a-Si：H/c-Si异质结界面特性的理论研究

论文摘要

a-Si:H/c-Si异质结太阳电池结合了薄膜硅的工艺优势与晶体硅电池的优点,具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。影响a-Si:H/c-Si异质结性能的两个关键界面参数是能带补偿和界面态。通过积分光态开路条件下c-Si耗尽区的电子电流密度方程,推导a-Si:H/c-Si异质结太阳电池开路电压的表达式。当界面态Dit很小时,界面有效复合速度Sp（Sn）很小,界面态的影响可忽略;当Dit较大时,Dit的增大导致Sp（Sn）增大,c-Si中的非平衡载流子浓度减小,因此开路电压VOC减小,填充因子FF下降,转换效率下降。当界面态很小时,（p） a-Si:H/（n） c-Si异质结（Pn）太阳电池具有更高的VOC与转化效率;但Pn太阳电池的光态I-V特性对界面态更敏感。当Dit增大时,背场效果下降。高质量的a-Si:H本征钝化层还具有阻碍c-Si中光生多子反扩散到反射极中进行复合的作用,提高短路电流。推导扩散电容CD的表达式,CD表征界面态是基于界面态作为复合中心减小c-Si中的非平衡载流子浓度而使CD随着Dit增大而减小。CD随着Dit的减小而增大直致1010cm-2eV-1,因而CD对Dit的表征可敏感到1010cm-2eV-1数量级。因此,通过扩散电容的测量可以得出a-Si:H/c-Si异质结的界面态。价带补偿影响Sp（Sn）和载流子输运而影响a-Si:H/c-Si异质结的光态I-V特性。在界面态不可忽略、ΔEV≤0.5 eV时,界面态对（p） a-Si:H/（n） c-Si异质结光态I-V特性的影响随着价带补偿的增大逐渐被消除,因而适当的能带补偿可改善a-Si:H/c-Si异质结的光态I-V特性。窗口层禁带宽度Eg2不同,硅异质结太阳电池的光态I-V特性不同。短路电流随着Eg2增大而略有增大。由于Eg2是通过能带补偿的作用而影响硅异质结太阳电池的VOC与FF,随着Eg2的增大,Sn减小,VOC增大。在Eg2 < 1.9 eV时,载流子输运未受到界面势垒的限制,FF随着Eg2的增大而增大;在Eg2≥1.9 eV时,载流子输运受到界面势垒的限制,FF减小,转换效率下降。硅异质结的光态I-V特性在Eg2 = 1.7-1.8 eV时最佳,对应为a-Si:H。在低温工作、a-Si:H层低掺杂、高价带补偿以及高界面态时,载流子输运受到界面势垒的限制,c-Si界面及耗尽区的复合速率显著增大,光电流的损失显著增大,（p） a-Si:H/（n） c-Si异质结太阳电池的光态J-V曲线表现为S-Shape现象。由于价带补偿势垒的限制,P型c-Si衬底的非晶硅的背场效果不佳。通过模拟分析发现,p型c-Si衬底的背场薄膜硅带隙为1.6 eV时背场效果最佳,对应为微晶硅材料。由于界面强反型层或不可忽略的界面态的存在,由电容-电压法来确定能带补偿可能导致误差。当界面态很小时,通过推导高频下包含强反型层的电容表达式,得到表观内建电势Vint的修正表达式。误差与界面电子浓度有关,在ΔEC > 0.05 eV时界面强反型层的影响会导致明显的误差,尤其在ΔEC较大时,而且误差随着ΔEC的增大而增大。通过对Vint的修正可以更精确地确定能带补偿。当Dit较小时,根据Vint的修正式计算得到a-Si:H与c-Si间的导带补偿ΔEC = 0.19 eV。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 a-Si:H/c-Si 异质结特性的国内外研究现状
• 1.3 论文结构的安排
• 第二章 界面态对a-Si:H/c-Si 异质结性能的影响
• 2.1 界面态对光态a-Si:H/（p） c-Si 异质结性能的影响
• 2.1.1 界面态对a-Si:H/（p） c-Si 异质结光态I-V 特性的影响
• 2.1.2 界面态对不同c-Si 衬底的a-Si:H/c-Si 异质结光态I-V 特性的影响
• 2.1.3 界面态对背场效果的影响
• 2.2 界面缺陷的本征a-Si:H 层钝化
• 2.2.1 本征a-Si:H 层的作用
• 2.2.2 本征层厚度对a-Si:H/c-Si 异质结性能的影响
• 2.3 小结
• 第三章 基于扩散电容法的a-Si:H/c-Si 异质结界面态的表征
• 3.1 扩散电容表达式的理论推导
• 3.2 扩散电容表征界面态
• 3.3 a-Si:H/c-Si 异质结参数对扩散电容的影响
• 3.4 小结
• 第四章 能带补偿对a-Si:H/c-Si 异质结性能的影响
• 4.1 能带补偿对a-Si:H/c-Si 异质结光态I-V 特性的影响
• 4.2 禁带宽度对硅异质结光态I-V 特性的影响
• 4.3 能带补偿对载流子输运的影响
• 4.3.1 能带补偿对光态J-V 曲线的影响
• 4.3.2 能带补偿对非晶硅背场效果的影响
• 4.4 小结
• 第五章 界面特性对C-V 法表征a-Si:H/c-Si 异质结能带补偿的影响
• 5.1 界面态对表观内建电势的影响
• 5.2 界面强反型层对表观内建电势的影响
• 5.2.1 理论模型
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 a-Si:H/c-Si 异质结能带补偿的计算
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件