a-Si(i)為本征層、c-Si:(p)襯底為吸收層、pm-Si(p+)為薄膜背場。各層所采用的部分參數如表一所示。可變參數外這些參數除了，其他的都采用軟件的默認值。另外參照文獻[3]中關于缺陷態參數對各層缺陷態進行如下設置。
對于晶體硅的缺陷設置，取其為無帶尾態，體內氧空位缺陷密度為1×1011cm-3，對應能量位置在帶隙內離價帶頂0.94eV處。非晶硅具有Urbach帶尾，a-Si(n)層中，導帶和價帶特征能量分別為0.033eV和0.064eV;a-Si(i)層中，價帶特征能量為0.041eV和和導帶特征能量0.036eV;pm-Si(p+)層中，價帶和導帶特征能量分別為0.079eV和0.033eV.
其中，對a-Si(n)，取類施主缺陷態密度為1×1020cm-3，高斯峰峰值能量(離價帶頂的能量)為0.44eV，峰值半寬為0.21eV，取類受主缺陷態密度為5×1020cm-3，高斯峰峰值能量為0.63eV，峰值半寬為0.25eV;對a-Si(i)，其缺陷太較低時對異質界面具有良好的鈍化作用，故取類施主缺陷態密度為1×1016cm-3，高斯峰峰值能量為0.89eV，峰值半寬為0.144eV，類受主缺陷態密度為1×1016cm-3，高斯峰峰值能量為1.08eV，峰值半寬為0.134eV.
對pm-Si(p+)，取類施主缺陷態密度為1×1019cm-3，高斯峰峰值能量為1.15eV，峰值半寬為0.24eV，類受主缺陷態密度為1×1020cm-3，高斯峰峰值能量為1.15eV，峰值半寬為0.24eV[4];忽略界面態在模擬過程中的影響，取理想情況，AM1.5，0.1W/cm3，并假定太陽電池表面的反射率為0.1，背面發射率為1.
2模擬結果分析與討論
2.1不同結構太陽能電池
各項參數對比中，雙面HIT太陽能電池的輸出參數最高，尤其是開路電壓和轉化效率，開路電壓提高了將近150mV，轉化效率提高了近9%[5].所以，相對于n-p結構和HIT結構，雙面HIT結構的太陽能轉化效率更高，電池電池性能更好。雙面HIT結構的太陽能電池，電壓電流與橫縱坐標所圍成的面積最大，效率最高。
2.2發射層對電池性能影響
隨著厚度的增加，電池各個參數降低。對于np結構，高摻雜帶來的缺陷與載流子的復合幾率隨著發射層厚度的增加的增大，致使到達空間電荷的載流子數量減少，載流子收集幾率降低;并且發射層厚度增加變相的增加了電池的串聯電阻[6]。所以造成了短路電流降低，填充因子，電池的轉化效率下降。綜上，發射層的厚度應該保持在3nm～5nm.
可以看出發射層摻雜濃度在1018cm-3之前，各項參數隨著摻雜濃度的增加而提高，之后電池各參數基本不變。內建電勢雖然由于重摻雜濃度提高而增大，但同時，造成了暗電流的增加，缺陷態也大量增加[7]。所以之后的電池各項參數會達到一種平衡保持不變。
2.3本征層對電池性能影響
開路電壓保持不變外，電池的轉化效率、填充因子和短路電流都在隨著本征層厚度的增加而逐漸降低。這是因為過厚的本征層會造成電場強度下降，從而載流子穿過結區受到影響，短路電流填充因子和轉化效率降低了。本征層其厚度不能過厚，造成材料的浪費增加成本[8]。綜合到現在的技術，本征層厚度控制在3nm最佳。
2.4背場對電池性能影響
有了背場背場的I-V曲線與坐標軸的面積更大，即電池總功率增大。增加了背場電池的轉化效率提升了將近8.5%.增加背場能夠提高電池性能主要原因是背場的增加形成了背電場，背電場的方向與內建電場的方向相同，從而提高了開路電壓Voc.因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高[5]。
2.4.1薄膜硅背場帶隙對太陽電池影響
對于不同的帶隙材料，我們很難把其所有的光電參數精準的給出來。所以選擇特定的集中作為實驗參數，選擇帶隙Eg的變化范圍在1.2～1.8eV，盡可能覆蓋從微晶硅到非晶硅等各種形態的薄膜硅材料[9]。在同一種背場帶隙下(以1.6eV為例)，電池的填充因子逐漸提高隨著摻雜濃度的提高。在一定的摻雜濃度下(1018cm-3)，隨著背場帶隙的增加，填充因子也逐漸增大。而背場帶隙在高濃度摻雜時對填充因子的影響很小。
在同一種背場帶隙下(以1.6eV為例)，隨著摻雜濃度的提高，電池的轉化效率逐漸提高。在一定的摻雜濃度下(1018cm-3)，隨著背場帶隙的增加，轉化效率也逐漸增大。當摻雜濃度NB≥19cm-3時，背場帶隙1.6eV，1.74eV和1.8eV的電池轉化效率達到28.5%.而帶隙為1.4eV和1.3eV要在1×1021cm-3和1×1023cm-3才能達到。從上可知，之所以不能選擇窄帶隙薄膜硅材料作為電池背場，是因為窄帶隙薄膜硅材料做為背場要達到最佳背場效果要很高的摻雜濃度。
3結論
采用AFORS-HET模擬軟件對雙面HIT結構的太陽電池的不同結構，發射層，本征層，背場進行數值模擬與優化。結果表明:雙面HIT太陽能電池的性能最高。發射層的厚度應該在3～5nm，摻雜濃度在1018cm-3;本征層最佳厚度在3nm，且本征層能夠提高電池效率;背場對電池性能的提升有明顯作用，能大幅度提升電池的效率，背場摻雜濃度NB≥1×1019cm-3帶隙在1.6～1.8eV范圍內時的材料比較適合作為電池的背場。雙面HIT太陽能電池的轉化效率理論可以到29.17%，具有很高的應用前景和研究意義很高[11]。
參考文獻：
[1]程雪梅，孟凡英，汪建強，等.p型晶體硅異質結太陽電池光電特性模擬研究[J].太陽能學報，2012，33(9):1474-1479.
[2]朱美芳，張群芳，劉豐珍，等.高效薄膜硅/晶體硅異質結電池的研究[J].太陽能，2006，4:4041.
[3]李海玲，周春蘭，趙雷.異質結太陽電池薄膜硅背場的模擬優化[J].物理學報，2008，57(5):3212-3215.
[4]胡志華，刁宏偉，廖顯伯，等.非晶硅太陽電池光照模擬[J].物理學報，2005，54(5):2302-2305.
[5]楊德仁.太陽電池材料[M].北京:化學工業出版社，2006.
能源方向刊物推薦：《太陽能學報》(月刊)創刊于1980年，由中國科協主管，中國太陽能學會主辦，北京市太陽能研究所承辦，自創刊以來為我國新能源領域的學術交流、人才培養及促進科研成果產業化等方面做出了貢獻。
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