Deep Impact of the n-c-Si Defect Density on Heterojunction with Intrinsic Thin Layer Solar Cells

Abstract

У роботі оптимізовано сонячний елемент n-c-Si на основі гетеропереходу з внутрішнім тонким шаром (HIT): оксид індію і олова (ITO)/гідрогенізований p-легований аморфний кремній (p-a-Si:H)/ гідрогенізований власний поліморфний кремній (i-pm-Si:H)/n-легований кристалічний кремній (n-cSi)/алюміній (Al). За допомогою симулятора ємності сонячних елементів (SCAPS-1D) ми вивчили вплив густини дефектів в об'ємі (Nt) і на поверхні (Nss) активного шару сонячного елемента n-c-Si на характеристику густини струму від напруги (J-V) (напруга холостого ходу, густина струму короткого замикання, коефіцієнт заповнення та ефективність). Для обчислення значень Nss ми взяли середнє між густиною станів Gmg, розташованих у забороненій зоні (U-подібна модель), і загальною густиною станів Ntot (хвости Урбаха), яку ми помножили на товщину дефектного шару. Ми показали, що для товщини дефектної поверхні 32 Å між гідрогенізованим поліморфним кремнієм і кристалічним кремнієм (i-pm-Si:H/n-c-Si) густина станів Gmg, розташованих у забороненій зоні, і густина станів Ntot в хвості Урбаха повинні дорівнювати відповідно 3,5·1017 см – 3 і 2,8·1017 см – 3 (використовуючи U-подібну модель). Можна зробити висновок, що поверхню активного шару необхідно пасивувати так, щоб отримати Nss менше 1011 см – 2. Тоді час життя неосновних носіїв в активному шарі (n-c-Si) має бути більше 1 мс. Дійсно, для Nss = 1010 см – 2 та ꚍ = 5 мс отримано ККД 22,08 %.

In this work, a Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) n-c-Si solar cell: Indium Tin Oxide (ITO)/hydrogenated p-doped amorphous silicon (p-a-Si:H)/hydrogenated intrinsic polymorphous silicon (ipm-Si:H)/n-doped crystalline silicon (n-c-Si)/Aluminum (Al) has been optimized. Using solar cell capacitance simulator (SCAPS-1D), we have studied the effect of defect density in the bulk (Nt) and at the surface (Nss) of the n-c-Si active layer on the current density-voltage (J-V) characteristic (open-circuit voltage, short-circuit current density, Fill Factor and efficiency). To calculate the values of Nss, we have taken the average between the density of states Gmg located in the band gap (U-shaped model) and the total density of states Ntot (Urbach tails) that we have multiplied by the thickness of the defective layer. We have shown that for a defective surface thickness of 32 Å between hydrogenated polymorphous silicon and crystalline silicon (i-pm-Si:H/n-c-Si), the density of states Gmg located in the band gap and the density of states Ntot at Urbach tails must be equal to 3.5·1017 cm – 3 and 2.8·1017 cm – 3, respectively (using U-shaped model). We conclude that the surface of the active layer must be passivated so as to have Nss less than 1011 cm – 2. Then, the lifetime of the minority carriers in the active layer (n-c-Si) must be greater than 1 ms. Indeed, an efficiency of 22.08 % was obtained for Nss = 1010 cm – 2, ꚍ = 5 ms.