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1、晶体硅薄膜太阳能电池中扩散长度的数值分析日本材料科学研究生院，奈良尖端科学技术，高山研究所8916-5，生驹，奈良，630-0101.摘要我们提出了一种确定晶体硅薄膜太阳能电池有效扩散长度和表观扩散长度关系的新技术。这里的电池片是使用二维器件模拟出的。此外，表观扩散长度是通过模拟结果获得的。有效扩散长度是用LBIC方法测得的，用来推定晶体硅薄膜中的表观扩散长度。我们得到的有效扩散长度为6.7微米的晶体硅薄膜太阳能电池其薄膜厚度约为7微米。我们对测量结果和模拟结果做了一下比较，发现用化学气相沉积法（CVD）制备的晶体硅薄膜太阳能电池表观扩散长度超过30微米，复合速度电池前表面104cm/s，电池
2、后表面103cm/s。2002年Elsevier科学BV公司保留所有权。关键词：单结晶硅，薄膜太阳能电池，少数载流子扩散长度，二维器件模拟软件，LBIC，CVD1、介绍晶体硅薄膜太阳能电池有很多突出优点，诸如节约硅材料，廉价衬底，高稳定性和高转换效率。以前的一份报告预测：具有15微米厚度的晶体硅电池片理论转换效率可超过27%1,尽管现在用化学气相沉积制备的具有12微米厚度的晶体硅薄膜太阳能电池理论转换效率仅为12.5%。对于高效率太阳能电池，少数载流子扩散长度是非常重要参数。为了设计高效率晶体硅薄膜太阳能电池，精确表征表观扩散长度Lb是非常有必要的。但是在光照条件下我们仅可以得到一个活性层的有
3、效扩散长度Le，使用传统的测量方法在实际形式的设备中测量Lb是困难的，因为表观扩散长度受设备结构的限制（如有源厚度，结深等）。到目前为止，大容量的太阳能电池分析已经完成3,4，但是对于薄膜太阳能电池研究很少有报道。虽然一维超薄硅薄膜的Lb分析计算已经被尝试，但是仅作一维的计算分析是不够的，因为它的比率较高。因此，对扩散长度分析的二维计算方法是迫切需要的。在这项研究中，我们提出了一个精确推导Lb的方法，这种方法是利用薄膜太阳能电池的Le数值在实验设备结构二维模拟软件中得出的。另外，利用这种仿真结果还可以获得扩散长度和表面复合速度。2、 实验2.1仿真由于Le是受太阳能电池结构的影响，Le并不反映
4、表观扩散长度。为了保证薄膜硅的Lb估算准确，Lb和Le之间的关系用二维器件模拟进行了数值分析。在晶体硅太阳能电池的模拟过程中，我们使用了商用软件Medici（Avant公司）。Medici软件的主要功能是解决三个方程：（1）泊松方程，（2）电子和空穴的连续性方程，（3）Boltzmann输运理论。这个模拟器用有限元方法分别计算出了静电势和电子和空穴的密度。图1显示了在模拟中使用的晶体硅薄膜太阳能电池片的结构，该电池厚度被定为7微米。太阳能电池在电池片前面有两个发射器和基极。用于仿真的参数均列于表1.表观扩散长度Lb，正面、侧面复合速度Ss和硅/二氧化硅表面的复合速度Sin在模拟场中被改变，这使
5、用波长为633微米和830微米光波通过稳态短路电流的方法进行了分析。2.2测量单晶硅薄膜是通过一个大气压化学气相沉积法（APECVD）生长形成的。APECVD系统如图2所示，SiH2Cl2被用来作为硅源气体，在氮气中稀释的杂质气体BCl3被用来做P型参杂。生长温度为1050，晶向为（100）的P型SOI晶片为底衬物。在一个实验中晶体硅薄膜电池的结构和模拟结构（图1）相同。外延层厚5微米，活性层总厚度为7微米，电池面积约1cm2。有效电子扩散长度Le是由稳态短路电流的方法获得的，这种方法是通过激光束诱导电流来实现的，激光束包括氮氖激光（632.8微米）和红外激光（830微米）。扫描长度20微米，
6、扫描面积1mm1mm。短路电流是通过测量得到，Le是从量子效率获得的。3、结果与讨论3.1模拟图3显示了Le作为Lb函数的计算结果。这样能将依据Le得出的Lb划分为两个区域。当Lb的值小于20微米范围内，Le和Lb单调增加，当Lb的值比电池片的厚度7微米更小时，Le几乎等于Lb；另外，当Lb的值在大于20微米范围时，Le达到饱和，且接近于电池的厚度值（约7微米）在硅/二氧化硅界面处复合速度Sin=103cm/s，即使表面和侧面复合速度Ss从0cm/s（图3打叉处）到104cm/s，Le下降较少，复合速度Ss对其影响较小。有人认为n层系的表面复合对p层系有源层的少数载流子扩散长度影响不大。相反的
7、，当Sin从103cm/s(图3圈处)变为104cm/s（图3三角形处）且固定Ss值为104cm/s，Le的值会大大降低。设备特性似乎对硅/二氧化硅界面复合速度变化反应比较敏感，因为二氧化硅薄膜与活性层有了完全的接触。在以陶瓷作为基片设计的薄膜太阳能电池组的情况下，在后表面减小表面复合速度是非常必要的。3.2 LBICLe在1mm2面积内的空间分布如图4所示，该分布在扩散长度等于电池片厚度附近有一个峰值。平均扩散长度为6.7微米，标准差为2.7微米。Le值超过太阳能电池厚度时，是通过相对理论推导计算得出。这可能是由二波长近似分析而得。为了精确的推断出Le值详细的多波长光谱响应测量是必要的。根据
8、图3显示的模拟结果，实验值Le=6.7微米是显示Lb可能大于30微米，因为获得的实验值在饱和区域。另外，据估计此时的复合速度Sin小于103cm/s。4、结论我们提出了一种确定晶体硅薄膜电池有效扩散长度和表观扩散长度关系的新技术。这里的电池片是使用二维器件模拟出的。通过这种方法，我们可以得到晶体硅薄膜电池表观扩散长度关于有效电子扩散长度的函数。当电池片的厚度为7微米，且扩散长度在小于20微米的范围内时，有效扩散长度和表观扩散长度呈单调递增关系；当扩散长度超过20微米时有效扩散长度达饱和，且仅限于电池片厚度值。用化学气相沉积法制备的晶体硅薄膜扩散长度估计超过30微米，对于下表面复合速度估计小于103cm/s，这种方法对发展薄膜太阳能电池是非常有效的。致谢1
