AFOR-HET非晶硅/晶硅异质结太阳能电池的仿真设计研究(2)
针对太阳能电池中的背面场 BSF 层，邸明东等人指出使用μc-Si:H 微晶硅能够得到比晶体硅 c-Si:H 更高的开路电压和填充因子，从而提升电池的效率[14]。电池的工作环境对电池的转换效率也有较大的影响，随着工作环境温度的增加，微晶硅背场对应的最佳带隙发生右移的现象[15]。此外，研究人员也针对电池的制备工艺做了进一步研究，利用全面积激光掺杂来制造无缺陷 PN 结、利用脉冲退火和微波加热消除界面缺陷等[16-17]。除了这些应用性研究，电池内部的界面重组机制、能带结构、钝化效果等理论研究也得到了一部分研究人员的青睐[18-21]。本文将采用德国的 AFORS-HET 异质结模拟软件分别模拟 P 型、N 型衬底 HIT 太阳能电池和带有 BSF 层的 N 型衬底 HIT 太阳能电池，分别研究发射层、本征层、衬底层、BSF 层对电池性能的影响，从而为高效异质结太阳能电池的研究提供理论数据。 2 工作原理及物理模型 2.1 太阳能电池工作基理 当两种半导体或者半导体/金属相互接触形成势垒，此时在外界给与合适的光照，就能够激发载流子，并将其注入势垒形成光生电压的现象称作光生伏特效应。太阳能电池是将太阳能转换为电能的设备，其工作原理就是光生伏特效应。光电池最常见的结构类型就是 PN 结型，当光线照射PN结时，光线可以通过窗口层如射到 PN结，甚至到达衬底层。当入射的光子能量大于材料的禁带宽度时，材料便会吸收这种光子从而产生电子-空穴对。 在 P 区和 N 区产生的光电子和空穴并不会对多数载流子（N 区的电子，P 区的空穴）的产生太大的影响，甚至可以忽略不计，但是却会使少数载流子的浓度产生较大的变化。在PN结附近的光生少数载流子（N 区的空穴，P 区的电子），受到 PN 结内建电场的作用，使得空穴向 P 区移动，电子向N区移动。因此电子在N区积累，空穴在P 区积累，形成一个与内建电场方向相反的光生电场，从而在P 区和N区之间产生光生电势差。假如光照保持不变，积累过程便达到动态平衡状态，产生一个与光强相对应的稳定电势差，光照越强，光生电动势越大。经过这一过程PN结（太阳能电池）便完成了从光能（太阳能）到电能的转变[22]。
通常用来描述太阳能电池的性能参数有开路电压 Voc、短路电流 Jsc、填充因子 FF 和转换效率 Eff。当太阳能电池外界电路开路时，光生载流子积累在PN结两端，此时光生电压最大，称为开路电压 Voc；当外界电路短路时，外接电路的电流就是该电池的短路电流，方向由P 区到 N 区，记为 Jsc。在外界电路中连接负载 R，不断调整 R 的电阻大小来获得最大的功率，此时的功率称为最大输出功率 Pmax，用这个值除以电池的受光量便得到电池的转换效率Eff。而最大输出功率Pmax 与Voc*Jsc之比被称为填充因子（fill factor，FF） 。 本次模拟的软件选用德国的 AFORS-HET（自动模拟异质结构）软件，它是一种数值模拟工具，可以对异质结半导体器件进行建模和仿真。该软件解决了基于 Shockley-Read-Hall 重组统计的一文半导体方程：（1）热力学平衡；（2）外部施加的偏压/照度的稳态条件；（3）外部照明/偏置电压的微小的额外正弦扰动[23]。 2.2 电池物理模型 此次工作中，共研究了 P 型衬底，N 型衬底和具有 BSF 层的 N 型衬底三种 HIT 电池。当在 P 型晶体硅衬底层和沉淀于其上的 N 型非晶硅层之间插入一层本征 I层，便形成了第一种电池结构（图 2-2-1，Cell-A） 。当在 N 型晶体硅衬底层和沉淀于其上的 P 型非晶硅层之间插入一层本征 I 层，便形成了第二种电池结构（图 2-2-2，Cell-B） 。当在电池 B 的 N 型晶体硅衬底层背面沉积一层重掺杂的 N+型非晶硅，并在其间插入本征 I层，便形成了第三种电池结构（图2-2-3，Cell-C） 。第三种电池也被称作是双面 HIT电池。