謝翔用于上傳的定稿2

1、貴州師范學(xué)院畢業(yè)論文學(xué)科分類號(hào)140.50 本 科 畢 業(yè) 論 文 題 目 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池光電特性研究 姓 名 謝翔 學(xué) 號(hào) 1207030540056 院 (系) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級(jí) 2012級(jí) 指導(dǎo)教師 陳德良 職 稱 副教授 二一六年五月貴州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明

2、的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本科畢業(yè)論文作者簽名： 年 月 日目 錄摘 要1Abstract21 前言31.1 概論31.2 全球的太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀31.3 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀42 太陽(yáng)電池的工作原理42.1 太陽(yáng)能電池的介紹42.2 P-N結(jié)42.3 太陽(yáng)能的重要參數(shù)52.3.1 開(kāi)路電壓Voc52.3.2 短路電流ISC52.3.3 輸出功率62.3.4 填充因子62.3.5 轉(zhuǎn)換效率62.4 影響電池效率的因素及改進(jìn)方法73 異質(zhì)結(jié)83.1 異質(zhì)結(jié)的發(fā)展83.2 異質(zhì)結(jié)的特點(diǎn)84 太陽(yáng)能電池84.1 高效硅基太陽(yáng)能電池84.2 硅基異質(zhì)結(jié)的發(fā)展95 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的研究95.1 硅基異質(zhì)結(jié)

3、太陽(yáng)電池的發(fā)展95.2 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的研究105.2.1 HIT電池115.2.2 納米結(jié)構(gòu)用在硅基異質(zhì)結(jié)電池中125.2.3 硅基同質(zhì)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池135.3 SILVACO TCAD軟件14II結(jié)語(yǔ)15參考文獻(xiàn)16致 謝181摘 要在當(dāng)今能源匱乏的情況下，人們對(duì)太陽(yáng)能的利用顯得尤為的重要。隨著研究太陽(yáng)能電池地不斷進(jìn)步影響著人們?cè)谖磥?lái)各方面的進(jìn)步，世界上大多數(shù)國(guó)家都對(duì)太陽(yáng)能的研究和使用充滿熱情。我們認(rèn)識(shí)的首代單晶與多晶硅電池雖然制地技術(shù)不錯(cuò)，但是其消耗的原料多，制作的價(jià)格高，光電轉(zhuǎn)換的效率又不理想。二代的薄膜電池價(jià)格是降低了，但是不夠穩(wěn)定，在這兩代電池的基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)數(shù)研發(fā)人員多年的努

4、力，隨著天陽(yáng)能電池制作工藝不斷地進(jìn)步，人們將異質(zhì)結(jié)應(yīng)用到了太陽(yáng)能電池中，從而打開(kāi)了第三代發(fā)展方向的大門。本文通過(guò)理解太陽(yáng)能電池的工作原理，從中發(fā)現(xiàn)影響太陽(yáng)能電池效率的因素，然后介紹將納米結(jié)構(gòu)用在硅基異質(zhì)結(jié)電池中和將同質(zhì)結(jié)用到硅基異質(zhì)結(jié)電池中優(yōu)點(diǎn)，并介紹Silvaco TCAD這款仿真軟件，最后對(duì)硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池做出發(fā)展方向的預(yù)測(cè)。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能是太陽(yáng)能發(fā)展的前沿，隨著研究的進(jìn)步，其更高效率的研究成為科研人員追求的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：異質(zhì)結(jié)；太陽(yáng)能電池；光生伏特效應(yīng)AbstractIn todays energy shortage situation, the use of solar ener

5、gy is particularly important. With the progress of research on solar cells, the progress of people in all aspects of the future, most countries in the world are full of enthusiasm for the study and use of solar energy. We know that the first generation of single crystal and polycrystalline silicon c

6、ell technology is good, but it consumes more raw materials, the production of high prices, the efficiency of photoelectric conversion is not ideal. Second-generation thin-film battery price is lower, but is not stable enough, in these two generations of battery based, through numerous R & D staff ye

7、ars of effort, with solar battery production process of continuous progress, people will heterojunction applied to solar cells, thus opened the door of the third generation of development direction.This paper, through understanding the working principle of solar cells, from found factors to affect t

8、he efficiency of solar cells, and then the nano structure is used in silicon heterojunction solar cells and the homojunction use advantages of silicon heterojunction solar cells, and introduces the SILVACO TCAD this simulation software and finally of silicon based hetero junction solar cells make a

9、prediction of the development direction. Silicon based heterojunction solar energy is the forefront of the development of solar energy, with the progress of research, its more efficient research has become the pursuit of the goal of researchers.Keywords: heterojunction; solar cell; photovoltaic effe

10、ct1 前言1.1 概論我們現(xiàn)在無(wú)時(shí)無(wú)刻不在使用電子產(chǎn)品，在交通工具泛濫的今天，電、石油和天然氣已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的一部分，在有些地方使用的電主要還是用煤來(lái)發(fā)電的1。我們?nèi)紵膫鹘y(tǒng)能源煤、石油和天然氣等物質(zhì)所帶來(lái)的有污染的物質(zhì)和溫室氣體對(duì)我們賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生著巨大影響，所造成的環(huán)境污染在不斷地威脅著人類的基本生存。并且這些能源都是有限資源，它們正在不斷地走向枯竭。在使用過(guò)程中都會(huì)或多或少的產(chǎn)生一些不宜物質(zhì)。隨著近年來(lái)全球溫度越來(lái)越高，人們開(kāi)始意識(shí)到環(huán)境的重要性，為了還能看到未來(lái)，我們不得不重視環(huán)境。這不是一個(gè)國(guó)家能做到的，需要全球一起共同努力，我們需要保護(hù)我們賴以生存的大自然。而我們

11、生活中無(wú)時(shí)無(wú)刻不在破壞環(huán)境，所以人類迫切的需要尋找新的潔凈的對(duì)環(huán)境和人類的健康無(wú)害的可持續(xù)發(fā)展的能源，必須減少對(duì)煤、石油等能源的依賴2。車和電已經(jīng)讓人們無(wú)法離開(kāi)，這是人類的發(fā)展所需，既然我們離不開(kāi)，那么我們就只能改進(jìn)它。自從第一次石油危機(jī)和日本的福島核事故的出現(xiàn)警醒著我們既要開(kāi)發(fā)新的可持續(xù)發(fā)展能源，同時(shí)又要注意新能源的安全問(wèn)題。太陽(yáng)能已經(jīng)照耀我們地球無(wú)數(shù)個(gè)紀(jì)元，但是它依然如舊，我們離它那么遠(yuǎn)，依然能收到如此高的能量，并且它對(duì)我們的身體健康是有益的。由此可見(jiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為電能是全球保護(hù)環(huán)境并且實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。對(duì)太陽(yáng)能電池的研究要求：一是追求盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率，從而降低產(chǎn)生相同電

12、力時(shí)所需昂貴半導(dǎo)體材料。二是選擇其他新的材料和精致的制作工藝減少電池制作的成本。面對(duì)能源危機(jī)我們不能逃避，所以我們必須不斷對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行研究并使之普及。1.2 全球的太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀2015年，全球的光伏市場(chǎng)都強(qiáng)勁地增長(zhǎng)著，新增裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將超過(guò)50GW，日、美、歐在新增裝機(jī)容量上最靠前，占作為第一的我國(guó)的一半左右，其他新的市場(chǎng)也不斷增加。照這樣發(fā)展下去，14年左右太陽(yáng)能發(fā)電將有望占據(jù)全球發(fā)電總量的十分之一。1.3 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀近九個(gè)月我國(guó)就對(duì)與光伏有關(guān)的行業(yè)增加了超過(guò)三分之一的資助，在財(cái)力物力的支持下，我國(guó)的自主研究發(fā)展取得了可觀的成就，單晶硅、多晶硅、銅銦鎵硒、砷化鎵等的發(fā)電技術(shù)在國(guó)際上

13、都處于領(lǐng)先的地位，甚至有些已經(jīng)打破了世界紀(jì)錄。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)的發(fā)電成本不斷降低。2 太陽(yáng)電池的工作原理2.1 太陽(yáng)能電池的介紹當(dāng)光照在p-n結(jié)上且能量大于它的禁帶寬度時(shí)，會(huì)在p-n結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，使得產(chǎn)生的非平衡載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，從而產(chǎn)生光生電勢(shì)，打破了原來(lái)的平衡3。如果將p-n結(jié)和外電路相連，就會(huì)在電路中出現(xiàn)電流，這種現(xiàn)象就叫光生伏特效應(yīng)45。而能將光能轉(zhuǎn)換為電能的產(chǎn)品就是太陽(yáng)能電池。2.2 P-N結(jié)在一塊n型（或者p型）半導(dǎo)體晶體上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ò裵型（或者n型）雜質(zhì)摻入其中，讓此晶體的不同位置分別顯示n型和p型的導(dǎo)電類型，其交界面處就叫P

14、-N結(jié)6。唯一的n或p型半導(dǎo)體是不顯電性的，但在兩塊半導(dǎo)體形成P-N結(jié)的過(guò)程中，由于p區(qū)內(nèi)空穴占多數(shù)，電子占極少數(shù)；而n區(qū)內(nèi)則電子占多數(shù)，空穴占極少數(shù)，在交界面的兩側(cè)出現(xiàn)電子和空穴濃度不一樣，從而使得了空穴從p區(qū)到n區(qū)，電子從n區(qū)運(yùn)動(dòng)到p區(qū)，即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖2.1所示。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在P區(qū)的空穴離開(kāi)后，在p區(qū)靠近n區(qū)的地方出現(xiàn)等數(shù)量的電子，這個(gè)區(qū)域叫負(fù)電荷區(qū)，同理在n區(qū)靠近p區(qū)的地方出現(xiàn)一個(gè)正電荷區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域叫作空間電荷區(qū)7，如圖2.2所示。在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)叫內(nèi)建電場(chǎng)。圖2.1 載流子的擴(kuò)散過(guò)程圖2.2 P-N結(jié)空間電荷區(qū)2.3 太陽(yáng)能的重要參數(shù)太陽(yáng)電池電特性的幾項(xiàng)重要參數(shù)是開(kāi)路電壓(

15、Voc)、短路電流(Jsc)、最大輸出功率(Pm)、填充因子(FF)和轉(zhuǎn)換效率()89。2.3.1 開(kāi)路電壓Voc在電池受到光射并且是開(kāi)路的情況時(shí)，I=0，由此可得：VOC=Ln+(IL/L0+1)KBT/q (2.1)因?yàn)镮L與照射光的強(qiáng)度成正比，VOc又是一個(gè)有限值，所以有如下式： (2.2)開(kāi)路的電壓隨飽和電流logI0的增大而減小。禁帶寬度不斷增加，I0就會(huì)隨之減小，但是Voc會(huì)變大，并且Voc受溫度影響，與之成反比。2.3.2 短路電流ISC用表示短路電流。RL等于零、V等于零，則有：ISC =I =IL （2.3)光電流密度JL即光電流IL除以光電池面積，可以表示為：JL =q0N

16、(Eg) （2.4)收集的效率是式子中的0；當(dāng)所給的能量不斷增大超過(guò)了Eg時(shí)的光子流密度時(shí)式子中的N（Eg），禁帶距離即寬度是式子中的Eg。2.3.3 輸出功率由圖2.3看出，由太陽(yáng)能電池特性曲線上我們可以求得負(fù)載電阻，只要給出實(shí)線上的一個(gè)點(diǎn)，我們就能求得對(duì)應(yīng)的。在實(shí)線上存在一個(gè)W點(diǎn)，能使該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流電壓之積最大。即Pm=ImVm (2.5)稱W點(diǎn)、Im、Vm、Pm分別為太陽(yáng)電池的最佳狀態(tài)9。 圖 2.3 太陽(yáng)電池 I-V 特性曲線2.3.4 填充因子填充因子專門衡量太陽(yáng)能電池性能好壞的，值越高越好，其表達(dá)式為：FF=Pm/(VOCISC) (2.6)2.3.5 轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率決定太陽(yáng)

17、電池性能好壞，它的表達(dá)式為：=Pm/Pin=VOCISCFF/Pin (2.7)所以有Pm為：Pm=VOCISCFF (2.8)因此，在規(guī)定的條件下我們可以從調(diào)節(jié)VOC、ISC和FF來(lái)求得最大的Pm。2.4 影響電池效率的因素及改進(jìn)方法目前來(lái)看，a-Si太陽(yáng)電池經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)主要有ITO/N-I-P/金屬基板太陽(yáng)電池和Al/N-I-P/TCO/玻璃基板太陽(yáng)電池兩種。太陽(yáng)光和電池本身影響著太陽(yáng)電池的效率，因此可以從這兩方面來(lái)考慮改善電池效率。從太陽(yáng)光方面考慮，可以通過(guò)聚光來(lái)提高太陽(yáng)電池效率，光強(qiáng)是影響太陽(yáng)電池的發(fā)電量的重要因素，一定區(qū)域里，光強(qiáng)與發(fā)電量成正比關(guān)系。從電池本身考慮，限制太陽(yáng)電池電池

18、效率的原因主要包括以下幾方面：(1)溫度 電路短路產(chǎn)生的電流值和開(kāi)路狀態(tài)下的電壓值會(huì)隨溫度而變化，從而導(dǎo)致電池的效率隨溫度的增加而下降，因此控制好溫度是提高我們電池的效率必須考慮的因素。(2)前表面鈍化采用激光刻槽埋柵金屬化和絲網(wǎng)印刷工藝可以減少串聯(lián)電阻和遮擋帶來(lái)的損失。非晶硅太陽(yáng)電池面臨的最大問(wèn)題是轉(zhuǎn)換效率較低以及穩(wěn)定性差，通過(guò)不斷的研究對(duì)于解決這些問(wèn)題有了很大突破主要體現(xiàn)在以下幾方面：1)窗口層應(yīng)采用禁帶寬的材料，將原來(lái)的a-Si換成a-SiC，因?yàn)楹笳呔哂休^高光學(xué)帶隙。2)本征層厚度的選取存在最優(yōu)值，與局部能級(jí)密度有關(guān)。3)N層與P層的要求大致相同，選取c-Si作為N層材料，可以有效減小

19、串聯(lián)電阻。4)將原先的平面ITO用絨面SnO2替代，采用多層背反射電極，可以有效減少反射和透射帶來(lái)的損失。5)通過(guò)改變電池結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不同帶隙的疊層電池或者采用梯度界面層來(lái)提高電池效率和穩(wěn)定性。3 異質(zhì)結(jié)3.1 異質(zhì)結(jié)的發(fā)展異質(zhì)結(jié)是由兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料相接觸而形成的接觸過(guò)渡區(qū)11。第一代太陽(yáng)能電池以晶體硅和多晶硅為代表，而第二代以晶硅薄膜顯著，但是它們都存在價(jià)格高和效率低的問(wèn)題。自1992年,異質(zhì)結(jié)第一次被日本人Makoto Tanaka和Mikio Taguchi等用在硅基太陽(yáng)能電池的制作中12。從此有了新型的硅基太陽(yáng)能電池，得到了大家研究工作者的青睞。3.2 異質(zhì)結(jié)的特點(diǎn)(1)異質(zhì)

20、結(jié)對(duì)太陽(yáng)能電池吸收較寬的光譜帶是有助力的，能讓太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率增加13。相對(duì)來(lái)說(shuō)與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)用上同質(zhì)結(jié)的晶硅太陽(yáng)能電池吸收的太陽(yáng)光波長(zhǎng)范圍只能在0.3微米至1.1微米這個(gè)范圍內(nèi) ,雖然在這個(gè)波長(zhǎng)范圍的能量達(dá)到總太陽(yáng)光能量的百分之四十六，但是無(wú)法將占百分之五的紫外區(qū)和占百分之四十九的紅外區(qū)太陽(yáng)能吸收或轉(zhuǎn)化為熱14。但是當(dāng)將我們異質(zhì)結(jié)應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中后，此電池能吸收一些晶硅電池所不能吸收的太陽(yáng)光，這樣可以增加太陽(yáng)電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率15。(2)異質(zhì)結(jié)能使內(nèi)建電場(chǎng)加強(qiáng)，注入的效率得到提上來(lái)16。(3)使用上異質(zhì)結(jié)使得相對(duì)單獨(dú)的硅晶太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)在硅這種原料上使用量降低，成品價(jià)格也因此

21、降了下來(lái)。4 太陽(yáng)能電池4.1 高效硅基太陽(yáng)能電池改善以下幾點(diǎn)有望讓產(chǎn)業(yè)化的硅基電池實(shí)現(xiàn)25%的效率：(1) 改進(jìn)以硅作為襯底的用料并讓少子的壽命增加。光生載流子在P 型硅這種材料中存在的時(shí)間不長(zhǎng)，目前只有 N 型材料讓硅電池實(shí)現(xiàn)25%效率。(2) 在電池中使用背接觸結(jié)構(gòu)。這樣可以通過(guò)將電極遮光減少來(lái)讓電池的效率增加。在其中用到的激光技術(shù)要求其本身和工藝都很嚴(yán)格，但是它的應(yīng)用能減少成本，有望在未來(lái)的電池工藝上大幅使用。(3)將硅基異質(zhì)結(jié)運(yùn)用到太陽(yáng)能電池中。4.2 硅基異質(zhì)結(jié)的發(fā)展非晶硅薄膜和晶體硅的異質(zhì)結(jié)在研究方向上是很火的，在制作上常用n型的硅片作為襯底，在其上沉積高質(zhì)量的p型非晶硅的薄膜，

22、并通過(guò)加入非晶硅薄本征層的方法來(lái)減少?gòu)?fù)合中的損失，同時(shí)使反向的漏電流減少，從而來(lái)提高性能。有研究者用p型硅作為襯底，這樣的做法有很好的兼容性，但是其導(dǎo)電性卻降低了。美國(guó)的Joan Redwing等采取將非晶硅薄層覆蓋在豎直的以硅為原料的納米棒上，形成一種叫作非晶硅薄膜/晶硅納米棒的新型異質(zhì)結(jié)，然后又將將納米、異質(zhì)結(jié)和薄膜太陽(yáng)能這些技術(shù)都使用在一起，來(lái)期望用納米的這種結(jié)構(gòu)來(lái)使接受太陽(yáng)光的面積變大，從而將能量的轉(zhuǎn)換效率提高。隨著硅的摻雜技術(shù)不斷完善的情況下，由于n與p型的材料制作起來(lái)容易，做異質(zhì)結(jié)的選擇也就不少了。如作為n型材料GaN、SiC等組合，作為p型材料可以與InAs、ZnSe和ZnO等材

23、料組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且有人在這方面做出了好的作品。近年來(lái)隨著ZnO這種納米材料的不斷迅猛發(fā)展，ZnO/n-Si的成效也較高，轉(zhuǎn)換效率都達(dá)到了8.5%，ZnO/p-Si的也達(dá)到了6.3個(gè)百分比，ZnO/S在完善制備方法后性能也得到較好的改善。美國(guó)的Michael Naughton等研究出了能將光子與光生載流子傳輸?shù)穆窂酵耆糸_(kāi)的非晶硅薄膜/碳納米管異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，這種電池有希望將轉(zhuǎn)換效率提上來(lái)。5 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的研究5.1 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的發(fā)展世界各國(guó)的研究人員陸續(xù)研究了各種新型的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池17，有人在不斷地研究中用非晶C膜的半導(dǎo)體這種特別的性質(zhì)來(lái)研究開(kāi)發(fā)a-C/c-Si、a-

24、C/C60/c-Si 等這些比較新型的走向完善路上不可缺少的太陽(yáng)電池，但是它們無(wú)法得到普及，因?yàn)樗鼘⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的效率太低了。在這些嘗試性的研究中也有些比較成功的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，即:a-Si:H/c-Si、nc-Si:H/c-Si。以較為突出的a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)作為示范，闡述幾點(diǎn)讓硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)高效率的條件：(1)進(jìn)行對(duì)c-Si襯底的表面做足預(yù)先的加工與完善。(2)改進(jìn)并完善 a-Si:H 層制作中的沉積技術(shù)。(3)對(duì)沉積后出現(xiàn)的膜層的后續(xù)加工與工藝做改進(jìn)。Korte L根據(jù)上述方法成功的制備了(p)a-Si:H/(n)c-Si 和(n)a-Si:H/(p)c-Si 異質(zhì)

25、結(jié)太陽(yáng)電池，將它們的轉(zhuǎn)換效率分別提升到了19.8和18.5個(gè)百分比的新高度18。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池不但有著非晶硅的寬帶隙還有著晶體硅的穩(wěn)定性以及很高的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)沒(méi)有非晶硅薄膜太陽(yáng)電池中的光致衰減這個(gè)問(wèn)題，并且用于生產(chǎn)的花銷也得到減少。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)中存在復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)界面以及本征層等使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到許多條件的共同影響，使得其在性能和效率上不易達(dá)到理論值。電池的輸出受到界面態(tài)的影響，缺陷的密度高了就會(huì)降低輸出，異質(zhì)結(jié)的層與層之間會(huì)發(fā)生耦合的現(xiàn)象，所以將異質(zhì)結(jié)的界面弄清潔同時(shí)減少缺陷的密度并且細(xì)心地控制與調(diào)節(jié)載流子的分布情況，在能帶的結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格要求，還有將納米陷光這種結(jié)構(gòu)用在硅

26、基異質(zhì)結(jié)電池上，這些都能提高硅基異質(zhì)結(jié)電池效率。5.2 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的研究當(dāng)今多采用金字塔表面制構(gòu)來(lái)將硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的反射率被降低到百分之十以內(nèi)。如圖5.1為陷光作用的模擬圖，采用精確的微米尺寸的金字塔表面制構(gòu)可以讓射入的太陽(yáng)光在電池的表面發(fā)生多次的反射與折射，通過(guò)改變?nèi)肷涔庠诠柚械那斑M(jìn)方向來(lái)延長(zhǎng)了光程，使得光生載流子的產(chǎn)生得到增加。圖 5.1 金字塔表面制構(gòu)的陷光示意圖5.2.1 HIT電池如圖5.2為雙面HIT太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的示意圖19-22。它將n型摻有雜質(zhì)的c-Si硅片作為襯底，先將510 納米厚的本征 a-Si:H 薄膜沉積在它的上面，然后放上p 型 a-Si 薄膜做成異質(zhì)結(jié)

27、。接著將 510 納米厚的本征a-Si與n型重?fù)诫s的a-Si薄膜放在 c-Si 硅片背面，最后將透明的導(dǎo)電的氧化物薄膜沉積在異質(zhì)結(jié)的最兩側(cè)上。將n型 c-Si硅片換成p型的作為襯底，背表面場(chǎng)用 n型a-Si的發(fā)射層和重?fù)诫s的 p型a-Si，用在硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池上能得到對(duì)應(yīng)的HIT結(jié)構(gòu)的電池。HIT電池結(jié)構(gòu)基本制作工藝流程為：硅片清洗制絨正面沉積非晶硅薄膜背面沉積非晶硅薄膜正反面沉積 TCO 薄膜絲網(wǎng)印刷電極邊緣隔離測(cè)試。HIT這種電池具有低溫工藝 、溫度特性好如圖5.3、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、雙面發(fā)電光照穩(wěn)定性好和高開(kāi)路電壓的特點(diǎn)。 圖 5.2 n 型 c-Si 襯底的 HIT 電池結(jié)構(gòu) 圖5.3 HI

28、T 電池與常規(guī)晶體硅電池的效率-溫度曲線對(duì)比的示意圖將背接觸 IBC電池和硅基異質(zhì)結(jié)這種HIT電池很好的結(jié)合成的HBC結(jié)構(gòu)具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗懈哔|(zhì)量的氫化非晶硅鈍化和沒(méi)有正面的柵線遮光特點(diǎn)使得電池有高的開(kāi)路電壓與短路電流。在2014年太陽(yáng)能電池成功地在 N 型 Cz 硅上制作達(dá)到25.1百分比的效率。5.2.2 納米結(jié)構(gòu)用在硅基異質(zhì)結(jié)電池中隨著硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池不斷地發(fā)展，需要更多的降低c-Si 襯底的厚度來(lái)減少生產(chǎn)中的花費(fèi)和使效率得到進(jìn)一步的提升。納米結(jié)構(gòu)的吸收共振強(qiáng)弱可以通過(guò)調(diào)控不同部位來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且納米結(jié)構(gòu)可以有效的降低反射率和增加光的吸收，也就是說(shuō)將a-Si 層中的光收吸量減少而光吸

29、收量在c-Si 層中得到提高，因此將納米結(jié)構(gòu)用在硅基異質(zhì)結(jié)電池陷光結(jié)構(gòu)上有著不錯(cuò)的發(fā)展以及應(yīng)用上有著不錯(cuò)的前景。單根的 c-Si/a-Si 核殼同軸納米線無(wú)論是在光吸收還是光電效應(yīng)上都比 c-Si 納米線有很大的增加?？墒菃胃募{米線不能用于大尺寸級(jí)別的電池，考慮到為了將之應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中而有了把這些單根 c-Si/a-Si同軸納米線做成納米線陣列的想法。如圖5.4是半核殼同軸納米線陣列陷光結(jié)構(gòu),由圖5.5可知，將c-Si 襯底的厚度減少到大概 10微米是將它使用在硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池中的結(jié)果，也就是說(shuō)同等條件下他與一般的 HIT 電池在98微米厚度時(shí)的結(jié)果是大體一樣的，這樣就讓所需的硅片厚度

30、得到大幅的減量，使得實(shí)現(xiàn)高效電池所需的硅片質(zhì)量得到降低，同時(shí)這樣還能讓FF以及獲得提升。這樣的結(jié)構(gòu)使得電池的成本獲得了一定的下降，它能將以前無(wú)法使用在高效硅基異質(zhì)結(jié)電池上的那些品質(zhì)不高的擴(kuò)散長(zhǎng)度之能達(dá)到十微米左右的硅片都利用起來(lái)，放寬了選材范圍。圖5.4 c-Si/a-Si 半核殼同軸納米線陣列和其單個(gè)組成模塊的結(jié)構(gòu)示意圖 圖5.5 c-Si層為 98 m 厚的平板結(jié)構(gòu) HIT 電池、c-Si 層為 10.3 m 厚的平板結(jié)構(gòu) HIT 電池，和 c-Si 層為 10.3 m 厚的半核殼同軸納米線陣列結(jié)構(gòu) HIT 電池，在標(biāo)準(zhǔn) AM1.5 光譜下的 J-V 曲線5.2.3 硅基同質(zhì)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池

31、將同質(zhì)結(jié)的場(chǎng)鈍化效應(yīng)用來(lái)做鈍化層去取代本征 a-Si 層，可以形成同質(zhì)異質(zhì)結(jié)，這種結(jié)構(gòu)可以降低 66%以上的串聯(lián)電阻，并且能夠承受高達(dá)五百倍的界面態(tài)密度，這就使得界面態(tài)密度即使在沒(méi)有壓制到很低的這種情況之下，得到的電池轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到我們非常滿意的程度。雙節(jié)疊層的硅基同質(zhì)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池是本征a-Si 層被 p 型 c-Si 層作為鈍化層來(lái)替換后，將同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)即場(chǎng)效應(yīng)鈍化和很好的能帶結(jié)構(gòu)這兩者結(jié)合起來(lái)形成的。相比于HIT電池結(jié)構(gòu)來(lái)看，硅基同質(zhì)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的填充因子與電池總體上的性能都得到提高，因?yàn)镠IT電池的本征層電阻率高的特點(diǎn)被該結(jié)構(gòu)給避開(kāi)了。同質(zhì)異質(zhì)結(jié)因其能承受高達(dá)五百倍的界面

32、態(tài)密度的特點(diǎn)使得電池在界面態(tài)密度高的情況下也能將效率達(dá)到 20個(gè)百分比以上，這是一條新的走向高效硅基異質(zhì)結(jié)電池的創(chuàng)新之路。5.3 SILVACO TCAD軟件 SILVACO 提供了TCAD驅(qū)動(dòng)的CAD環(huán)境，是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝仿真和器件仿真的輔助軟件。它能模擬各項(xiàng)集成電路制造工藝，如：離子注入、熱氧化、薄膜沉淀、光刻和蝕刻等。所有關(guān)鍵制造步驟都能快速精確的模擬出來(lái)，還能無(wú)誤地將器件結(jié)構(gòu)中的幾何結(jié)構(gòu)、摻雜劑量分配和應(yīng)力等預(yù)先推測(cè)出來(lái)。它能無(wú)誤的反映出電、力、熱學(xué)的性能，它可以將器件的構(gòu)造做的更好，他能夠提高成品的完成率以及將工藝變動(dòng)的問(wèn)題處理好。通過(guò)TCAD軟見(jiàn)我們可以在不良費(fèi)資源的情況

33、下研究硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換特性。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能是太陽(yáng)能發(fā)展的前沿，它需要我們不斷地研究與改進(jìn)，通過(guò)仿真軟件我們可以避開(kāi)現(xiàn)實(shí)中工藝制作方面不完善而影響研究數(shù)據(jù)不精確的情況，并且通過(guò)此軟件我們研究出適合工藝，從而對(duì)器件做出合理的優(yōu)化處理。這樣能更好的研究出最具理想的光電轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池。結(jié)語(yǔ)隨著社會(huì)的發(fā)展，資源不斷的消耗，人們意識(shí)到能源的重要性，而太陽(yáng)能具有高能量、無(wú)污染和可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。太陽(yáng)能雖然研究了多年，但是還是無(wú)法普及，主要是一代和二代的太陽(yáng)能電池即價(jià)格高昂又光電轉(zhuǎn)換效率低。而異質(zhì)結(jié)不僅僅讓能太陽(yáng)能電池的光和電的轉(zhuǎn)換效率提升了上來(lái)，還能讓其制作成本有所下降，但隨著對(duì)異質(zhì)結(jié)

34、在硅太陽(yáng)能電池中的運(yùn)用，我們發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)會(huì)影響電池的穩(wěn)定性，并且如何更好的將它與硅電池兼容起來(lái)也是一個(gè)問(wèn)題，這些問(wèn)題都有待解決。所以通過(guò)仿真軟件的輔助，希望將硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池不斷地改進(jìn)與完善，在理論上先達(dá)到不錯(cuò)的成績(jī)，然后隨著現(xiàn)實(shí)中的制作工藝不斷完善與跟進(jìn)，硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池將有很高的發(fā)展展望。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的效率會(huì)不斷增加，在發(fā)展上有很大的前途。今后的研究重點(diǎn)將集中于：1.進(jìn)一步研究新型硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)。在結(jié)合了納米線陣列、同質(zhì)異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，考慮引入上、下轉(zhuǎn)換和多重激子效應(yīng)等高效電池，向不曾做過(guò)的方向探尋硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池以求效率突破。2.發(fā)展一維橫向排列納米線陣列，將其

35、與硅片表面金字塔制構(gòu)等其他陷光結(jié)構(gòu)結(jié)合，期望在光吸收和減反性質(zhì)上變得更好，以及在社會(huì)生產(chǎn)中得到體現(xiàn)。3.將同質(zhì)異質(zhì)結(jié)、納米線陣列等新結(jié)構(gòu)做出成品來(lái)。與理論上的數(shù)據(jù)上相比較，通過(guò)分析與改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，并分析其中可能潛在的物理問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1 遲遠(yuǎn)英,李向陽(yáng).風(fēng)力發(fā)電是電力可持續(xù)發(fā)展的最佳策略J.吉林電力,2005.2 陳統(tǒng)奎.她在提倡“破壞最小的消費(fèi)”J.社區(qū)，2008.3 韓兵.硅基薄膜太陽(yáng)電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算D.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2010.4 劉恩科，朱秉生，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)M.第六版北京：電子工業(yè)出版社，2003:325-343. 5 孟慶巨,劉海波,孟

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