硅基量子结构材料及在HIT太阳电池中的模拟研究_论文简报终稿by张晓宇-solarbe文库

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硅基量子结构材料及在 HIT 太阳电池中的模拟研究张晓宇张丽平刘正新中科院上海微系统与信息技术研究所1. 研究背景与内容薄膜晶体硅异质结 HIT 太阳电池因其开路电压高、晶硅可薄性化、制备工艺温度低和高温输出特性良好等特点，有望替代传统晶硅太阳能电池 [1] 。当前对 HIT 的研究主要集中于异质结界面的研究与优化以及光吸收的增强 [2] 。量子点（ QDs）结构具有低维量子尺寸限制效应，利用该结构可以有效增加电池对低能光子的利用率 [3] 。本课题基于 HIT 太阳电池，主要研究低维材料的结构、特性及载流子输运的物理机制，以期实现低界面复合和高光吸收的 HIT 太阳电池。本文研究内容主要有（ 1）理论分析硅 /锗（ Si/Ge）量子点结构量子尺寸效应对能带的影响及载流子隧穿机制；（ 2）设计 QDs-HIT 太阳电池的结构并优化其性能，分析量子点结构的引入对 HIT 太阳电池性能的影响。2. 研究结果与讨论2.1 Si/Ge QDs 物理特性图 1 Si/Ge QDs 阵列在不同量子尺寸下的（ a）能带结构（ b）周期性势垒及波函数分布和（ c）隧穿概率图 1（ a）所示为通过 Kronig – Penny 模型计算并利用 matlab 编程得到的 Si/Ge QDs 尺寸为6.5 nm、间隔为 1.5 nm 能带结构，从中可看出对于不同的波矢取向，能级存在着不同程度的劈裂。进一步分析可知，对于一定的量子点尺度，当其间距大于 4 nm 时，能级近似不变；而随着间距的进一步减小，量子点能级迅速增加，因此量子点间距小于 4nm 时， Si/Ge QDs 能带可调。图 1（ b）和（ c）所示分别为尺寸 5 nm、间距 2 nm 量子点的周期性势垒，波函数分布以及隧穿概率分布。由图可知，对于较小的量子间距，其波函数非局域化，即载流子可以隧穿穿过势垒，有利于中间带结构的形成，从而方便低能光子通过中间带 -导带、价带 -中间带的载流子传输而被吸收；而量子间距较大（ 20 nm ）时，波函数完全局域化，载流子无法穿过势垒。在图 1c中也可以发现有限周期势垒结构导致的载流子波函数分布不均匀性。2.2 量子点结构在 HIT 太阳电池中的应用图 2（ a）所示为 11 层锗厚度 1 nm 、硅厚度 5 nm 的量子点结构置于晶体硅前侧构成 HIT 太阳电池的结构示意图。通过 silvaco 软件求解泊松 -薛定谔方程并计入量子效应的影响，可以得到QDs-HIT 太阳电池的电学性能。如图 2（ b）所示为理想情况下前、后侧量子点电池外量子效率随量子点层数的变化。将量子点结构置于晶体硅受光面时，由于晶体硅中的载流子重新分布，在短波和可见光波段外量子效率有一定的波动，而长波段则由于量子点的引入而增加其光子利用率；将量子点结构置于晶体硅背光侧则只是改变了背光侧空穴的生成率，并没有对大范围的载流子分布产生影响。理想情况下， 11 层量子点结构在晶体硅受光侧的引入将使短路电流从 34.3 mA/cm 2提升到 35.6mA/cm 2，从而大大增强其电学性能。图 2（ a）前侧 QDs-HIT 电池结构，（ b）理想情况下前、后侧量子点电池外量子效率随 QDs层数的变化，（ c） QDs-HIT 电池电学性能随 QDs 中载流子寿命的变化然而，量子点中载流子的复合对电池的开路电压等性能具有较大的影响。如图 2（ c）所示为 QDs-HIT 电池光电性能随量子点载流子寿命的变化。一方面， QDs 中较高的复合速率会导致开路电压的迅速衰减；另一方面，背光侧量子点结构会使晶体硅中的少子空穴大量进入量子点复合，导致短路电流大大降低，故量子点结构在背光侧的引入不能提升短路电流。实际情况下，由于工艺条件的不可控， Si/Ge 量子点的价带存在显著的关联态，载流子寿命接近 1μ s[4] ，故量子点的引入将导致开路电压降低。2.3 界面缺陷对量子点电池的影响氢化非晶硅钝化层和晶体硅（ a-SiH/c-Si ）的界面缺陷对 HIT 太阳电池以及相关量子点电池的光电性能都具有较大影响。图 3（ a）所示为 HIT 太阳电池能带结构及界面复合机制，界面处的空穴将俘获晶体硅一侧的多数载流子电子，进而与非晶硅一侧的多子空穴复合，从而降低费米能级间距与开路电压。图 3（ b）所示为 HIT 以及具有不同载流子寿命的受光侧 QDs-HIT 太阳电池光电性能随界面缺陷密度的变化。相对 HIT 而言，受光侧量子点电池开路电压对界面缺陷更为敏感，主要原因是载流子的重分布使晶体硅靠近 a-SiH/c-Si 界面处电子大量聚集。图 3（ a） HIT 太阳电池能带结构及界面复合机制，（ b） HIT 、不同载流子寿命前侧量子点电池光电性能随界面缺陷密度的变化3. 结论本文利用理论分析，得到了 Si/Ge 量子点结构的能带、以及量子点阵列的隧穿性能；利用silvaco 仿真软件对含量子点的 HIT 电池进行模拟，结果显示前侧量子点电池可以有效增加短路电流，而由于量子点体内、 a-SiH/c-Si 界面的高复合率，开路电压显著下降。高质量的非晶硅表面钝化可以有效降低界面缺陷态，有助于维持引入 QDs 至受光面 HIT 太阳电池的开路电压。参考文献[1]Taguchi, M., Yano, A., Tohoda, S., Matsuyama, K., Nakamura, Y., Nishiwaki, T., Fujita, K., Maruyama, E., 2014, Ieee Journal of Photovoltaics 4 1, 96-99. [2]Wen, X.X., Zeng, X.B., Liao, W.G., Lei, Q.S., Yin, S., 2013, Solar Energy 96, 168-176. [3]Tawancy, H.M., 2012, Journal of Materials Science 47 1, 93-99. [4]Fukatsu, S., Sunamura, H., Shiraki, Y., Komiyama, S., 1997, Applied Physics Letters 71 2, 258-260.