MoS2/SnS異質(zhì)結(jié)太陽能電池的模擬研究

趙航航，袁吉仁，鄧新華，黃海賓

(1.南昌大學(xué)理學(xué)院，南昌 330031；2.南昌大學(xué)光伏研究院，南昌 330031)

0 引 言

太陽能電池作為在眾多新能源中一顆閃耀的明星，一直以來都受到眾多的科學(xué)家青睞，但如何提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池的核心問題。硫化亞錫(SnS)是一種棕黑色Ⅳ-Ⅵ族層狀化合物半導(dǎo)體材料，受主能級(jí)由于存在Sn空位，SnS通常為p型導(dǎo)電材料。由于制備工藝的差異，禁帶寬度在1.0 ～1.5 eV之間[1-2]，與太陽能電池最佳禁帶寬度1.5 eV比較接近，在可見光范圍內(nèi)對(duì)光的吸收很大(α>104cm-1)，其理論光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%[3]。SnS可以薄膜化生產(chǎn)，且組成SnS的原料在地球上儲(chǔ)備豐富、價(jià)格低廉，是一種具有很好應(yīng)用前景的材料。但實(shí)際所制備的SnS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率與理論值相差較大[4-7]，如何提高SnS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是目前研究的問題之一[8-9]。

硫化亞錫(SnS)類太陽能電池已經(jīng)經(jīng)過數(shù)十年的研究，以往的SnS類太陽能電池，n層常用的材料一般為CdS、ZnO、a-Si、ZnS、SnS2、Bi2S3、CZTSSe等，但目前國內(nèi)外還未見以SnS為p層，MoS2為n層相關(guān)電池結(jié)構(gòu)研究報(bào)道。

n層材料可以選用二硫化鉬(MoS2)，因?yàn)槎蚧f與單原子層二維石墨烯材料具有相類似的二維結(jié)構(gòu)和性能，與零能帶隙的石墨烯相比，MoS2具有1.2～1.8 eV的能帶間隙，單層MoS2是直接帶隙半導(dǎo)體材料[10]。同時(shí)，MoS2具有優(yōu)良的光吸收系數(shù)(α>106cm-1)和高的載流子遷移率(200 cm2·V-1·s-1)，近些年來受到越來越多的關(guān)注，常被用于太陽能電池、光電探測器等一系列光電器件研究中[11-13]。

本文選用的是由南開大學(xué)和美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校合作開發(fā)的wxAMPS太陽能電池模擬仿真軟件[14]，它是根據(jù)著名太陽能電池模擬軟件AMPS-1D的內(nèi)核改編升級(jí)而來，可以對(duì)多種結(jié)構(gòu)電池進(jìn)行模擬仿真，例如異質(zhì)結(jié)、同質(zhì)結(jié)、肖基特類太陽能電池，適用性廣泛，使用簡單，且適合多種環(huán)境場合。本文利用wxAMPS模擬了MoS2/SnS異質(zhì)結(jié)太陽能電池，主要對(duì)太陽能電池中的SnS吸收層厚度、摻雜濃度和各種缺陷態(tài)(高斯缺陷態(tài)、帶尾缺陷態(tài)和界面缺陷態(tài))等影響因素進(jìn)行了研究。通過計(jì)算分析和對(duì)各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化，希望從理論上論證MoS2/SnS電池結(jié)構(gòu)的可行性，特別是理論證實(shí)能夠達(dá)到比較高的轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)探索影響其高效的各種因素，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)際制備該種電池提供理論參考。

1 物理模型與材料參數(shù)

設(shè)計(jì)的太陽能電池模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，單層重?fù)诫s的MoS2為異質(zhì)結(jié)發(fā)射層，襯底為2 μm厚的SnS，MoS2和SnS之間插入一層界面層，界面厚度在1～3 nm之間變化。光子從前接觸面入射，進(jìn)入太陽能電池內(nèi)部后被吸收轉(zhuǎn)化，光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)絧n結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)空間電場的作用下分別向MoS2發(fā)射層和SnS層漂移。

圖1 MoS2/SnS太陽電池結(jié)構(gòu)

本文模擬采用的MoS2材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]設(shè)置，SnS材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[16]。模擬時(shí)采用功率為100 W/cm2的標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G作為入射光源，從電池正上方入射，溫度為300 K，在理想情況下假設(shè)入射光在前、后表面的反射率分別為0和1，模擬計(jì)算中使用的主要參數(shù)如表1所示。這些參數(shù)除了部分可變參數(shù)外，其他參數(shù)都取自wxAMPS軟件默認(rèn)值。

表1 模擬計(jì)算采用的主要參數(shù)

根據(jù)Possion方程和電流連續(xù)性方程，一維穩(wěn)態(tài)下，三個(gè)方程的具體形式為[17]：

(1)

(2)

(3)

為了構(gòu)成PN結(jié)，本征半導(dǎo)體都需要進(jìn)行一定的摻雜，摻雜是人為引入的，可以采取一定的手段進(jìn)行調(diào)節(jié)。缺陷卻是由材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等原因產(chǎn)生的，可以通過提高材料性能來減小缺陷。根據(jù)電學(xué)性能，缺陷態(tài)可以分為受主類型缺陷、施主型缺陷和兩性缺陷。根據(jù)能帶里的分布情況，缺陷態(tài)可分為指數(shù)分布、高斯分布和均勻分布[18]。在wxAMPS中，指數(shù)分布模型常用來解釋缺陷在晶體中形成的帶尾結(jié)構(gòu)。因?yàn)橥ǔ＞Ц窠Y(jié)構(gòu)不是絕對(duì)的完美，導(dǎo)帶和價(jià)帶附近會(huì)延伸出一些定域的帶尾缺陷態(tài)。圖2為帶尾缺陷態(tài)的分布情況，帶尾缺陷態(tài)密度與能量的關(guān)系如下：

圖2 帶尾缺陷態(tài)分布圖

(4)

(5)

其中，ga為acceptor-like缺陷態(tài)，gd為donor-like缺陷態(tài)，GAO、GDO為導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂密度，E為缺陷態(tài)在能帶中的分布，EC、EV為導(dǎo)帶、價(jià)帶能級(jí)，EA為導(dǎo)帶尾特征能級(jí)，ED為價(jià)帶尾特征能級(jí)。

在wxAMPS中還提供了另一種缺陷態(tài)模式——高斯缺陷態(tài)，缺陷態(tài)在能帶中呈現(xiàn)高斯分布趨勢，高斯缺陷態(tài)適合絕大部分材料在能帶中的分布情況。圖3為高斯態(tài)的分布情況，材料中的高斯缺陷態(tài)分布與能量關(guān)系可表示為:

圖3 高斯缺陷態(tài)分布示意圖

(6)

(7)

其中，GA(E)為受主型高斯缺陷的分布，GD(E)為施主型高斯缺陷的分布，NAG、NDG為高斯分布的類受主、類施主狀態(tài)密度，EACPG、EDONG分別是acceptor-like，donor-like峰值能級(jí)位置，WDSAG、WDSDG分別是acceptor-like，donor-like分裂能級(jí)寬度。在模擬時(shí)這些參數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自行設(shè)計(jì)。

高斯缺陷態(tài)和帶尾缺陷態(tài)描述了兩種不同缺陷的分布情況，高斯缺陷態(tài)主要是由懸掛鍵引起的，帶尾缺陷態(tài)主要是由晶格不是嚴(yán)格的周期性而形成的局域態(tài)引起的。兩種缺陷可以同時(shí)存在，由哪一種缺陷來主導(dǎo)要根據(jù)具體的材料而定，不同的材料中兩種缺陷的量級(jí)差異很大，當(dāng)然影響太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的因素眾多，但界面缺陷態(tài)是核心影響因素[19]。界面缺陷態(tài)是由于界面上下兩種材料的晶格系數(shù)和不飽和懸掛鍵的存在，使得界面形成的缺陷態(tài)。在討論MoS2/SnS太陽能電池時(shí)加入了一層“界面層”，希望通過對(duì)界面缺陷態(tài)的討論能夠推斷SnS類太陽能電池實(shí)際效率低下的原因。

前接觸界面和背接觸界面缺陷層中的連續(xù)缺陷態(tài)密度Dit可以表示為：

Dit=[GMGD(EDA-EV)+GMGA(EC-EDA)]x0

(8)

其中,GMGD為單位能級(jí)上的施主缺陷態(tài)密度，GMGA為單位能級(jí)上的受主缺陷態(tài)密度，EDA為施主體缺陷態(tài)與受主體缺陷態(tài)的界限能級(jí)，EC和EV分別為導(dǎo)帶能級(jí)與價(jià)帶能級(jí)，x0為界面厚度。界面態(tài)缺陷對(duì)器件性能的影響主要是光生載流子在界面?zhèn)鬏敃r(shí)會(huì)俘獲電子或空穴，引起較多的復(fù)合，增大暗電流，從而降低電池的轉(zhuǎn)換效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收層厚度對(duì)太陽能電池的影響

通過改變吸收層厚度模擬計(jì)算電池的開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率的變化。從圖4可以發(fā)現(xiàn)隨著吸收層厚度的增加，開路電壓逐漸上升，厚度達(dá)到2 μm時(shí)，開路電壓上升逐漸趨于平穩(wěn)。厚度在0.2～0.4 μm時(shí)短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率都有一個(gè)較大的變化。其中短路電流和填充因子變化尤為明顯，短路電流從15 mA/cm2增大到33 mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率從7%提升到21%。吸收層厚度增加提高了太陽能電池對(duì)太陽光的吸收，吸收層可以吸收更多的入射光，產(chǎn)生更多的自由載流子，提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。隨著厚度的繼續(xù)增加，短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率變化開始變得平緩，吸收層厚度的增加可以提高太陽能電池效率，但吸收層厚度增加到一定時(shí)，過厚的吸收層會(huì)增加光生少子的漂移長度，使得到達(dá)空間電荷區(qū)的概率變小，導(dǎo)致復(fù)合率增大。為了得到更好的模擬結(jié)果，在模擬時(shí)選用了厚度為2 μm的參數(shù)。

圖4 吸收層厚度對(duì)Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

2.2 吸收層摻雜濃度對(duì)太陽能電池的影響

圖5為吸收層摻雜濃度對(duì)電池性能的影響。改變吸收層的摻雜濃度，在摻雜濃度較低的情況下開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率基本穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。摻雜濃度大于1.0×1013cm-3時(shí)，開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率都有一定的提升，曲線變化明顯。摻雜濃度超過1.0×1015cm-3時(shí)，短路電流迅速減小，曲線迅速下降。因?yàn)檩^低的摻雜濃度會(huì)降低運(yùn)送少數(shù)載流子的能力，增加摻雜濃度有利于增加空間電荷區(qū)的電場強(qiáng)度，提升轉(zhuǎn)換效率，但高濃度的摻雜會(huì)引起空間電荷區(qū)減小，增大少數(shù)載流子復(fù)合概率，影響太陽能電池性能。

圖5 摻雜濃度對(duì)Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

2.3 高斯缺陷態(tài)對(duì)太陽能電池的影響

模擬時(shí)所設(shè)置的為雙高斯缺陷態(tài)：受主型高斯缺陷態(tài)、施主型高斯缺陷態(tài)。為了計(jì)算與分析的簡便，雙高斯缺陷態(tài)濃度相同。從圖6可以看到高斯缺陷態(tài)濃度在1.0×1011～1.0×1015cm-3時(shí)，開路電壓、短路電流、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率都相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)濃度為1.0×1015cm-3時(shí)，開路電壓達(dá)到最大值，隨著濃度的增加，開路電壓逐漸變小，短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率也隨之變小。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到高斯態(tài)對(duì)太陽能性能的影響，應(yīng)該將高斯缺陷態(tài)濃度控制在1.0×1015cm-3以下。

圖6 高斯缺陷態(tài)對(duì)Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

2.4 帶尾缺陷態(tài)對(duì)太陽能電池的影響

帶尾缺陷態(tài)也是影響太陽電池性能的一個(gè)重要因素，模擬時(shí)對(duì)導(dǎo)帶尾、價(jià)帶尾都進(jìn)行了設(shè)置，為了模擬計(jì)算的簡便，導(dǎo)帶尾缺陷態(tài)濃度和價(jià)帶尾缺陷態(tài)濃度采用同一數(shù)值。圖7給出了開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率變化曲線。帶尾缺陷態(tài)濃度在1.0×1015～1.0×1019cm-3·eV-1之間，開路電壓基本保持穩(wěn)定，變化曲線平穩(wěn)。當(dāng)濃度大于1.0×1019cm-3·eV-1時(shí)，開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率都出現(xiàn)了下降趨勢。

2.5 界面態(tài)對(duì)太陽能電池的影響

異質(zhì)結(jié)太陽能電池通常是在n型(p型)材料上沉積p型(n型)薄膜作為發(fā)射區(qū)，在薄膜與晶體表面形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在形成的異質(zhì)結(jié)界面往往存在大量的界面缺陷，由于兩種材料的性質(zhì)不同，晶格常數(shù)一般不同，在晶體表面存在許多未飽和懸掛鍵，這些懸掛鍵增加了異質(zhì)結(jié)界面的復(fù)合速率，減少了少數(shù)載流子的壽命，對(duì)開路電壓、短路電流、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率影響較大。

這些界面缺陷可作為非平衡載流子的復(fù)合中心，如果在異質(zhì)結(jié)界面附近出現(xiàn)大量的光生電子和空穴，則異質(zhì)結(jié)的界面復(fù)合將比較嚴(yán)重，界面缺陷態(tài)對(duì)太陽能電池性能的影響一直以來是太陽能電池研究的重點(diǎn)。

圖8可以看到在界面缺陷態(tài)密度低于1.0×1012cm-2時(shí)，開路電壓、短路電流、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率都有一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，當(dāng)界面缺陷態(tài)密度大于1.0×1012cm-2時(shí)，開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率迅速下降。與圖6、圖7中的高斯缺陷態(tài)、帶尾缺陷態(tài)對(duì)太陽能電池的影響比較，可以看到界面缺陷態(tài)，影響效果更明顯，也更為敏感。

圖7 帶尾缺陷態(tài)對(duì)Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

圖8 界面缺陷態(tài)對(duì)Voc、Jsc、FF、Eff影響變化曲線

因此宜將界面缺陷態(tài)控制在1.0×1010cm-2，此時(shí)MoS2(n)/SnS(p)異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能最佳，最佳J-V曲線如圖9所示，優(yōu)化后的太陽能電池開路電壓為0.88 V，短路電流為33.4 mA/cm2，填充因子為85.4%，轉(zhuǎn)換效率為24.87%。

圖9 MoS2(n)/SnS(p)太陽能電池最佳J-V曲線

圖10給出了不同界面缺陷態(tài)密度下的電流密度-電壓曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨界面缺陷態(tài)密度的增加，短路電流和開路電壓明顯減小。界面缺陷態(tài)密度的增大，增加了異質(zhì)結(jié)界面的復(fù)合速率，減少了少數(shù)載流子的壽命，嚴(yán)重影響太陽能電池性能。

圖10 SnS太陽能電池J-V曲線隨界面態(tài)密度的變化

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)MoS2(n)/SnS(p)異質(zhì)結(jié)太陽能電池，并通過wxAMPS太陽能電池模擬軟件，研究了吸收層厚度、摻雜濃度、高斯態(tài)、帶尾態(tài)以及界面態(tài)對(duì)MoS2/SnS異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的影響。通過一系列模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)后得出：該結(jié)構(gòu)太陽能電池的SnS吸收層最佳厚度為2 μm，最佳摻雜濃度為1.0×1015cm-3，優(yōu)化后的太陽能電池開路電壓為0.88 V，短路電流為33.4 mA/cm2，填充因子為85.4%，轉(zhuǎn)換效率為24.87%，與SnS理論光電轉(zhuǎn)換效率非常接近。模擬發(fā)現(xiàn)：高斯缺陷態(tài)在濃度低于1.0×1015cm-3時(shí)，對(duì)電池性能影響較弱，帶尾缺陷態(tài)濃度要高于1.0×1019cm-3·eV-1時(shí)，才會(huì)影響太陽能電池性能；而界面缺陷態(tài)密度超過1.0×1012cm-2時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響太陽能電池性能；并且各種缺陷中界面缺陷態(tài)對(duì)其性能影響最嚴(yán)重。這些模擬結(jié)果有助于了解SnS基太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低下的原因，并為實(shí)驗(yàn)制備該種電池提供很好的理論參考。