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【摘要】本文运用太阳电池模拟软件AMPS-1D研究了非晶硅薄膜电池的p-i-n各层厚度对太阳能电池光电性能的影响。采用改变各层厚度，分析计算光电转换效率，找到了高效非晶硅薄膜电池p-i-n层厚度的最佳组合，研究得到的电池的转换效率可达9.281%。
【关键词】薄膜厚度；开路电压；短路电流；转换效率
引言
太阳能光电利用是近年来发展最快，最具有活力的研究领域，其中最受瞩目的是新型低成本高效太阳能电池的研制与开发。目前硅材料太阳能电池占有大部分光伏能源市场，相对比与高成本的晶体硅而言，非晶硅具有制作工艺简单、成本低、便于大面积沉积等优点，因而受到了普遍重视。非晶硅太阳能电池一般采用p-i-n三层设计，n层和p层很薄，其作用主要是提供内建电场，使电子和空穴有效的移动形成电流。i层很厚，它的作用是吸收光波产生的光生载流子，所以i层的厚度决定着光伏电池光电性质，i层通常是由本征态的a-Si：H组成，本文利用AMPS-1D数字模拟软件讨论了p-i-n各层薄膜厚度对转化效率的影响，找到了较高转化效率各层膜厚的最佳组合，使标准模拟的转化效率从7.324%提高到9.281%。
1、物理模型及参量设置
1.1 物理模型
AMPS-1D是采用态密度（DOS）和载流子寿命（life time）两种半导体电子模式进行器件结构模拟。本文的模拟是在DOS模式下进行的，在该模式下半导体的电子态包括价带、导带扩展带和价带、导带尾定域态以及隙间定域态，所以它可以从多方面来模拟反映出太阳能电池的各项性能参量的情况。
根据半导体器件的三个基本方程：泊松方程，电子连续性方程和空穴连续性方程，在设定适当的边界条件时就可以求解出器件的特性。泊松方程把材料体系中的自由载流子数目，受陷空穴和受陷电子数目，离化杂质数目等和静电场联系起来。泊松方程表示为
（1）其中，φ为器件中x点单位正电荷电势，n（x）为自由电子的浓度，p（x）为自由空穴浓度，为电离施主浓度，为电离受主浓度，分别为受陷空穴和电子浓度；运用数值计算出进而就得到了各特性参数。
1.2 参数设置
2、模拟结果分析
为了研究i层厚度对pin型非晶硅器件性能的影响，先将p层和n层的厚度分别固定为8nm和15nm，将i层从10nm增加到1000nm，模拟出了短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF和转化效率Eff随i层的变化情况，如图3到图6所示。
2.1 i层厚度与短路电流的关系分析
从（2）式可知，当i层比较薄时，光生载流子会随i层厚度的增加而增多，所以光生电流密度Jp也就随之增大，当反向饱和电流密度j0不变时，Jsc也将增大。如图4所示，当i层厚度在400nm—500nm之间时短路电流有峰值。而在400nm之前短路电流会随i层的增加而呈急剧上升趋势，在500nm之后i层厚度越大，短路电流就会缓慢的呈下降趋势。由于i层是光生载流子的产生层，所以短路电流的变化直接取决于i层的厚度。如果i层太薄会导致吸收的光生载流子的数量降低；如果i层太厚，虽然光生载流子的数量有了足够的保证，但是载流子的增多会使内建电场减小，这样就不能有效的收集载流子，短路电流下降。
2.2 i层厚度与开路电压之间的关系分析
模拟结果如图1所示，从模拟的结果绘制出的i层厚度与开路电压的关系不难看出，开路电压是随着i层厚度的增加先增加后减小。光生载流子会随着i层厚度的增加而增多，但是当i层厚度大于200nm之后会导致光生载流子的复合速率增加从而使开路电压持续降低。从（3）式中也不难看出VOC与In（Jsc）是正比关系，所以VOC和Jsc随i层厚度的变化趋势是一致的，这与图1、图2得到的结论是相同的。
2.3 i层厚度与填充因子的关系分析
如图5所示，图1与图4对比可以看出填充因子随i层的变化趋势与开路电压的变化趋势大体是一致的，这与公式4表示的结果是一样的。填充因子是反应太阳能电池质量好坏的重要参数，而填充因子的变化与电池的串联电阻是息息相关的。随着i层的厚度逐渐地增加，光生载流子的收集率降低，增加了电池的串联电阻，使填充因子骤然下降。
2.4 i层厚度与转换效率的关系分析
转换效率对于太阳能电池来说是最重要的参数，也是决定i层厚度的重要指标，由多方面参数决定。如图6可看出，转换效率随i层的增加先增加后减小，在i=200nm时得到了最佳的转换效率为8.428%。
2.5 n层、p层厚度与转换效率的关系分析
为了探究n层厚度变化对转换效率的影响，将p层设置为3nm，将i层设置为200nm，n层厚度从1nm到10nm间变化得到了对应的转换效率的值。如图5所示转换效率随n层厚度的增加先增大后减小，n层厚度的增加会导致吸收的光子数也将增加，而n层的吸收率对短路电流没有贡献；与此同时还增加了串联电阻，那么回路中的电流将减小，这将导致转换效率的降低。当n层厚度等于4nm时得到了电池的最佳转换效率为8.943%。为了研究p层厚度对转换效率的影响，将i层设置为200nm，n层设置为4nm，从图5中可以看出在p=3nm之前，转换效率随p层的增加而增加，在p=3nm之后转换效率随p的增加而呈下降趋势。p层作为接收层，p层厚度的增加会使p层电势增加，这会阻碍光生载流子的移动，增大了电子空穴对的复合率，得到的最优转换效率为8.94%。在调整了掺杂浓度为5×1021时，转换效率更达到了9.281%。
3、结论
对于非晶硅太阳能电池的光电转换效率，有很多的影响因素，比如掺杂浓度、载流子浓度、电子迁移率、禁带宽度、缺陷态密度、薄膜各层厚度等。本文运用AMPS模拟软件重点对p、i、n层厚对太阳电池光电性能各项因素的影响进行了对比分析，通过调整各层厚度，设计出转换效率可达9.281%的高效电池。模拟分析中得到i层的厚度对电池的性能影响最大，可对非晶硅薄膜太阳能电池的生产制备提供参考。
作者简介
李玲，（1989.1.21），性别：女，辽宁省沈阳市（籍贯），现职称：硕士研究生，学历：硕士，研究方向：太阳能电池。
基金项目
锦州市科技项目（12B1B14）
【关键词】薄膜厚度；开路电压；短路电流；转换效率
引言
太阳能光电利用是近年来发展最快，最具有活力的研究领域，其中最受瞩目的是新型低成本高效太阳能电池的研制与开发。目前硅材料太阳能电池占有大部分光伏能源市场，相对比与高成本的晶体硅而言，非晶硅具有制作工艺简单、成本低、便于大面积沉积等优点，因而受到了普遍重视。非晶硅太阳能电池一般采用p-i-n三层设计，n层和p层很薄，其作用主要是提供内建电场，使电子和空穴有效的移动形成电流。i层很厚，它的作用是吸收光波产生的光生载流子，所以i层的厚度决定着光伏电池光电性质，i层通常是由本征态的a-Si：H组成，本文利用AMPS-1D数字模拟软件讨论了p-i-n各层薄膜厚度对转化效率的影响，找到了较高转化效率各层膜厚的最佳组合，使标准模拟的转化效率从7.324%提高到9.281%。
1、物理模型及参量设置
1.1 物理模型
AMPS-1D是采用态密度（DOS）和载流子寿命（life time）两种半导体电子模式进行器件结构模拟。本文的模拟是在DOS模式下进行的，在该模式下半导体的电子态包括价带、导带扩展带和价带、导带尾定域态以及隙间定域态，所以它可以从多方面来模拟反映出太阳能电池的各项性能参量的情况。
根据半导体器件的三个基本方程：泊松方程，电子连续性方程和空穴连续性方程，在设定适当的边界条件时就可以求解出器件的特性。泊松方程把材料体系中的自由载流子数目，受陷空穴和受陷电子数目，离化杂质数目等和静电场联系起来。泊松方程表示为
（1）其中，φ为器件中x点单位正电荷电势，n（x）为自由电子的浓度，p（x）为自由空穴浓度，为电离施主浓度，为电离受主浓度，分别为受陷空穴和电子浓度；运用数值计算出进而就得到了各特性参数。
1.2 参数设置
2、模拟结果分析
为了研究i层厚度对pin型非晶硅器件性能的影响，先将p层和n层的厚度分别固定为8nm和15nm，将i层从10nm增加到1000nm，模拟出了短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF和转化效率Eff随i层的变化情况，如图3到图6所示。
2.1 i层厚度与短路电流的关系分析
从（2）式可知，当i层比较薄时，光生载流子会随i层厚度的增加而增多，所以光生电流密度Jp也就随之增大，当反向饱和电流密度j0不变时，Jsc也将增大。如图4所示，当i层厚度在400nm—500nm之间时短路电流有峰值。而在400nm之前短路电流会随i层的增加而呈急剧上升趋势，在500nm之后i层厚度越大，短路电流就会缓慢的呈下降趋势。由于i层是光生载流子的产生层，所以短路电流的变化直接取决于i层的厚度。如果i层太薄会导致吸收的光生载流子的数量降低；如果i层太厚，虽然光生载流子的数量有了足够的保证，但是载流子的增多会使内建电场减小，这样就不能有效的收集载流子，短路电流下降。
2.2 i层厚度与开路电压之间的关系分析
模拟结果如图1所示，从模拟的结果绘制出的i层厚度与开路电压的关系不难看出，开路电压是随着i层厚度的增加先增加后减小。光生载流子会随着i层厚度的增加而增多，但是当i层厚度大于200nm之后会导致光生载流子的复合速率增加从而使开路电压持续降低。从（3）式中也不难看出VOC与In（Jsc）是正比关系，所以VOC和Jsc随i层厚度的变化趋势是一致的，这与图1、图2得到的结论是相同的。
2.3 i层厚度与填充因子的关系分析
如图5所示，图1与图4对比可以看出填充因子随i层的变化趋势与开路电压的变化趋势大体是一致的，这与公式4表示的结果是一样的。填充因子是反应太阳能电池质量好坏的重要参数，而填充因子的变化与电池的串联电阻是息息相关的。随着i层的厚度逐渐地增加，光生载流子的收集率降低，增加了电池的串联电阻，使填充因子骤然下降。
2.4 i层厚度与转换效率的关系分析
转换效率对于太阳能电池来说是最重要的参数，也是决定i层厚度的重要指标，由多方面参数决定。如图6可看出，转换效率随i层的增加先增加后减小，在i=200nm时得到了最佳的转换效率为8.428%。
2.5 n层、p层厚度与转换效率的关系分析
为了探究n层厚度变化对转换效率的影响，将p层设置为3nm，将i层设置为200nm，n层厚度从1nm到10nm间变化得到了对应的转换效率的值。如图5所示转换效率随n层厚度的增加先增大后减小，n层厚度的增加会导致吸收的光子数也将增加，而n层的吸收率对短路电流没有贡献；与此同时还增加了串联电阻，那么回路中的电流将减小，这将导致转换效率的降低。当n层厚度等于4nm时得到了电池的最佳转换效率为8.943%。为了研究p层厚度对转换效率的影响，将i层设置为200nm，n层设置为4nm，从图5中可以看出在p=3nm之前，转换效率随p层的增加而增加，在p=3nm之后转换效率随p的增加而呈下降趋势。p层作为接收层，p层厚度的增加会使p层电势增加，这会阻碍光生载流子的移动，增大了电子空穴对的复合率，得到的最优转换效率为8.94%。在调整了掺杂浓度为5×1021时，转换效率更达到了9.281%。
3、结论
对于非晶硅太阳能电池的光电转换效率，有很多的影响因素，比如掺杂浓度、载流子浓度、电子迁移率、禁带宽度、缺陷态密度、薄膜各层厚度等。本文运用AMPS模拟软件重点对p、i、n层厚对太阳电池光电性能各项因素的影响进行了对比分析，通过调整各层厚度，设计出转换效率可达9.281%的高效电池。模拟分析中得到i层的厚度对电池的性能影响最大，可对非晶硅薄膜太阳能电池的生产制备提供参考。
作者简介
李玲，（1989.1.21），性别：女，辽宁省沈阳市（籍贯），现职称：硕士研究生，学历：硕士，研究方向：太阳能电池。
基金项目
锦州市科技项目（12B1B14）