文摘

太阳能电池的转换效率可以大大提高改善材料性能和相关的设计。首先,本研究采用了AMPS-1D(微电子和光子结构分析)模拟技术来设计和优化晶胞参数制造之前,优化设计参数验证。基于氢化非晶硅太阳能电池的单结(晶硅:H),分析了AMPS-1D模拟器。调查了基于重要的模型参数如厚度、掺杂浓度,能带和操作温度等等。单结晶硅的效率:H可以实现高达19%以上在仿真参数优化后,与目前技术这似乎是不现实的。因此,数字设计和优化a-SiC: H / a-SiC: H-buffer /硅:H /硅:H捏造了太阳能电池用PECVD (plasma-enhanced化学气相沉积),"的最佳初始转换效率已经达到10.02% (V,马/厘米²和细胞(0.086厘米)的一个小区域²)。量子效率(QE)特征显示了细胞更好的光谱响应波长400 nm - 650 nm),这证明了它是一个潜在的候选人中间细胞a-Si-based多结结构。

1。介绍

太阳能光伏电池的性能取决于其设计、材料特性、制造工艺。光伏(PV)的研究人员现在改善细胞在一段时间,虽然整个过程是相当复杂的,昂贵和费时。数值模拟是太阳能电池研究最好的方法,这有助于找到一个优化结构具有良好的拟合参数。由于制造的复杂性、成本和时间显著减少。数值建模与仿真的主要目标在太阳能电池的研究正在测试的有效性提出了物理结构、几何结构对电池性能,实验结果和拟合建模输出。数值模拟已经成为不可或缺的工具,设计一个高效的太阳能电池。数值模拟正越来越多地用于获得洞察薄膜太阳能电池的物理操作的细节。多年来,几个薄膜光伏设备的具体建模工具开发。许多这些工具已经达到成熟状态,可用PV社区。发展的驱动力是复杂结构的薄膜光伏设备。 The internal optical and electronic operation of these cells is not possible if there is a lack of precise modeling. Numerical modeling is necessary for the realistic description of thin-film PV devices. On the other hand, analytic models have been used to improve understanding of the operation of the cells and to provide a proper guidance for their design since the earliest time of modern solar cells. The analytical descriptions are possible only under certain assumptions and simplifications.

晶硅氢化非晶硅(以下:H)薄膜是一个很好的光电材料太阳能电池应用的候选人,因为它具有较高的光吸收系数(> 10⁵厘米⁻¹)、可调隙和低温沉积能力。光学带隙1.7 eV靠近的能源预计太阳能转换效率高。晶硅的能带隙:H可调从1.6到1.8 eV。氢化非晶硅的转换效率(晶硅:H)结果薄膜太阳能电池已逐渐从2.4%提高1)到10.1% (2]。氢化非晶硅(硅:H)太阳能电池进展从第一肖特基器件的发明由卡尔森和Wronski[2.4%的效率1)和Kabir et al。3]。然而,第一个伟大的突破与非晶硅的增长来自硅烷(硅₄)等离子体Chittick et al。4]。第二个重大突破是磷化氢置换兴奋剂(PH值₃)或乙硼烷(B₂H₆)n型和p型材料的等离子体在增长5]。这些杰出的晶硅的性质:H作为非晶态半导体产生巨大的利益和全球开始大量研究工作6]。材料质量、设备结构和沉积技术是非常重要的对于提高太阳能电池效率(3]。有几种制备方法如PECVD(射频、甚高频和微波),"热线CVD,照片CVD,溅射,ECR CVD, PBD下游已经申请提高电池性能(3,7]。PECVD是"在这些方法中,最成功的方法制造硅:H用于制造太阳能电池,结果:晶硅太阳能电池。

太阳能电池的效率是其开路电压的合成结果(),短路电流(),填充因数(FF)。提高太阳能电池的效率,有必要升级上述参数。为了提高晶硅的设备性能:H太阳能电池,应主要强调高短路电流()通过开发光捕获方案(8),另一个是提高通过应用新设备设计技术与不同的晶硅合金。引入了一个新的装置结构通过使用氢化微晶硅(μ同单晶硅:H)作为太阳能电池的活性层IMT集团于1994年在瑞士纽夏特大学(9]。他们实现了最初的效率为4.6%μ同单晶硅:H p i n结果太阳能电池几乎没有光致退化。同时,他们发明了所谓的“micromorph”晶硅/μ同单晶硅太阳能电池串联的概念,实现了12%的稳定效率(10]。推进光捕获system-intermediate反射器micromorph太阳能电池减少约1.64%的光致退化(11]。齐藤et al。(2005)提出了晶硅:H /μ同单晶硅:H /μ同单晶硅:H了三结太阳电池的初始效率13.1%,光致退化(约7.2%12]。许多其他被几个研究小组尝试改善,如应用宽禁带窗口层(a-SiC: H,μc-SiO: H,实际:H等)在晶硅太阳能电池和插入缓冲层在我和i / p / n接口(13,14]。a-SiC的结构:H / a-SiC: H-buffer /硅:H /硅:H结果非晶硅薄膜太阳能电池模型进行设计和优化,最后制作根据最好的设计实现了数值模拟来验证它。

2。设计和优化

氢化非晶硅薄膜太阳能电池(晶硅:H)结果探索优化的模型设计和分析结构较高的稳定效率利用微电子和光子结构分析(AMPS-1D)设备模拟器15在图所示1。太阳能电池的转换效率,可以显著提高和改善材料的属性和随后的设计和结构单元。一种内在的吸收层(晶硅:H)是封闭的p型(a-SiC: H)和n型掺杂层(晶硅:H)。p-layer功能窗口层的光通过它进入。光子吸收的光伏材料创建一个电子空穴对。整个光伏电场诱导的p层和n层导致电子漂移对向p-layer n-layer和漏洞。掺杂层,电触点和收集的电荷载体是导致太阳能电池的输出功率。在设备建模、宽禁带a-SiC: H作为p型窗口层减少吸收损失。此外,也会增加其广泛的能带。众所周知,p-layer敏感和p / i接口。的光学吸收p-layer限制,广泛的光学材料的差距总是期望的改善(16]。p型分级a-SiC: H缓冲层被用来减轻p / i界面效果有很大的影响(17]。采用的设计参数已经从一些标准的引用(AMPS-1D)调查效率的变化,,与厚度的变化,FF,能带,p层和n层的掺杂浓度,在操作温度和效率的依赖。不同的材料参数的值送入AMPS-1D如表所示1和2。

前面的TCO (SnO₂:F)已经申请减少反射损失。氧化锌的作用:B与金属接触(Ag) / Al)被用来减少传输损耗通过接触。前后TCO层应该有低电电阻、高的光学透射系数在可见光波长范围。银插入作为其低电阻率(回来联系通过所有层)来减少反射损失。增加低电阻()、高的光学透明氧化锌:B层应用n-layer和Ag)之间透明的联系。然而,氧化锌/ Ag)有能力克服晶硅和金属接触之间的附着力问题[18]。

2.1。晶硅的性能分析:H太阳能电池

a-Si-based太阳能电池、光伏材料厚度优化的一个基本因素影响材料成本的降低,提高收集效率。多结太阳能电池利用太阳光谱有效地与薄层吸收器在不同组件细胞和复合代损失最小化。因此,多结太阳能电池有很好的对改善输出电压的影响(19]。电子和空穴掺杂层中产生的光电流通常不会导致他们的生活时间短。在p i n结果太阳能电池,p-layer应该尽可能薄允许最大光进入下面的层。找到最优结构、光伏材料厚度变化从100年到1300海里,和19.62%的最高效率获得了500海里的我层厚度如图所示2。前面工作中观察到的类似的结果是(20.]。在这部作品中,优化固有层厚度(500海里)与其他发现- 700 nm(相比明显减少19),600海里(21),和840海里22),分别。FF和与光伏材料厚度的增加逐渐下降。大幅下降随着光伏材料厚度的增加可能与缺陷密度的增加相关。更高的缺陷密度影响电场和载流子收集,最终屈服在贫穷(23]。这在减少可能避免与宽禁带缓冲层的引入,从而降低分流电阻,防止泄漏电流通过p /我/ n接口和接口(24]。单调增加到800海里,然后它浸透。

2.2。晶硅的优化:H吸收层隙

入射光的能量逐渐随吸收体厚度的增加而减小。高精力充沛的光子将在顶部吸收器吸收层。因此,能带可以逐渐减少连续吸收层多接点配置。优化晶硅的能带隙:H结果太阳能电池的中间细胞三联点配置,能带变化从1.65到1.95 eV。图3代表了效率的变化与晶硅的能带隙的变化:H层。最优能带已经观察到1.75 eV对应于19.62%的最大效率。1.7电动汽车的固有吸收层最佳能带25)和1.75 eV (26)被用于细胞的micromorph晶硅:H /μ同单晶硅:H太阳能电池配置和结果晶硅太阳能电池,分别。

2.3。操作温度对电池性能的影响

太阳能电池性能一般随着温度增加而减小,主要是由于内部载流子复合率增加,造成载体浓度增加。其他性能参数,如开路电压(),短路电流()和填充因子(FF)也依赖于温度的。,FF与温度和减少略有增加,。减少的速率与温度控制的能带隙能量(),分流电阻(),它的变化率。最终温度效应太阳能电池效率降低。这个一般的温度依赖性的太阳能电池由不同的研究小组研究了(27- - - - - -29日),但光致退化效应的非晶硅(硅:H)已经观察到Staebler和Wronski30.)导致效率降低细胞随着曝光量的增加,还有它对非晶硅太阳能电池是一个关键问题。所以有必要研究非晶硅太阳能电池的稳定效率为实际操作部分但在理论研究中温度系数是唯一衡量预测稳定细胞的效率。图4模拟结果表明的温度系数非晶硅太阳能电池−0.23% /°C将更好地为实际操作效率的稳定。

3所示。优化晶硅的制造:H结果薄膜太阳能电池

设计和优化a-SiC: H / a-SiC: H-buffer /硅:H /硅:H结果薄膜太阳能电池制造了高效利用PECVD。"p i n的非晶硅太阳能电池面积0.086厘米²捏造的SnO呢₂F:镀膜玻璃基板(Asahi u形玻璃)。装配式结构的细胞是玻璃/ SnO₂:F / p-a-SiC: H(18海里)/ p-graded-buffer(2海里)/ i-a-Si: H(500海里)/ n-a-Si: H (20 nm) /氧化锌:B(70海里)/ Ag(60海里)/ Al(200海里),如图所示1。沉积序列从TCO SnO前面₂:F朝日u形玻璃、商用市场。掺杂层(p层和n层)使用13.65 MHz RF-PECVD沉积。hydrogen-diluted低硼(B)分级能带p-a-SiC: H (LD-graded p-a-SiC: H)是由突然中断的质量流量控制器B, B₂H₆在沉积p-a-SiC: H与RF-PECVD窗口层。内在晶硅:H电影已经准备使用平行板电容耦合VHF-PECVD系统的衬底温度约200°C。的plasma-excitation频率系统已经设定在60 MHz。MMS流率4 sccm,而H₂流量从45到140 sccm可以改变。氧化锌:B使用金属沉积技术。当晶硅:H层沉积已经完成,样品也已经PECVD。"和最后接触Ag / Al已经完成了热蒸发。表3和4显示各层沉积参数。在这个过程中,十个结果晶硅:H太阳能电池被捏造的,结果提出了表5。

3.1。太阳能电池性能的优化结构

光和黑暗- - - - - -特征的制造太阳能电池以25°C下1-sun (1.5, 100 mW /厘米²太阳能模拟器,如图)5。在细胞的十大系列,最好的初始转换效率10.02%被发现V,马/厘米²,细胞面积0.086厘米²。这个最初的效率是最高的记录结果的日期结果晶硅太阳能电池。其他记录最高的初始效率10.1% (2),9.99% (31日),9.3% (32由不同的研究小组已经发现。然而,在这种情况下,验证优化设计的数值分析在某种程度上是正确的。

p i n的量子效率(QE)测量结果晶硅:H太阳能电池已经完成评估光谱响应如图6。量化宽松曲线表明,该细胞具有良好的光谱响应的波长范围400 nm - 650 nm和收益率AM1.5G集成电流密度15.6 mA /厘米²在从300纳米到800纳米波长区域,这也促进了这是一个好的候选人中间细胞三结结构。

4所示。结论

的结果晶硅:H太阳能电池设计数值最后的调查设计验证效率更高。最好的效率数值设计晶硅:H太阳能电池光伏材料厚度的19.62%后500海里优化细胞参数。晶硅的温度梯度:H一直观察−0.23% /°C。最优晶硅的能带隙:H被发现是1.75 eV。设计和优化a-SiC: H / a-SiC: H-buffer /硅:H /硅:H结果薄膜太阳能电池制造了PECVD。"在一系列十结果晶硅:H细胞,最好的细胞有一个初始10.02%的效率,马/厘米²,(面积0.086厘米²)。这个最初的效率是最高的记录结果的日期结果晶硅太阳能电池。量化宽松曲线表明,该电池具有良好的光谱响应的波长范围400 nm - 650 nm)这意味着它是一个很好的候选人作为中间组件细胞三结结构。总之,数值的概念设计实践之前制造具有验证在很大程度上实现更高的效率。

确认

这项工作已被支持的部门的电气、电子系统工程和太阳能研究所(Institute), UKM,马来西亚,通过研究资助UKM - gup井下电视- 07 - 29 - 184。作者也会欣赏Makoto Konagai教授的合作实验室的东京理工学院、日本。