In this study we investigate the potential of intrinsic a-SiO_x:H, with a band gap of about 2.07 eV, as absorber material in thin-film silicon solar cells. We found that single junction a-SiO_x:H cells with an i-layer thickness of 100–200 nm can have a high V_oc and FF of up to 1.04 V and 0.74, respectively. However, when the i-layer thickness is increased further to obtain higher Jsc, the V_oc×FF product decreases significantly and limits the conversion efficiency to around 7.2%. Although the efficiency of a single-junction device is limited, the high V_oc×FF product makes this device interesting for application as the first sub-cell in multi-junction devices. To investigate this, first double-junction (2J) solar cells were fabricated with the second sub-cell of either a-Si:H (E_g≈1.7 eV) or nc-Si:H (E_g≈1.1 eV), reaching efficiencies of 10.25% and 10.92%, respectively. Although these are decent efficiencies, both 2J cells are limited by the a-SiOx:H first sub-cell and so far have no advantage over the conventional a-Si:H/nc-Si:H cell. Secondly, we fabricate two types of triple-junction (3J) solar cells, which consist of the above mentioned 2J solar cells with the additional nc-Si:H third sub-cell at the bottom. In both 3J solar cells current mismatching can be reduced with a relatively thin a-SiO_x:H first sub-cell (≈100 nm) such that its high V_oc×FF product can be fully used. An initial efficiency as high as 12.58% was obtained (V_oc: 2.37 V, Jsc: 7.27 mA/cm² and FF: 0.73) for the a-SiOx:H/a-Si:H/nc-Si:H 3J solar cell. This efficiency is competitive with the efficiency of other types of 3J solar cells and demonstrates that a-SiO_x:H opens up new routes towards high efficiency 3J thin-film silicon solar cells

چکیده

در این مطالعه، ما پتانسیل ذاتی a-SiO_x:H ، با گاف نواری در حدود 2.07 الکترون ولت را به عنوان ماده جاذب در سلول­ های خورشیدی سیلیکونی لایه نازک بررسی می­ کنیم. ما دریافتیم که سلول­ های تک پیوندی a-SiO_x:H که ضخامت لایه i شان برابر با 100 تا 200 نانومتر است، می­ توانند به ترتیب V_oc و FF برابر با 1.04 ولت و 0.74 داشته باشند. با این وجود، زمانی که ضخامت لایه i را بیش از آن افزایش می ­دهیم تا Jsc بالاتری بدست آوریم، حاصلضرب V_oc×FF بسیار کاهش می ­یابد و کارایی تبدیل تا حدود 7.2% کاهش می ­یابد. اگرچه کارایی دستگاه تک پیوندی محدود می­ شود، اما حاصلضرب V_oc×FF بزرگ سبب می ­شود که این دستگاه به عنوان زیرسلول اول در دستگاه­ های چند پیوندی، موردتوجه باشد. برای بررسی این امر ،ابتدا سلول­ های خورشیدی دو پیوندی (2j) ساخته شدند که زیرسلول دوم آنها a-Si:H (گاف نواری در حدود 1.7 الکترون­ ولت) یا nc-Si:H (گاف نواری در حدود 1.1 الکترون­ ولت) بود و به ترتیب کارایی­ های 10.25% و 10.92% حاصل شد. اگرچه این کارایی­ ها مناسب هستند، هر دو سلول دوپیوندی توسط زیرسلول اولa-SiO_x:H محدود می­ شوند و تا کنون مزیتی بر سلول a-Si:H/nc-Si:H مرسوم نداشته ­اند. در مرحله دوم، ما دو نوع سلول خورشیدی سه پیوندی (3J) ساختیم که شامل سلول­ های خورشیدی دوپیوندی بالا به علاوه زیرسلول سوم nc-Si:H در انتها بودند. در هر دو سلول خورشیدی سه ­پیوندی، عدم انطباق جریان را می­ توان با یک زیرسلول اول a-SiO_x:H نسبتاً باریک (در حدود 100 نانومتر) کاهش داد به گونه­ ای که بتوان به طور کامل از حاصلضرب Voc×FF بالای آن بهره گرفت. کارایی اولیه بزرگ 12.58% برای سلول خورشیدی a-SiO_x:H/a-Si:H/nc-Si:H بدست آمد (V_oc:2.37V, Jsc:7.27mA/cm² و FF:0.73). این کارایی با کارایی انواع سلول­ های خورشیدی سه­ پیوندی دیگر قابل مقایسه است و نشان می­ دهد که a-SiO_x:H، مسیر جدیدی برای ساخت سلول­ های خورشیدی سیلیکونی لایه نازک سه­ پیوندی با کارایی بالا می­ گشاید.

1-مقدمه

سلول­ های خورشیدی سیلیکونی لایه نازک با ساختار چند پیوندی می­ توانند به صورت موثر از نور خورشید بهره گیرند. این سلول­ های خورشیدی چند پیوندی، متشکل از چندین زیرسلول هستند که هر کدام یک لایه جاذب با گاف انرژی نواری (E_g) متفاوت دارند. دو شکل از سیلیکون لایه نازک معمولاً مورد استفاده قرار می ­گیرند: سیلیکون نانوبلوری هیدروژن­ دار (nc-Si:H) و سیلیکون بی­ شکل (a-Si:H) به ترتیب با گاف­ های نواری 1.1 الکترون ­ولت و 1.8 الکترون­ ولت...