《專業(yè)課程設計3（半導體物理）》課程設計說明書異質結太陽能電池微晶硅背場的模擬優(yōu)化

1、目 錄1技術要求22基本原理22.1異質結太陽能電池的結構及原理22.2背場的相關概念32.3 afors-he軟件的學習了解33參數(shù)描述33.1太陽能電池前兩層的固定參數(shù)33.2太陽能電池背場的可調參數(shù)43.3太陽能電池背場的固定參數(shù)44調試過程及結論54.1調試過程54.1.1太陽能電池相關參數(shù)的設定54.1.2太陽能電池模擬結果對比74.2優(yōu)化過程94.2.1背場層厚的優(yōu)化94.2.2背場帶隙寬度的優(yōu)化124.2.3背場摻雜濃度的優(yōu)化144.3結論175心得體會186參考文獻19異質結太陽能電池微晶硅背場的模擬與優(yōu)化1 技術要求設計a-si/c-si/uc-si太陽能電池，分析背場參數(shù)對

2、異質結太陽能電池效率的影響。要求：（1）背場厚度對太陽能電池效率的影響；（2）背場摻雜濃度對太陽能電池效率的影響；（3）背場帶隙對太陽能電池效率的影響；（4）采用afors-het來進行模擬。 2 基本原理2.1 異質結太陽能電池的結構及原理異質結太陽能電池的基本結構是發(fā)射區(qū)、單晶硅基區(qū)、背場區(qū)，其物理模型如圖1所示。圖1 太陽能電池的物理模型太陽光從發(fā)射區(qū)前表面入射，進入單晶硅基區(qū)后被吸收，光生電子和空穴靠擴散運輸?shù)絧n結區(qū)和背面高低結區(qū)，在結區(qū)空間電場的作用下分別向發(fā)射區(qū)和背場區(qū)漂移。在實際制作過程中，對于背場，希望利用的是高低結區(qū)對光生少子的背反作用，而這種作用主要取決于兩邊材料的能帶匹

3、配和摻雜濃度。影響異質結太陽能電池性能的最主要因素是單晶硅區(qū)的光電性質和前后兩個結區(qū)的能帶結構。2.2 背場的相關概念背場是用來提高太陽電池效率的有效手段。所謂背場指的是可對光生少子產(chǎn)生勢壘效果的區(qū)域，從而減少光生少子在背表面的復合，這個勢壘不但可以提高光電流，還可以在一定程度上提高光電壓，因此背場的選擇對太陽電池的性能影響很大。通常是靠一層與吸收區(qū)摻雜類型相同，但摻雜濃度更高的摻雜層來實現(xiàn)。2.3 afors-he軟件的學習了解afors-he軟件是德國一個硏究所針對異質結電池專門研發(fā)的模擬軟件，可以數(shù)值模擬各種結構因素對太陽能電池性能的影響。釆用afors-he數(shù)值模擬軟件，在已研究的異質

4、結太陽能電池的基礎上，加入微晶硅背場，來模擬微晶硅背場厚度，帶隙和摻雜濃度對異質結太陽電池性能的影響，尋找微晶硅背場的最佳參數(shù)。采用微晶硅薄膜做背場的理由是，微晶硅是納米晶硅，晶粒邊界， 空洞和非晶硅共存的混合相，具有摻雜效率高，電導率高，載流子遷移率大等特點，它既具有非晶硅的高吸收系數(shù)，同時又具有單晶硅穩(wěn)定的光學性質，而且微品硅的禁帶寬度是可以隨著晶相比變化連續(xù)可調，很容易得到與最高轉化效率相對應的參數(shù)。通過老師的兩次講解，和自己的摸索，基本掌握了afors-he軟件的使用方法，并對異質結太陽能電池微晶硅背場進行模擬優(yōu)化。3 參數(shù)描述 3.1 太陽能電池前兩層的固定參數(shù)由于太陽能電池的模型和

5、材料已固定，第一二層得相關參數(shù)也是固定的。由相關資料參考，得出其固定參數(shù)如表1所示。表1 a-si（n）和c-si（p）的固定參數(shù)3.2 太陽能電池背場的可調參數(shù) 基于模擬仿真優(yōu)化要接近實際的考慮，系統(tǒng)的每個參數(shù)都要有一定的范圍，該系統(tǒng)涉及的可調參數(shù)主要有三種：薄膜背場的層厚5nm20nm；薄膜背場帶隙寬度1.11.8ev；薄膜背場的摻雜濃度1e22cm。3.3 太陽能電池背場的固定參數(shù)太陽能電池背場除了三個可調參數(shù)，其他參數(shù)也為固定的。由相關資料參考，得出其相關參數(shù)如表2所示。表2 背場的相關參數(shù)4 調試過程及結論 4.1 調試過程4.1.1 太陽能電池相關參數(shù)的設定 使用afors-he軟

6、件新建三個層，根據(jù)參考參數(shù)對每層的具體數(shù)值進行設置。根據(jù)相關資料，使用背場層厚5nm；薄膜背場帶隙寬度1.74ev；薄膜背場的摻雜濃度為1e20 cm-3作為參考背場。每一層的材料和參數(shù)設置如圖2、3、4所示。圖2 太陽能電池第一層的參數(shù)圖3 太陽能電池第二層的參數(shù)圖4 太陽能電池第三層的參考參數(shù)4.1.2 太陽能電池模擬結果對比 使用參考背場進行i-v模擬與未加背場的太陽能電池，在光照后對比開路電壓，短路電流，填充因子，轉化效率，四項指標，轉化效率越高越好。未加背場的模擬結果如圖5所示。圖5 未加背場的太陽能電池i-v模擬圖模擬結果為開路電壓652.3mv，短路電流38.53ma/com，填

7、充因子83.19%，轉化效率20.91%。加參考背場后的模擬結果如圖6所示圖6 加背場后的太陽能電池i-v模擬圖模擬結果為開路電壓793mv，短路電流41.07ma/com，填充因子87.07%，轉化效率28.36%。未加背場的太陽能電池與加參考背場的太陽能電池i-v模擬對比圖如圖7所示。圖7 未加背場與加背場后的太陽能電池i-v對比圖未加背場的太陽能電池與加參考背場的太陽能電池i-v模擬后性能參數(shù)如表3所示。表3 未加背場與加背場后的太陽能電池性能參數(shù)對比性能參數(shù)開路電壓短路電流填充因子轉化效率未加背場的太陽能電池652.3mv38.53ma/com83.19%20.91%加參考背場的太陽能

8、電池793mv41.07ma/com87.07%28.36% 由對比圖和性能參數(shù)對比表可以看出，加背場后四項參數(shù)都有所升高，其中轉化效率提升了7.45%?？梢姳硤龅奶砑优c背場的參數(shù)選擇對太陽能電池轉化效率影響很大。4.2 優(yōu)化過程 在加入背場后，對背場進行優(yōu)化。背場的固定參數(shù)已知，只對層厚、帶隙寬度、摻雜濃度在調節(jié)范圍內進行調節(jié)，找到最優(yōu)的參數(shù)，即轉化效率最高時的參數(shù)。在調節(jié)其中一項參數(shù)時，另外兩項的參數(shù)使用參考背場的數(shù)值。4.2.1 背場層厚的優(yōu)化 背場層厚的范圍為5nm20nm，在這個范圍內去不同的數(shù)值進行模擬，對比四項性能參數(shù)。在模擬過程中，由于在調節(jié)范圍內四項性能參數(shù)幾乎沒有變化，所以

9、在范圍外取層厚為0.1nm進行模擬，其模擬結果如表4所示。表4 背場層厚對太陽能電池性能的影響背場厚度(nm)0.15678910開路電壓voc(mv）791.4793793793793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.0741.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.187.0787.0787.0787.0787.0787.07轉化效率（%）28.3128.3628.3628.3628.3628.3628.36背場厚度(nm)11121314151617開路電壓voc(mv）793793793793793793793短路電流isc（ma/c

10、om）41.0741.0741.0741.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0787.0787.0787.0787.0787.0787.07轉化效率（%）28.3628.3628.3628.3628.3628.3628.36背場厚度(nm)181920開路電壓voc(mv）793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0787.0787.07轉化效率（%）28.3628.3628.36 通過所得數(shù)據(jù)可以看出背場層厚在固定范圍內時，對轉化效率和其他性能幾乎沒有影響，在實際制作時就應考慮成本和制作工藝。由數(shù)據(jù)可繪制背場

11、層厚對四項性能參數(shù)的影響圖，如圖8、9、10、11所示。 圖8 背場層厚對開路電壓的影響 圖9 背場層厚對短路電流的影響圖10 背場層厚對填充因子的影響圖11 背場層厚對轉化效率的影響4.2.2 背場帶隙寬度的優(yōu)化薄膜背場帶隙寬度1.11.8ev，在此范圍內對不同的點進行模擬，得到數(shù)值如表5所示。表5 背場帶隙寬度對太陽能電池性能的影響背場帶隙（ev）1.11.21.31.4開路電壓voc(mv）660.2739.8788.3793短路電流isc（ma/com）39.1640.9241.0741.07填充因子ff(%)83.7179.7586.9987.06轉化效率（%）21.6424.142

12、8.1628.36背場帶隙（ev）1.51.61.71.8開路電壓voc(mv）793793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0887.0787.0787.05轉化效率（%）28.3628.3628.3628.35 由所得數(shù)據(jù)繪制出帶隙寬度對四項性能參數(shù)的影響圖，如圖12、13、14、15所示。圖12 背場帶隙寬度對開路電壓的影響圖13 背場帶隙寬度對短路電流的影響圖14 背場帶隙寬度對填充因子的影響圖14 背場帶隙寬度對轉化效率的影響 由影響圖和模擬數(shù)據(jù)，分析得到太陽能電池轉化效率達到最高時，背場的帶隙寬度應在1.7ev

13、左右，與參考資料相符。4.2.3 背場摻雜濃度的優(yōu)化背場摻雜濃度的范圍是1e22cm。在這個范圍內，以10倍的數(shù)量級進行取點，模擬得到數(shù)值如表6所示。表6 背場摻雜濃度對太陽能電池性能的影響背場摻雜濃度（cm-3）1.00e+151.00e+161.00e+171.00e+18開路電壓voc(mv）793793793793短路電流isc41.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)81.886.7786.9787.02轉化效率（%）26.6428.2628.3328.34背場摻雜濃度（cm-3）1.00e+191.00e+201.00e+211.00e+22開路電壓voc(mv）7

14、93793793791.4短路電流isc41.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0587.0787.0487.1轉化效率（%）28.3528.3628.3528.31由所得數(shù)據(jù)繪制出摻雜濃度對四項性能參數(shù)的影響圖，如圖16、17、18、19所示。圖16 背場摻雜濃度對開路電壓的影響圖17 背場摻雜濃度對短路電流的影響圖18 背場摻雜濃度對填充因子的影響圖19 背場摻雜濃度對轉化效率的影響由影響圖和模擬數(shù)據(jù)，分析得到太陽能電池轉化效率達到最高時，背場的摻雜濃度應在1e20 cm-3左右，與參考資料相符。4.3 結論在進行i-v曲線繪制時，有時運算結束后并未出現(xiàn)填充因子和轉

15、化效率?？蓪-v曲線繪制的最高電壓和運算步驟調大，如圖20所示。圖20 i-v曲線運算設置 由對層厚、帶隙寬度、摻雜濃度的逐個優(yōu)化，模擬制圖得到結論。背場的帶隙寬度應在1.7ev左右，背場的摻雜濃度應在1e20 cm-3左右是轉化效率最高，背場的層厚只要在范圍內對轉化效率幾乎無影響。所以得到的優(yōu)化背場參數(shù)為背場層厚10nm；薄膜背場帶隙寬度1.70ev；薄膜背場的摻雜濃度為1e20 cm-3。模擬結果如圖21所示。圖21 優(yōu)化后背場模擬結果 得到優(yōu)化背場的轉化效率為28.36%，優(yōu)化背場的帶隙寬度、摻雜濃度和層厚，與參考理論值相符，異質結太陽能電池微晶硅背場的模擬與優(yōu)化成功。5 心得體會通過

16、這兩周的課程設計與實踐，我又一次復習了半導體物理的相關知識。同時對太陽能電池有了更加深刻的認識。學習使用afors-he軟件對異質結太陽能電池背場的模擬和優(yōu)化。同時，更加培養(yǎng)了自己的自學能力和解決問題的能力。在拿到任務書后，面臨的第一個問題就是afors-he軟件的使用。由于軟件是德國一個硏究所針對異質結電池專門研發(fā)的，本身并沒有漢化。在對軟件的使用首先是一頭霧水，第一天一直在查單詞，了解每個按鍵是什么意思。不過效果并不好，還是不知道應該怎么做。在預答辯時，陳老師講解了這款軟件的基本使用方法，并且詳細說明了本次課程設計所需要用到的部分，才使我真正學會使用這款軟件。然后是查閱參考資料，并且上網(wǎng)搜

17、索相關文獻。對異質結太陽能電池和背場有了進一步的認識，了解了其工作原理和工作特性還有每層相關的各個參數(shù)。同時也了解了現(xiàn)在太陽能電池在實踐生活中的應用，和其轉化效率。為在軟件上實現(xiàn)模擬做好了充分的前期準備?？傮w而言本次課程設計相對比較簡單，只需對背場的層厚、摻雜濃度還有帶隙寬度進行研究。在真正進行模擬時，由于電腦需要進行比較多的運算，常常死機，這為我完成課程設計帶來了不少的阻礙。實際操作時，又出現(xiàn)了新的問題，模擬后并未出現(xiàn)轉化效率的數(shù)值。對于這個問題我一直不知道怎么辦，請教同學后，發(fā)現(xiàn)大家也有類似的情況出現(xiàn)。在請教完陳老師后才知道是運算范圍和運算步驟太少的原因。通過修改終于完成了設計要求，并且模擬效果較好，使轉化效率達到了28.36%。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。這次課程設計我受益匪淺，掌握了afors-he軟件的使用方法。同時對太陽能電池和背場有了進一步的認識和了解。在此感謝陳老師.，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我