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1、多 晶 硅 太 阳 电 池 的 表 面 和 界 面 复 合 X陈 庭 金(云 南 师 范 大 学 太 阳 能 研 究 所 , 云 南 省 农 村 能 源 工 程 重 点 实 验 室 , 昆 明 650092)刘 祖 明 涂 洁 磊(四 川 大 学 物 理 系 , 国 家 教 育 部 辐 射 物 理 和 技 术 开 放 实 验 室 , 成 都 610064)文 摘 : 根 据 晶 格 的 周 期 性 排 列 中 断 而 在 边 界 产 生 悬 挂 键 理 论 , 分 析 了 多 晶 硅 太 阳 电 池 的 表 面 和界 面 复 合 问 题 , 指 出 对 表 面 和 界 面 进 行 钝 化 和
2、建 立 合 适 的 表 面 和 界 面 场 是 降 低 表 面 和 界 面 对 光 生少 数 载 流 子 的 复 合 速 度 , 从 而 降 低 表 面 和 界 面 复 合 电 流 , 提 高 光 电 流 输 出 的 重 要 方 法 。关 键 词 : 多 晶 硅 , 太 阳 电 池 , 表 面 和 界 面 复 合0 引 言多 晶 硅 太 阳 电 池 是 目 前 世 界 上 大 规 模 生 产 发 展 最 快 的 太 阳 电 池 1 , 其 表 面 和 晶 粒 边 界 的图 1 柱 状 晶 粒 多 晶 n+ p 结 太 阳电 池 结 构 示 意 图存 在 会 影 响 太 阳 电 池 的 性 能
3、, 降 低 光 生 少 子 在 表 面 和界 面 的 复 合 是 提 高 该 太 阳 电 池 性 能 的 关 键 之 一 。多 晶 半 导 体 的 表 面 和 晶 粒 边 界 , 由 于 晶 体 周 期 性排 列 中 断 而 在 边 界 产 生 悬 挂 键 , 从 而 在 晶 体 能 隙 中 产生 表 面 态 和 界 面 态 2 。 另 外 在 多 晶 体 制 备 中 , 由 于 晶 界内 的 杂 质 富 集 亦 会 在 带 隙 中 形 成 缺 陷 态 。 这 些 都 将 在表 面 和 界 面 内 产 生 空 间 电 荷 , 形 成 表 面 和 界 面 势 垒 , 引起 表 面 和 界 面 附
4、 近 能 带 弯 曲 , 从 而 影 响 载 流 子 的 输 运和 在 边 界 面 产 生 复 合 。 本 文 着 重 讨 论 多 晶 太 阳 电 池 的界 面 效 应 及 晶 界 复 合 问 题 。1 多 晶 n+ p 结 太 阳 电 池 界 面 附 近 的 能 带 变 化图 1 所 示 为 具 有 柱 状 晶 粒 的 多 晶 n+ p 结 太 阳 电 池 。 先 讨 论 无 光 照 、 热 平 衡 时 晶 界 附 近 的能 带 变 化 。111 n 型 多 晶 半 导 体 的 晶 界以 n 型 多 晶 硅 为 例 , 因 单 晶 硅 是 金 刚 石 结 构 , 当 晶 格 常 数 a =
5、543107nm (29812K) 时 3 , 可以 算 出 其 111 、 110 和 100 晶 面 的 悬 挂 键 面 密 度 分 别 为 7183 1014 cm 2、 9159 1014 cm 2第 21 卷 第 2 期2000 年 4 月 太 阳 能 学 报A CTA EN ERG IA E SOLA R IS S IN ICA V o l 1 21, N o12A p r, 2000X 本 文 1999204215 收 到图 2 界 面 态 对 n2Si 晶 界 面 处 能 带 的 影 响图 3 n2Si 晶 界 重 掺 杂 n 型 杂 质 后n+ 2n 区 的 能 带 变 化和
6、 13136 1014 cm 2, 因 而 有 大 量 界 面 态 。 实验 证 明 , 当 表 面 态 密 度 大 于 1013 cm 2 时 , 其 费米 能 级 位 于 价 带 顶 的 1 3E g 处 , 且 其 表 面 能级 的 “ 钉 扎 ” 效 应 是 有 效 的 4 。 据 此 , 一 般 它对 n2Si起 受 主 作 用 , 而 对 p 2Si则 起 施 主 作 用 ,其 能 带 如 图 2 所 示 。 由 图 2b 可 见 , n 区 中 界 面处 能 带 向 上 弯 曲 , 对 电 子 产 生 一 个 阻 碍 向 晶界 运 动 的 势 垒 , 而 对 空 穴 则 是 一
7、个 势 阱 , 它 将大 大 提 高 晶 界 对 光 生 空 穴 的 复 合 , 这 对 太 阳电 池 极 为 不 利 。 若 能 采 用 一 些 方 法 在 晶 界 两侧 建 立 一 个 能 阻 碍 光 生 空 穴 向 晶 界 运 动 的 势垒 , 显 然 对 降 低 光 生 空 穴 在 晶 界 的 复 合 是 极 为 有益 的 。 因 此 , 对 n2Si 晶 界 重 掺 杂 n 型 杂 质 时 , 晶 界内 将 集 聚 更 多 的 施 主 杂 质 , 并 向 两 侧 扩 散 , 晶 界 两侧 形 成 n+ 区 。 在 晶 粒 内 界 面 处 的 n+ 2n 分 布 结 构将 形 成 一
8、个 阻 止 光 生 空 穴 向 晶 界 运 动 的 界 面 场 ,如 图 3 所 示 。112 p 型 多 晶 半 导 体 的 晶 界图 4 界 面 态 对 p2Si 晶 界 面 处 能 带 的 影 响p 型 多 晶 硅 界 面 态 对 p2Si 起 施 主 作 用 , 相应 的 能 带 如 图 4 所 示 。 由 图 4b 可 见 , p 区 中 界 面处 能 带 向 下 弯 曲 , 对 空 穴 产 生 一 个 阻 碍 向 晶 界运 动 的 势 垒 , 而 对 电 子 则 是 一 个 势 阱 , 它 将 大 大提 高 晶 界 对 光 生 电 子 的 晶 界 复 合 , 这 对 太 阳 电池
9、亦 极 为 不 利 。 采 用 一 些 方 法 在 晶 界 两 侧 建 立一 个 能 阻 碍 光 生 电 子 向 晶 界 运 动 的 势 垒 , 显 然对 降 低 光 生 电 子 在 晶 界 的 复 合 极 为 有 益 。 因 此 ,对 p 2Si 晶 界 重 掺 杂 p 型 杂 质 时 , 晶 界 内 将 集 聚更 多 的 受 主 杂 质 , 并 向 两 侧 扩 散 , 晶 界 两 侧 形 成p + 区 。 在 晶 粒 内 界 面 处 的 p + 2p 分 布 结 构 将 形成 一 个 阻 止 光 生 电 子 向 晶 界 运 动 的 界 面 场 , 如图 5 所 示 。图 5 p 2Si 晶
10、 界 两 侧 重 掺 杂 p 型 杂 质 后 p + 2p 区 能 带 的 变 化431 太 阳 能 学 报 21 卷 2 界 面 复 合从 以 上 讨 论 可 知 , 多 晶 半 导 体 的 界 面 复 合 , 实 际 上 是 通 过 界 面 态 进 行 的 , 因 此 可 按 S2R 2H复 合 理 论 唯 象 处 理 , 即 可 用 与 通 过 界 面 态 的 间 接 复 合 过 程 完 全 相 似 的 方 法 处 理 。 为 简 单 起 见 ,假 定 界 面 处 复 合 中 心 能 级 位 置 集 中 在 带 隙 中 连 续 分 布 , 其 界 面 处 单 位 能 量 间 隔 内 复
11、合 中 心 的平 均 面 密 度 为 N t, 这 样 , 可 以 得 到 非 平 衡 载 流 子 单 位 面 积 的 净 复 合 速 率 R I 为 5 R I = N t rn rp (n Ip I - n i2)rn (n I + n1 I) + rp (p I + p 1 I) (1)式 中 , rn 和 rp 分 别 为 对 电 子 和 空 穴 俘 获 系 数 , n I 和 p I 为 紧 靠 界 面 处 非 平 衡 的 电 子 和 空 穴 浓 度 ,n1 I 和 p 1 I 由 以 下 两 式 给 出 :n1 I = N ce- (E c- E t) kT = n ie(E t-
12、 E i) kT (2)p 1 I = N ve- (E t- E v) kT = n ie(E i- E t) kT (3)式 中 , E t 为 复 合 中 心 N t 相 应 的 能 级 位 置 , 并 有n1 Ip 1 I = n I0p I0 = n0p 0 = n i2 (4)式 中 , n I0、 p I0 和 n0、 p 0 分 别 为 热 平 衡 时 界 面 和 晶 粒 内 电 子 和 空 穴 的 浓 度 , ni 为 本 征 载 流 子 浓 度 。如 果 引 入 界 面 复 合 速 度 S I, 则 n 区 单 位 界 面 复 合 率 可 表 示 为R I = S I$p
13、n (5)式 中 , $p n 表 示 n 区 界 面 处 的 过 剩 少 数 载 流 子 浓 度 , 其 相 应 的 界 面 复 合 电 流 密 度 为J I = qS I$p n (6)这 部 分 电 流 密 度 是 损 失 输 出 光 电 流 密 度 的 重 要 部 分 。 显 然 S I 应 与 界 面 态 的 参 数 有 关 。 界 面 处的 载 流 子 浓 度 通 过 界 面 势 V I 与 晶 粒 内 载 流 子 浓 度 联 系 起 来 。 因 此 , 一 般 界 面 复 合 速 度 应 与 界面 势 V I 有 关 。 只 要 通 过 界 面 电 荷 层 流 向 界 面 的 电
14、 子 、 空 穴 复 合 电 流 不 是 很 大 , 就 可 以 认 为 界 面和 体 内 处 于 平 衡 , 因 此 有n I = nne- qV I kT (7)p I = p neqV I kT (8)nn 和 p n 是 n 区 体 内 的 非 平 衡 电 子 和 空 穴 浓 度 。如 果 设 想 复 合 中 心 是 截 面 为 R的 圆 球 , 载 流 子 与 该 球 相 遇 则 被 俘 获 。 这 样 , 可 用 俘 获 截 面Rn、 Rp 代 替 俘 获 系 数 rn、 rp 来 描 述 复 合 中 心 俘 获 电 子 和 空 穴 的 能 力 。 载 流 子 的 热 运 动 速
15、度 为 vn、vp , 则 单 位 时 间 和 这 些 复 合 中 心 相 碰 撞 的 几 率 为rn = Rnv n 或 v n = 3kT m n 3 (9)rp = Rp vp 或 vp = 3kT m p 3 (10)将 式 (2) 和 (3) 以 及 (9) 和 (10) 代 入 式 (1) , 并 且 不 区 分 电 子 和 空 穴 的 有 效 质 量 (即 m n 3 = m 3p v n= vp = v th) , 则 式 (1) 可 写 为R I = v thRnRpN t (n Ip I - n2i )Rn (n I + n ie(E t- E i) kT ) + Rp (
16、p I + n ie(E i- E t) kT ) (11)若 Rn = Rp = RI, 并 认 为 界 面 处 复 合 中 心 能 级 E t 在 禁 带 中 连 续 分 布 , 则 式 (11) 还 可 写 为531 2 期 陈 庭 金 等 : 多 晶 硅 太 阳 电 池 的 表 面 和 界 面 复 合R I = RIv thN tE cE v(n Ip I - n2i ) dE t(n I + n ie(E t- E i) kT ) + (p I + n ie(E i- E t) kT (12)对 于 n2Si 区 , 可 以 认 为 n I m p I, 上 式 变 为R I = RIv thN tE cEv(n Ip I - n2i ) dE tn
