太陽能電池模擬 畢業(yè)論文

1、湖湖 北北 大大 學學 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 （設（設 計）計） 題題 目目新型硅基薄膜太陽能電池器件的設計與模擬新型硅基薄膜太陽能電池器件的設計與模擬 姓姓 名名 彭彭 真真 學學 號號 20062211052200212006221105220021 專業(yè)年級專業(yè)年級 0606 電電 科科 指導教師指導教師 高云高云 職職 稱稱 教授教授 20102010 年年 5 5 月月 5 5 日日 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） I 目 錄 緒論 .1 1 光伏太陽能電池的原理 .2 1.1 光電池的電流電壓特性.2 1.2 描述太陽能電池的參數(shù).3 1.3 影響太陽電池轉換效率的因素

2、.4 2 模擬軟件 AMPS-1D 的介紹 .6 3 單晶硅太陽能電池的設計與模擬 .8 3.1 單晶硅太陽能電池的研究概況及單晶硅性質.8 3.2 設計與模擬結果.9 3.2.1 單晶硅的性能參數(shù) .9 3.2.2 單結型改變厚度 .9 3.2.3 單結型改變摻雜濃度 .12 3.2.4 改變結構 .13 3.3 結論.14 4 多晶硅太陽能電池的設計與模擬 .15 4.1 多晶硅太陽能電池的研究概況及多晶硅性質.15 4.2 設計與模擬結果.15 4.2.1 多晶硅的性能參數(shù) .15 4.2.2 單結型改變厚度 .16 4.2.3 改變摻雜濃度 .19 4.2.4 改變結構 .20 4.3

3、 結論.21 5 非晶硅太陽能電池的設計與模擬 .21 5.1 非晶硅太陽能電池的研究概況及非晶硅性質.21 5.2 設計與模擬結果.23 5.2.1 非晶硅的性能參數(shù) .23 5.2.2 p-i-n 型設計與模擬.23 5.2.3 改變結構 .29 5.3 結論.30 總結 .31 參考文獻 .32 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） II 新型硅基薄膜太陽能電池器件的設計與模擬 摘 要 本論文首先介紹了太陽能電池的光伏原理及其發(fā)展概況，并采用 AMPS-1D 軟件模擬分析了單 晶硅、多晶硅、和非晶硅太陽能電池的光伏特性與器件結構的關系。通過采取 PN 結和 PIN 結兩種 基本結構，改變各層厚度

4、和摻雜濃度，研究厚度和摻雜對太陽能電池轉化效率、填充因子、短路電 流以及開路電壓的影響。通過優(yōu)化提出最佳電池結構設計。 【關鍵詞】硅基太陽能電池 模擬 AMPS-1D 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） III THE MODELLING AND SIMULATION OF NEW-TYPE SILICON-BASED SOLAR CELL ABSTRACT This thesis briefly introduced the basic PV mechanism and the development in PV cell. AMPS-1D software was utilized to sim

5、ulate the photovoltaic property of various device structures for single crystal Si, poly-Si and amorphous Si solar cell. All the parameters used in the simulations were obtained from the reported experimental data. The basis structures were PN and PIN diodes. By varing the thickness and the doping c

6、oncentration of various layers, the photoelectric conversation efficiency, fill factor, short circuit current and open circuit voltage were studied. The best conversation efficiencies were obtained by optimizing the device structures. 【Key words】 silicon-based solar cell, modelling, AMPS-1D simulati

7、on 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 1 緒論 自從 1983 年法國人貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效應”以來，歷經 100 多年的發(fā)展，太陽能電池 技術已經發(fā)展成為了一個相當龐大的學科，同時伴隨著產生了一個相當龐大的產業(yè)鏈。 從產生技術的成熟度來區(qū)分，太陽能電池可以分成： 第一代太陽能電池：晶體硅太陽能電池 第二代太陽能電池：各種薄膜太陽能電池，包括：非晶硅薄膜太陽能電池（a-Si） 、 碲化鉻太陽電池（CdTe） 、銅銦鎵硒太陽電池（CIGS） 、砷化鎵太陽電池、納米二氧化 鈦染料敏化太陽能電池。 第三代太陽電池：各種疊層太陽能電池、熱光伏電池（TPV） 、量子阱及量子點的超晶 格太陽電池、中間帶

8、太陽電池、上轉換太陽電池、下轉化太陽電池、熱載流子太陽電 池、碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。 其中，第一代太陽電池已經進入大規(guī)模產業(yè)化階段，有部分種類已經實現(xiàn)量產，但是技術成熟 程度還有待提高。第三代太陽電池是向著超高效率的方向努力，具備真正突破現(xiàn)有技術瓶頸的概念， 但是目前這種電池還只是停留在概念及理論設計階段，甚至沒有成型的產品問世。 太陽電池從所使用的材料來區(qū)分，又可區(qū)分為： 硅基太陽電池：以硅材料為基本材質，其中包括：單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非 晶硅薄膜太陽電池、納米硅薄膜太陽電池、微晶硅薄膜太陽電池、非晶硅/晶體硅異質結太陽電池。 -族材料太陽電池：CdTe 太陽電池、C

9、IGS 太陽電池。 -族太陽電池：GaAs 系列多結太陽電池、熱光伏太陽電池。 染料敏化太陽電池：主要利用染料對于太陽電池光譜吸收的可變性，與二氧化鈦材料組裝 在一起，制備成可供多種吸收波段的太陽電池器件。 有機材料電池：正在開發(fā)使用有機材料制備出類似葉綠素的太陽電池。 如果從來料方面來評價太陽電池在未來的地位，人們有理由認為，只有硅基材料的太陽能電池 在未來最有可持續(xù)性。因為硅在地球上的豐度為 26%，僅次于氧屬于世界上第二豐富的材料，相比 之下其他電池相關材料的豐度都有限，難以在太陽電池產業(yè)中形成支配性的地位。因此，在未來世 界太陽電池的主流產品仍舊為硅基太陽電池。 目前，由于使用了氮化硅

10、反射膜技術，使得單晶硅太陽電池的效率達到 16.5%。而多晶硅電池 使用了表面織構化技術、氮化硅減反射膜和表面鈍化技術，其效率達到 14.5%-15%。由于硅基太陽 電池和半導體行業(yè)的發(fā)展使得高純硅材料的供應空前緊張，因此，主流太陽電池的產業(yè)化技術進展 主要是進行硅片的超薄化，晶體太陽電池的厚度已經降到了 200-230um，在近幾年內還將繼續(xù)下降 到 180um。如此薄的硅片為太陽電池的制備增加了難度，指的制備技術有很大的改進，包括新型水 平清洗技術、鏈式擴散技術、硼背場技術、激光去邊技術等等。而且，也要求整條生產線具有更高 的自動化水平，出現(xiàn)全自動的生產線，以降低破損率。 太陽電池實驗室技

11、術也有了很大的進展。澳大利亞華裔科學家趙建華保持了單晶硅太陽能電池 的最高紀錄：24.7%。在這種太陽能電池技術中使用了倒金字塔結合雙層減反射膜以降低表面的反 射；采用了硼背場結合背表面鈍化技術減少背表面的復合效應；采用了前后電極的選擇性擴散以減 少以減少歐姆接觸。經過這些技術的改進才到達這樣高的效率，這種效率已經非常接近晶體硅太陽 電池的理論效率。美國的 Sunpower 公司制備了一種將 P 型電極和 N 型電極全部做在背面的太陽能 電池，大大提高了太陽電池的效率，使得產業(yè)化太陽電池的效率提高到 20%以上。日本的三洋公司 用非晶硅的 PECVD 技術與晶體硅襯底相結合的太陽電池技術，制備

12、出了 HIT 太陽電池，其效率達到 21%以上，大面積產業(yè)化效率達到 19.3%。這種電池可以雙面受光，制造成本較低。 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 2 本文主要用 AMPS-1D（A One-Dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structrues）軟件,即一維光電子和微電子器件結構分析模擬 程序，通過改變各層厚度以及摻雜濃度來分析單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的特性。 1 光伏太陽能電池的原理 1.1 光電池的電流電壓特性 光電池工作時共有三股電流：光

13、生電流 IL，在光生電壓 V 作用下的 pn 結正向電流 IF，流經外 電路的電流 I。IL和 IF都流經 pn 結內部，但方向相反。如圖 1.1： 圖 1.1（a） pn 結各電流示意圖 圖 1.1（b） 光伏效應能帶圖 設用一定強度的光照射光電池，因存在吸收，光強度隨著光透入的深度按指數(shù)律下降。因而光 生載流子產生率也隨光照深入而減少，即產生率 Q 是 x 函數(shù)。為了簡便起見，用表示在結的擴 散長度（Lp+Ln）內非平衡載流子的平均產生率，并設擴散長度 Lp 內的空穴和 Ln 內的電子都能擴 散到 p-n 結面而進入另一邊，這樣光生電流 IL應該是： IL=qA（Lp+Ln） (1.2)

14、其中：A 是 p-n 結面積，q 為電子電量。光生電流 IL從 n 區(qū)流向 p 區(qū)，與 IF相反。 如光電池與負載電阻連成通路，通過負載的電流應該是： I=IF-IL= ISexp(qV/kT)-1-IL (1.3) 根據(jù) p-n 結整流方程，在正向偏壓 下，通過結的正向電流為： IF=ISexp(qV/kT)-1 (1.1) 其中：V 是光生電壓，IS是反向飽 和電流。 左圖分別是無光 照和有光照時的 光電池的伏安特 性曲線。 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 3 圖 1.2 光電池的伏安特性 1.2 描述太陽能電池的參數(shù) 不論是一般的化學電池還是太陽能電池，其輸出特性一般都是用下圖所示的電流-

15、電壓曲線來 表示。由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽能電池的四個輸出參數(shù) 圖 1.3 光電池的伏安特性曲線 （1）開路電壓 Voc 在 p-n 結開路情況下（R=） ，此時 pn 結兩端的電壓即為開路電壓 Voc。 這時，I=0，即：IL=IF。將 I=0 代入光電池的電流電壓方程，得開路電壓為： (1.4)1ln SL II q kT Voc （2）短路電流 Isc 如將 pn 結短路（V=0） ，因而 IF=0,這時所得的電流為短路電流 Isc。顯然，短路電流等于 光生電流，即： Isc=IL (1.5) (3)填充因子 FF 在光電池的伏安特性曲線任意工作點上的輸出功率等于該點所對

16、應的矩形面積，其中只有 一點是輸出最大功率，成為最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓 Vop 和最佳工作 電流 Iop。填充因子定義為： (1.6) scocscoc pp IV P IV VI FF max oo 它表示了最大輸出功率點所對應的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽能電池就是能獲得較大 功率輸出的太陽能電池，也就是 Voc，Isc 和 FF 乘積較大的電池。對于有合適效率的電池，該值應 在 0.7-0.85 范圍之內。 （4）太陽能電池的能量轉化效率 Eff 表示入射的太陽光能量有多少能轉換為有效地電能。即： Eff=（太陽能電池的輸出功率/入射的太陽光功率）*10

17、0% = （Vop*Iop/Pin*S）*100% 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 4 = Voc*Isc*FF/(Pin*S) 其中 Pin 是入射光的能量密度，S 為太陽能電池的面積，當 S 是整個太陽能電池面積時，Eff 成為 實際轉換效率，當 S 是指電池中的有效發(fā)電面積時，Eff 叫本征轉換效率。 1.3 影響太陽電池轉換效率的因素 一、禁帶亮度 Voc 隨 Eg 的增大而增大，但另一方面，Jsc 隨 Eg 的增大而減小。結果是可期望在某一個確定 的 Eg 隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。 二、溫度 隨溫度的增加，效率 Eff 下降。Isc 對溫度 T 很敏感，溫度還對 Voc 起主要作用

18、。 對于 Si，溫度每增加 1，Voc 下降室溫值的 0.4%，Eff 也因而降低約同樣的百分數(shù)。例如，一個 硅電池在 20時的效率為 20%，當溫度升到 120時，效率僅為 12。又如 GaAs 電池，溫度每升 高 1，Voc 降低 1.7mv 或降低 0.2%。 三、復合壽命 希望載流子的復合壽命越長越好，這主要是因為這樣做 Isc 大。在間接帶隙半導體材料如 Si 中，離結 100um 處也產生相當多的載流子，所以希望它們的壽命能大于 1us。在直接帶隙材料，如 GaAs 或 Gu2S 中，只要 10ns 的復合壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并增大 Voc。 達到長壽命的關鍵是在

19、材料制備和電池的生產過程中，要避免形成復合中心。在加工過程中，適當 而且經常進行工藝處理，可以使復合中心移走，因而延長壽命。 四、光強 將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產生出大量的電能。設想光強被濃縮了 X 倍，單位電池面積的輸入功率和 Jsc 都將增加 X 倍，同時 VOC 也隨著增加(kT/q)lnX 倍。因而輸出 功率的增加將大大超過 X 倍，而且聚光的結果也使轉換效率提高了。 五、摻雜濃度及剖面分布 對 Voc 有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然 Nd 和 Na 出現(xiàn)在 Voc 定義的對數(shù)項中，它們 的數(shù)量級也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc 愈高。一種稱為重摻雜

20、效應的現(xiàn)象近年來已引起 較多的關注，在高摻雜濃度下，由于能帶結構變形及電子統(tǒng)計規(guī)律的變化，所有方程中的 Nd 和 Na 都應以（Nd）eff 和（Na）eff 代替。既然（Nd）eff 和（Na）eff 顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的 Nd 和 Na 不會再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會減小。 目前，在 Si 太陽電池中，摻雜濃度大約為 1016cm-3，在直接帶隙材料制做的太陽電池中約為 1017 cm-3，為了減小串聯(lián)電阻，前擴散區(qū)的摻雜濃度經常高于 1019 cm-3，因此重摻雜效應在擴散 區(qū)是較為重要的。 當 Nd 和 Na 或（Nd）eff 和（Na）eff 不均勻且朝著結的方向降低

21、時，就會建立起一個電場， 其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了 ISC。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū) 中通常是做不到的；而在擴散區(qū)中是很自然的。 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 5 圖 1.4 高摻雜效應 六、表面復合速率 低的表面復合速率有助于提高 Isc，并由于 Is的減小而使 Voc 改善。前表面的復合速率測量起 來很困難，經常被假設為無窮大。一種稱為背表面場（BSF）電池設計為，在沉積金屬接觸之前， 電池的背面先擴散一層 P附加層。圖 1.5 表示了這種結構，在 P/P界面 圖 1.5 背表面場電池 存在一個電子勢壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復合，在 P/P界面

22、處的復合速率 可表示為 (1.7) n p n n a a n L W L D N N Scoth 其中 N+a，Dn和 Ln+分別是 P區(qū)中的摻雜濃度、擴散系數(shù)和擴散長度。如果 Wp+=0，則 Sn=， 正如前面提到的。如果 Wp+與 Ln+能比擬，且 N+aNa，則 Sn 可以估計零，Sn 對 JSC、Voc 和 Eff 的影響見圖 1.6。當 Sn 很小時，Jsc 和 Eff 都呈現(xiàn)出一個峰。 圖 1.6 背表面復合速率對電場參數(shù)的影響 七、串聯(lián)電阻 在任何一個實際的太陽電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來源可以是引線、金屬接觸柵或電池體 電阻。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴散層。PN

23、結收集的電流必須經過表面薄層再流入 最靠近的金屬導線，這就是一條存在電阻的路線，顯然通過金屬線的密布可以使串聯(lián)電阻減小。一 如左圖，在 P/P+結處的電場 妨礙電子朝背表 面流動 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 6 定的串聯(lián)電阻 RS 的影響是改變 IV 曲線的位置。 八、金屬柵和光反射 在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。為了使 Isc 最大，金屬柵占有的面積應最小。為了使 RS 小，一般是使金屬柵做成又密又細的形狀。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進入 Si 中。裸 Si 表面的反射率約為 40%。使用減反射膜可降低反射率。對于垂直地投射到電池上的單 波長的光，用一種厚為 1/4 波長

24、、折射率等于（n 為 Si 的折射率）的涂層能使反射率降為零。n 對太陽光，采用多層涂層能得到更好的效果。 2 模擬軟件 AMPS-1D 的介紹 AMPS-1D（A One-Dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structrues）軟件,即一維光電子和微電子器件結構分析模擬程序， 是由美國賓西法尼亞州立大學電子材料工藝研究實驗室提供的一維固體器件模擬軟件。 AMPS 采用 牛頓拉普拉斯方法在一定邊界條件下數(shù)值求解聯(lián)立的泊松方程、電子和空穴的連續(xù)性方程，可以

25、用來計算光伏電池、光電探測器等器件的結構與輸運物理特性。AMPS 的主要目的是研究材料性質 （如帶隙、親和勢、摻雜濃度、遷移率、體內和表面能帶狀態(tài)缺陷分布）以及材料的設計及結構如 何影響器件的物理特性，以及器件對光、偏壓、以及溫度的響應。AMPS 允許使用者通過發(fā)覺和比 較能帶圖，電流分量，載流子的復合、產生，電場分布圖，學會器件為什么對給定的條件會有特定 的響應。 如圖 2.1，為 AMPS 的界面： 圖 2.1（a） AMPS 主界面 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 7 圖 2.1（b） 器件各層的參數(shù)設置界面 圖 2.1（c） 器件各層的光譜特性 AMPS-1D 可以用來模擬一系列的器件結

26、構，如： 同質、異質 pn 結、pin 結的太陽能電池以及探測器 同質、異質 pn 結、pin 結、nin 結及 pip 結的微電子結構 多結太陽能電池結構 多結微電子結構 多級結構的探測器和太陽能電池結構 多級結構的微電子結構 新型微電子、光伏效應、光電感應器件結構 具有可選襯底層的肖特基勢壘器件 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 8 從 AMPS 提供的解決方案來看，輸出比如黑暗環(huán)境或光照條件下的 I-V 特性都可以得到，這些 可以被當做溫度的函數(shù)來計算。對于太陽能電池和二極管結構，作為偏壓、光照以及溫度函數(shù)的收 集效率也能夠得到。另外，如作為位置函數(shù)的電場分布、自由和束縛載流子濃度、復合特性

27、、單獨 的載流子流密度也可以能從 AMPS 中得到。如先前所給出的，AMPS 的多功能性可以用來分析大量不 同種類器件的輸運特性，比如單晶硅、多晶硅或非晶硅層的器件。AMPS 是設計用來分析設計優(yōu)化 器件結構，比如微電子結構、光電子結構和光電器件。 3 單晶硅太陽能電池的設計與模擬 3.1 單晶硅太陽能電池的研究概況及單晶硅性質 硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電 池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的?，F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近 成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術，開發(fā)的電池主要有 平面單晶硅

28、電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū) 摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領先水平。該研究所采用 光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構。并在表面把 13nm 厚的氧化物鈍化層與兩層 減反射涂層相結合通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉 化效率超過 23%，是大值可達 233。Kyocera 公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池 轉換效率為 1944%，國內北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研 制的平面高效單晶硅電池（2cm X 2cm）轉換效率達到

29、 19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm X 5cm）轉換效率達 8.6%。 單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據(jù)主導地位，但由 于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降 低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質量材料，尋找單晶硅電池的替代產品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽 能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表 單晶硅特性：熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成 晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。單晶硅具有準金屬的物理性質， 有較弱的導電性，

30、其電導率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導電性。超純的單晶硅是本征半導體。 在超純單晶硅中摻入微量的A 族元素，如硼可提高其導電的程度，而形成 p 型硅半導體；如摻入 微量的A 族元素，如磷或砷也可提高導電程度，形成 n 型硅半導體。單晶硅的制法通常是先制得 多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。下圖為單晶硅晶胞結 構： 圖 3.1 單晶硅的晶胞結構 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 9 3.2 設計與模擬結果 3.2.1 單晶硅的性能參數(shù) 表 3.1 單晶硅的性能參數(shù) 介電常數(shù)11.9 本征載流子濃度（cm-3）1.02*1010 電子遷移率（cm2/V/s）1450

31、 空穴遷移率（cm2/V/s）500 禁帶寬度（eV） （300k）1.12 載流子壽命（us） 130 導帶有效狀態(tài)密度 Nc（cm- 3） 2.8*1019 導帶有效狀態(tài)密度 Nv（cm- 3） 1.1*1019 電子親和能（eV）4.05 功函數(shù)（eV）4.60 3.2.2 單結型改變厚度 考慮頂層為 N 區(qū)的情況（如圖 3.2） ，固定 N 區(qū)厚度，P 區(qū)厚度從小到大，依次增加，模擬中， 所用參數(shù)如下： 表 3.2 頂層為 n 型單結單晶硅太陽能厚度改變時電池參數(shù)設置 前端接觸電勢 PHIBO（eV）0.1 前端電子復合速率 SNO(cm/s)1.00E+07 前端空穴復合速率 SPO

32、(cm/s)1.00E+07 前端反射率 RF0 后端接觸電勢 PHIBL（eV）1 后端電子復合速率 SNL(cm/s)1.00E+07 后端空穴復合速率 SPL(cm/s)1.00E+07 后端反射率 RB0.6 P 區(qū)摻雜濃度（cm-3）1.00E+19 N 區(qū)摻雜濃度（cm-3）1.00E+18 圖 3.2 np（頂層為 n 型）型單晶硅太陽能電池結構示意圖 可得到如下結果： 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 10 02000004000006000008000001000000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Eff

33、 FF n:1019cm-3 p:5*1016cm-3 n=100nm wedth of p-layer/nm Eff/% single-junction of c-Si with n-top-layer 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.90 FF 圖 3.3(a) 轉化效率及填充因子隨厚度的變化 02000004000006000008000001000000 0 10 20 30 40 50 60 Jsc Voc n:1019cm-3 p:5*1016cm-3 n=100nm w

34、edth of p-layer/nm Jsc/(mA/cm2) single-junction of c-Si with n-top-layer 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 Voc/V 圖 3.3（b） 短路電流和開路電壓隨厚度的變化 從圖 3.4 中，可以得知，當固定 N 區(qū)厚度，P 區(qū)厚度依次增加時，轉化效率、短路電流、填充 因子以及開路電壓都隨著 P 區(qū)厚度增加而增加，在 200um 以后，即達到一穩(wěn)定值。經過多次改變 厚度參數(shù)

35、后可以發(fā)現(xiàn)，當 N 區(qū)取 100nm 時，P 區(qū)大概 1000000nm 左右時，轉化效率有最優(yōu)值,綜合 考慮厚度值后,最佳值取在 n 區(qū) 100nm、200000nm 處，其效率為：32.331%，F(xiàn)F 為：0.839，J-V 特 性及能帶圖如圖 3.4： 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 11 -0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.2 0 10 20 30 40 50 60 J/(mA/cm2) voltage/V Eff:32.331% FF:0.839 Jsc:58.336mA/cm2 Voc:0.661V J-V curve of c-Si of p-n

36、 structure 圖 3.4（a） 單結單晶硅最佳值 J-V 特性 050100150200 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Energy/eV position/um vacuum level conducting band valence band Fermi Energy c-Si of single-junction with n-top-layer 圖 3.4（b） 單結單晶硅最佳值能帶圖 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 12 3.2.3 單結型改變摻雜濃度 當 n、p 區(qū)厚度分別為 100nm、200000nm 時，改變 n、p 區(qū)的摻雜濃度，濃度從 1017 cm-3增

37、加 到 5*1019cm-3,模擬中所用到的參數(shù)如下： 表 3.3 頂層為 n 型單結單晶硅太陽能摻雜濃度改變時電池參數(shù)設置 前端接觸電勢 PHIBO（eV）0.1 前端電子復合速率 SNO(cm/s)1.00E+07 前端空穴復合速率 SPO(cm/s)1.00E+07 前端反射率 RF0 后端接觸電勢 PHIBL（eV）1 后端電子復合速率 SNL(cm/s)1.00E+07 后端空穴復合速率 SPL(cm/s)1.00E+07 后端反射率 RB0.6 N 區(qū)厚度（nm）100 P 區(qū)厚度（nm）200000 1E171E181E19 26 28 30 32 34 36 38 40 Eff

38、 FF n=100nm 1019cm-3 p=200000nm dopping level of p-layer/nm Eff/% single-junction of c-Si with n-top-layer 0.810 0.815 0.820 0.825 0.830 0.835 0.840 0.845 FF 圖 3.5（a） 頂層為 n 型單結單晶硅太陽能轉化效率及填充因子隨摻雜濃度的變化 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 13 1E171E181E19 57 58 59 60 Jsc Voc n=100nm 1019cm-3 p=200000nm Jsc/(mA/cm2) dopping

39、level of p-layer/cm-3 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 Voc/V single-junction of c-Si with n-top-layer 圖 3.5（b） 頂層為 n 型單結單晶硅太陽能短路電流及開路電壓隨摻雜濃度的變化 從圖 3.4 中，可以看出：隨著摻雜濃度的增加，轉化效率、填充因子以及開路電壓都隨著 p 區(qū) 的摻雜濃度增加而只有很小的增長，所以為了減小摻雜所帶來的缺陷,p 區(qū)摻雜濃度最佳值選在 5*1016cm-3但是短路電流卻隨著摻雜濃度的增加而減小,到高摻雜 2.5*1019cm-3時短路電流卻突然增 大。頂區(qū)重摻

40、雜是由于其一可以減小頂區(qū)薄層電阻，其二可以降低反向飽和電流，即提高開路電壓。 但是考慮到“死層”以及禁帶變窄效應會使有效摻雜濃度降低，所以頂層重摻雜的上限濃度應設為 1019cm-3。 3.2.4 改變結構 背面加入一層 p+層形成背電場后的轉化效率及能帶圖如圖 3.6（圖 3.6(a) 中黑線為加入背電 場后的曲線，為了對比，紅線為相同厚度單結單晶硅的曲線） ，其中 n、p、p+層厚度 分別為 100nm、200000nm、2000nm，摻雜濃度分別為 1019cm-3、5*1016cm-3、1019cm-3。轉化效率 Eff:34.52%，F(xiàn)F:0.838，Jsc：60.961mA/cm2

41、,Voc:0.674V,比相同厚度下的單結單晶硅效率稍微 大一點，與單結時相比，說明當加入 p+層后，對電池的開路電壓和短路電流都有所提高。 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 14 -0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.4 0 10 20 30 40 50 60 J/(mA/cm2) Voltage/V double-junction with p+ Eff:34.52% FF:0.84 single-junction Eff:32.352% FF:0.839 comparison between double-junction and single-junction of c-S- 圖

42、 3.6（a） 加入背電場雙結單晶硅 J-V 圖 050100150200 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Energy/eV position /um vacuum level conducting band Fermi Energy valence band double-junction with 圖 3.6（b） 加入背電場雙結單晶硅能帶圖 3.3 結論 通過比較單結晶單結型厚度的變化、濃度的變化、以及與雙結型做比較，可以得知：由于單晶 硅遷移率比較大，所以在可以模擬的范圍內，其轉化效率都是隨著厚度的增加而增加，在 200um 時， 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 15 就已經幾

43、乎達到穩(wěn)定值，所以，在單晶硅太陽能電池設計時，為了減小不必要的材料損耗，可以在 效率與電池厚度兩個參數(shù)中選取折中。當改變 p 型基區(qū)摻雜濃度時，四項物理特性參量 （Eff、FF、Jsc 和 Voc）都隨濃度變化關系不大，其中短路電流是先減小后有增大，考慮到效率增 加的不多，所以為了避免摻雜帶來不必要的缺陷，可以將基區(qū)摻雜濃度設置的低一些。當背面加上 一層 p+結時，形成一層背面電場，p/p+結可以有效的阻止少數(shù)載流子電子的通過，而允許多數(shù)載流 子空穴通過，增加了載流子搜集率，這樣就提高了短路電流和開路電壓，因而可以有效的提高效率； 同時也更便于制作成歐姆接觸，減小了接觸電阻；從能帶圖上看，p-

44、p+結有利于多子空穴向電極方 向流動，因而降低了體電阻和接觸電阻所引起的串聯(lián)電阻，從而使電池的填充因子得到改善。 4 多晶硅太陽能電池的設計與模擬 4.1 多晶硅太陽能電池的研究概況及多晶硅性質 以上討論中，單晶硅由于其無位錯、少子壽命長和少子擴散長度較長，因此電池的轉化效率較 其他硅材料高，實驗室最高轉換效率已達 24.7%，但其制備較復雜、成本較高、因此制造成本較低 和轉換效率較高的多晶硅太陽能電池成為國際光伏界的研究熱點，為了實現(xiàn)多晶硅太陽能電池的大 規(guī)模應用，電池轉換效率是最關鍵的參數(shù)，已報道的實驗室最高轉換效率為 20.3%。 多晶硅太陽能電池較單晶硅太陽能電池的光電轉換效率低的一個

45、最重要的原因是多晶硅中存在 較多的晶粒及其晶粒間界（簡稱晶界） 。晶界是一個晶向的晶粒向另一個晶向的晶粒的過渡區(qū)，它 的結構復雜，原子呈無序排列，其厚度通常為幾個原子層。晶界存在著各種界面態(tài)、界面勢壘、懸 掛鍵和缺陷態(tài)，形成了高密度的陷阱，其本身具有電活性，當雜質偏聚或沉淀于此時，晶界的電活 性會進一步增強，而成為少數(shù)載流子的復合中心，導致載流子的收集幾率下降，短路電流降低，暗 電流增加，最終影響轉換效率。因此，轉換效率除了受到少子壽命、表面復合速率、電池厚度等因 素的影響外，最主要的是受到晶粒尺寸和形狀的影響。 4.2 設計與模擬結果 4.2.1 多晶硅的性能參數(shù) 表 4.1 多晶硅的材料性

46、能參數(shù) 多晶硅材料是由許多小晶粒組成，在晶粒內部原子周期性地有序排列，因此可以把每個晶?？?成一塊小的單晶體，同時每個小晶粒體內部的摻雜濃度、遷移率等的分布均勻。下圖顯示多晶硅電 池的兩種結構。當晶粒是任意方向時，則只有最上層的晶粒對電池的輸出特性有貢獻，而下層的晶 粒則被晶界隔離從而對電池的輸出特性沒有貢獻；當多晶硅的晶粒是柱狀時，晶界垂直于電池表面， 而每個柱狀晶粒內的光生載流子在電池內部的輸運過程中都能通過 p-n 結被收集，不會通過晶界產 生復合，因此整個電池的厚度都對輸出有貢獻，晶界復合對載流子的壽命的影響可以忽略，因此多 晶硅太陽能電池的性能類似于單晶硅太陽能電池。 介電常數(shù) 11

47、.9 電子遷移率（摻雜層）（cm2/V/s） 750 空穴遷移率（摻雜層）(cm2/V/s) 250 禁帶寬度（eV）（300k） 1.12 電子親和能（eV） 4.05 導帶狀態(tài)密度 Nc（cm-3） 2.8E+19 價帶狀態(tài)密度 Nv（cm-3） 1.04E+19 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 16 圖 4.1 多晶硅晶粒結構 在這里模擬中，所取的是多晶硅的理想狀況，即假設： 假設多晶粒中所包含的所有晶粒都是柱狀的，且晶粒垂直于結面，每個晶粒大小、形狀、電學 性質（摻雜濃度、少子遷移率和擴散長度）和光學性質（表面反射、受光照情況）一致； 忽略晶粒結構的其他不完整性； 晶粒內的摻雜濃度均勻，

48、且在室溫下雜質全部電離； 晶粒間界處的摻雜雜質全部為非電激活； 忽略晶界厚度的影響（一般為幾個原子層厚度） ； 假設晶界是部分耗盡的； 電池具有背面電場時，背面復合速率考慮為 Sn=1*103cm/s;當背面為歐姆接觸時，背面復合速 率考慮為 Sn=1*107cm/s,以便接近更實際的情況。 4.2.2 單結型改變厚度 考慮頂層為 n 區(qū)，模擬中所用參數(shù)如下： 表 4.2 頂層為 n 型單結多晶硅太陽能厚度改變時電池參數(shù)設置 前端接觸電勢 PHIBO（eV） 1.0 前端電子復合速率 SNO(cm/s) 1.00E+07 前端空穴復合速率 SPO(cm/s) 1.00E+07 前端反射率 RF

49、 0 后端接觸電勢 PHIBL（eV） 0.2 后端電子復合速率 SNL(cm/s) 1.00E+07 后端空穴復合速率 SPL(cm/s) 1.00E+07 后端反射率 RB 0.6 圖 4.2 給出的是 n 區(qū)厚度為 100nm 時 p 區(qū)厚度從小到大變化的情況，其中 n 區(qū)摻雜濃度為 1019cm-3,p 區(qū)摻雜濃度為 5*1016cm-3： 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 17 02000004000006000008000001000000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Eff FF n=100nm n:1019cm-

50、3 p:5*1016cm-3 wedth of p-layer/nm Eff/% single-junction of p-Si with n-top-layer 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.90 FF 圖 4.2(a) 頂層為 n 型單結多晶硅太陽能電池轉化效率及填充因子隨厚度的變化 02000004000006000008000001000000 0 10 20 30 40 50 60 Jsc Voc n=100nm n:1019cm-3 p:5*1016cm-3 wedth

51、 of p-layer/nm Jsc/(mA/cm2) 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 Voc/V single-junction of p-Si with n-top-layer 圖 4.2(b) 頂層為 n 型單結多晶硅太陽能電池短路電流及開路電壓隨厚度的變化 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 18 由圖 4.2 可以看出：當 p 區(qū)厚度為 200um 時,多晶硅電池的轉化效率已經基本達到穩(wěn)定值,而其 他各項參數(shù)隨厚度的變化關系都相同。np 區(qū)厚度分別為 100nm、200000nm 時的各項輸出參數(shù)如圖 4.3： -0.8-0.6-0.4-0.

52、20.00.20.40.60.81.01.2 0 10 20 30 40 50 60 J/(mA/cm2) Voltage/V Eff:31.143% FF:0.836 Jsc:51.139mA/cm2 Voc:0.652V 圖 4.3(a) 單結多晶硅最佳值的 J-V 曲線 050100150200 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Y Axis Title position/ vacuum level conducting band Fermi Energy valence band 圖 4.3(b) 單結多晶硅最佳值的能帶圖 4.2.3 改變摻雜濃度 把 n、p 區(qū)的厚度分別設為

53、100nm、200000nm，n 區(qū)的摻雜濃度為 1019cm-3，所用參數(shù)設置如下： 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 19 表 4.3 頂層為 n 型單結多晶硅太陽能電池濃度改變時電池參數(shù)設置 前端接觸電勢 PHIBO（eV） 1.0 前端電子復合速率 SNO(cm/s) 1.00E+07 前端空穴復合速率 SPO(cm/s) 1.00E+07 前端反射率 RF 0 后端接觸電勢 PHIBL（eV） 0.1 后端電子復合速率 SNL(cm/s) 1.00E+07 后端空穴復合速率 SPL(cm/s) 1.00E+07 后端反射率 RB 0.6 得到的模擬結果如下： 1E171E181E19 2

54、8 30 32 Eff FF n=100nm 1019cm-3 p=200000nm dopping level of p-layer/cm-3 Eff/% 0.820 0.825 0.830 0.835 0.840 0.845 0.850 0.855 0.860 FF single-junction of p-Si 圖 4.4(a) 頂層為 n 型單結多晶硅太陽能電池轉化效率與填充因子隨濃度的變化 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 20 1E171E181E19 54 55 56 57 58 59 60 Jsc Voc n=100nm 1019cm-3 p=200000nm dopping le

55、vel of p-layer/cm-3 Jsc(mA/cm2) single-junction of p-Si 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 Voc/V 圖 4.4(b) 頂層為 p 型單結多晶硅太陽能電池短路電流與開路電壓隨濃度的變化 由上圖可知：隨著 p 區(qū)摻雜濃度的增加，電池各項因子都先有稍微增長，隨后基本不變，所以 為了減小摻雜所帶來的缺陷，可以將 p 區(qū)濃度設置為 5*1016cm-3。 4.2.4 改變結構 加入 p+層，形成背電場后，其中 n、p、p+層厚度分別為 100nm、20000nm、2000nm，摻雜濃度 分別為 1019cm-3、1018

56、cm-3、1019cm-3,其 J-V 曲線（圖 4.5（a）中實線所示）及能帶圖如圖,由圖中 可以看出，如同單晶硅一樣，加入背電場后，在同樣厚度及濃度情況下，效率有所增加： -0.6-0.4-0.20.00.20.4 0 10 20 30 40 50 60 J/(mA/cm2) voltage/V double-junction Eff:31.679% FF:0.837 single-junction Eff:31.143% FF:0.836 comparison single-junction and double-junction of p-Si 圖 4.5(a) 單結型多晶硅與雙結型多

57、晶硅的 I-V 曲線比較 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 21 圖 4.5(b) 加入背電場的能帶圖 4.3 結論 通過以上模擬多晶硅改變厚度及摻雜濃度時的結果可知：由于在本實驗模擬中，各項參數(shù)都跟 單晶硅的幾乎相同，所以模擬結果同單晶硅一樣，在可模擬范圍內，轉化效率都隨厚度增加而增加， 到一定厚度后，就趨于平穩(wěn)。隨濃度的變化關系也與單晶硅類似。加入背面電場后，轉化效率也同 樣有稍微增加。但是如上所說，本文中所模擬的多晶硅是一種理想狀況，即假設多晶硅的晶粒是柱 狀的，并且垂直與受光面，這樣不必考慮晶粒間的載流子輸運問題。要制造出高效率的多晶硅太陽 能電池，也同樣要考慮成本與效率以及制造工藝的多重

58、關系。 5 非晶硅太陽能電池的設計與模擬 5.1 非晶硅太陽能電池的研究概況及非晶硅性質 非晶硅由于高的吸收吸收，所以易制成薄膜電池，為了降低太陽能電池單元的制造成本，首先， 要減少材料消耗。結晶型太陽能電池用厚度為 0.13mm0.15mm 的單晶硅或多晶硅片，進一步減薄 受到強度的限制。而薄膜型太陽能電池可用廉價的玻璃基片或柔性材料作基片，吸收層厚度為微米 級；其次，能減少制造過程中的能耗。單晶硅或多晶硅太陽能電池的制造要用 1000高溫擴散和 850燒結烘烤，電阻加熱爐需消耗大量電力，非晶硅太陽能電池用等離子體薄膜工藝只要 300 左右的溫度。還有，薄膜電池適合采用更大面積的基片。 非晶

59、硅太陽能電池的發(fā)展：1975 年 Spear 等人利用硅烷的直流輝光放電技術制備出 a-Si:H 材料， 即用氫原子補償了懸掛鍵等缺陷態(tài)，才實現(xiàn)了對非晶硅材料的摻雜，非晶硅材料開始得到應用。 050100150200 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Energy/eV position/um vacuum level conducting band Fermi Level valence band double-junction of p-Si with p+ layer 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 22 圖 5.1 非晶硅結構 CRN 模型 圖 5.2 某些半導體材料的光吸收系數(shù)

60、非晶硅太陽能電池之所以受到人們關注和重視，是因為一下優(yōu)點： 1.非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)（如圖 5.2） 。特別是在 0.3-0.75um 的可見光波段，它的吸收系 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 23 數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量級(由于其為直接帶隙半導體,因此光子激發(fā)電子到導帶,不需要聲子的幫 組,直接在電場下就可以形成電流)。因而他比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高 40 被左右，用很薄 的非晶硅膜（約 1um 厚）就能吸收 90%有用的太陽能。 2.非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在 1.5eV-2.0eV 的范圍內變化，這樣制 成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。 3.制備非晶