本征層厚度及摻雜對asi太陽電池性能影響的模擬研究畢業(yè)論文

1、畢 業(yè) 論 文題 目：本征層厚度及摻雜對a-Si：H太陽電池性能影響的模擬研究學(xué)院(直屬系)：材料科學(xué)與工程學(xué)院 年級、專 業(yè)：2006級材料科學(xué)與工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 時 間：2010年6月7日 本征層厚度及摻雜對a-Si太陽電池性能影響的模擬研究 摘 要本文通過使用一維微光電子分析工具AMPS-1D重點分析了本征層摻雜和厚度對太陽能電池性能的影響。在摻雜方面研究了施主型雜質(zhì)和受主型雜質(zhì)的濃度分別在51015cm-3到51020cm-3之間時對太陽能電池產(chǎn)生的不同的影響。在厚度方面，考慮到了非晶硅的晶格結(jié)構(gòu)，研究了本征層從20nm到700nm時太陽能的短

2、路電流、開路電壓、轉(zhuǎn)換效率、填充因子各自不同的變化，從而得出了各個因素對非晶硅太陽能電池的影響，對于提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率具有實際的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：非晶硅；太陽能；摻雜；本征層 AbstractBy use of Microelectronic and Photonic Structures-1D Analysis the intrinsic layer doping and thickness influences the performance of solar cells.In the doping aspect research donor impurity and acceptor

3、 impurity Concentration from 51015cm-3 to 51020cm-3 of solar cells between the different influences. In thickness， consider the lattice structure of amorphous Silicon,research when the layer from 20nm 700nm the short-circuit current,open voltage,conversion efficiency and fill factor of solar cells w

4、ith different changes,and various factors of amorphous Silicon solar battery,to improve the efficiency of solar cells with practical Significance.Keywords:a-Si;solar energy;doping;intrinsic layer目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264106242 第1章 緒論 PAGEREF _Toc264106242 h - 1 - HYPERLINK l _Toc2641062

5、43 引言 PAGEREF _Toc264106243 h - 1 - HYPERLINK l _Toc264106244 1.2 太陽電池技術(shù)的發(fā)展歷史2 PAGEREF _Toc264106244 h - 2 - HYPERLINK l _Toc264106245 1.3 太陽電池的發(fā)展方向及應(yīng)用 PAGEREF _Toc264106245 h - 4 - HYPERLINK l _Toc264106246 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264106246 h - 5 - HYPERLINK l _Toc264106247 第2章 a-Si太陽電池結(jié)構(gòu)及原理分析 PAGEREF _To

6、c264106247 h - 6 - HYPERLINK l _Toc264106248 2.1 結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc264106248 h - 6 - HYPERLINK l _Toc264106249 2.2 原理分析 PAGEREF _Toc264106249 h - 8 - HYPERLINK l _Toc264106250 2.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264106250 h - 14 - HYPERLINK l _Toc264106251 第3章 a-Si太陽電池性能模擬研究 PAGEREF _Toc264106251 h - 15 - HYPERLINK

7、 l _Toc264106252 3.1 軟件介紹 PAGEREF _Toc264106252 h - 15 - HYPERLINK l _Toc264106253 3.2 模型結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc264106253 h - 16 - HYPERLINK l _Toc264106254 3.3 摻雜模擬及結(jié)果 PAGEREF _Toc264106254 h - 17 - HYPERLINK l _Toc264106255 3.4 厚度模擬及結(jié)果 PAGEREF _Toc264106255 h - 21 - HYPERLINK l _Toc264106256 3.5 本章小結(jié) PAGE

8、REF _Toc264106256 h - 23 - HYPERLINK l _Toc264106257 第4章 模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc264106257 h - 24 - HYPERLINK l _Toc264106258 4.1 受主型摻雜對太陽能電池性能影響的分析 PAGEREF _Toc264106258 h - 24 - HYPERLINK l _Toc264106259 4.2 施主型摻雜對太陽能電池性能影響的分析 PAGEREF _Toc264106259 h - 29 - HYPERLINK l _Toc264106260 4.3 兩種摻雜濃度對太陽能電池性能影

9、響的對比分析 PAGEREF _Toc264106260 h - 32 - HYPERLINK l _Toc264106261 4.4 本征層厚度對太陽能電池性能影響的分析 PAGEREF _Toc264106261 h - 34 - HYPERLINK l _Toc264106262 4.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264106262 h - 36 - HYPERLINK l _Toc264106263 第5章 結(jié)論 PAGEREF _Toc264106263 h - 38 - HYPERLINK l _Toc264106267 第6章 總結(jié)與體會 PAGEREF _Toc2641

10、06267 h - 39 - HYPERLINK l _Toc264106268 致謝 PAGEREF _Toc264106268 h - 40 - HYPERLINK l _Toc264106269 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc264106269 h - 41 -第1章 緒論1.1 引言由于上世紀(jì)人類物質(zhì)文明的飛速發(fā)展是建立在大量消耗地球上蘊(yùn)藏的能源資源和大規(guī)模破壞人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上的，能源枯竭已成為人類社會最大的威脅之一，如表1-11所示。在節(jié)約能源的前提下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為人們的共識。因此在新世紀(jì)內(nèi)，人類文明可持續(xù)發(fā)展所面臨的三大課題被稱做”3E”，即energy、econ

11、omy和environment。新世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不能僅看產(chǎn)值 ，還要看單位能耗的產(chǎn)值。表1-1 全世界能源資源情況種類探明可采儲量年產(chǎn)量可采年數(shù)煤1012t(1996年)109t223年石油1.0531012桶（1998年）2.671010桶39年天然氣1.461014m3（1998年）2.271012m364年太陽內(nèi)部每時每刻都在發(fā)生熱核聚變反應(yīng)，進(jìn)行質(zhì)能轉(zhuǎn)換，向宇宙輻射的總功率約為3181023kW，投射到地球大氣層之前的功率密度約為1135kW/m2，到達(dá)地表的功率密度仍有1kW/m2。如果太陽輻射維持不變，則太陽半衰期壽命還有71012年以上，可以說太陽能是取之不盡用之不竭的天賜能源。

12、我國陸地2/3以上地區(qū)的年日照時數(shù)大于2000h，太陽能相當(dāng)豐富。目前，太陽能的利用主要有太陽電池發(fā)電和太陽能熱水器制熱。太陽能發(fā)電分為太陽光能發(fā)電和太陽熱能發(fā)電兩大類。太陽光能發(fā)電是通過太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)，又稱作光伏系統(tǒng) (photo-voltaic power generation system)。太陽熱能發(fā)電是將太陽熱能儲蓄在熱介質(zhì)中產(chǎn)生水蒸氣以推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電的系統(tǒng)。由于太陽熱能發(fā)電系統(tǒng)的集熱裝置和太陽跟蹤裝置均較復(fù)雜且尚未實用化，而太陽電池發(fā)電與其他發(fā)電方法相比具有無振動、無噪聲、無污染的特點，如表1-2所示，因此太陽熱能發(fā)電得到廣泛使用。表1-2 各種發(fā)電方法產(chǎn)生

13、大氣污染物的量g/kWh發(fā)電方法煤石油天然氣原子能風(fēng)力水力太陽能污染物COX178NOXSOX 太陽電池技術(shù)的發(fā)展歷史2太陽電池源于“光生伏特效應(yīng)”，是指光照使不均勻半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，于1887年，由Heinrich Hertz發(fā)現(xiàn)，1905年愛因斯坦用光子概念進(jìn)行了成功的理論解釋。光伏效應(yīng)存在于所有的金屬和非金屬材，理論上金屬太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不會高于1%，因此，各國都將太陽電池的發(fā)展重點放在非金屬及具有半導(dǎo)體特征的化合物上。Shell和BP為最早的太陽能光電領(lǐng)導(dǎo)廠商，19011945年研究的太陽能裝置，雖接近實用目標(biāo)，但費(fèi)用偏高。后來受兩次世界大

14、戰(zhàn)以及石油及水電等能源被大量使用，太陽能應(yīng)用研究被放緩。直到19461972年，二戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇階段，由于石油資源的逐漸減少，各國重啟太陽能研究。1954年美國貝爾實驗室首次制作出硅基太陽電池，次年美國無線電公司（RCA）開始進(jìn)行GaAs太陽電池的開發(fā)，美國波音（Boeing）公司在1956年通過其子公司Spectrolab，專門從事GaAs太陽電池的研發(fā)，并于1959年在探險家六號衛(wèi)星上搭載該公司生產(chǎn)的太陽電池，作為主要電力來源。俄國科學(xué)家Zh.I.Alferov于1963年前后提出半導(dǎo)體異質(zhì)接面概念，并率領(lǐng)研究團(tuán)隊于1970年首次制作了具有異質(zhì)接面的GaAs太陽電池，而成為俄國科學(xué)院副院長

15、。1973年10月爆發(fā)的中東戰(zhàn)爭，使各國進(jìn)一步了解能源的重要性和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的必要性。同年底美國政府率先制定了陽光發(fā)電計劃。至此，太陽能應(yīng)用也由不計成本的衛(wèi)星用途，轉(zhuǎn)向地面發(fā)電裝置。最初，太陽能發(fā)電首選偏遠(yuǎn)地區(qū)。1966年Sharp建成當(dāng)時全球最大的太陽能燈塔。1980年，Sharp率先將太陽電池商品化。1990年后，由于德、美、日等國家采取多種措施鼓勵發(fā)展太陽能發(fā)電裝置，太陽電池的商業(yè)化開始提速。2000年后全球光伏電池增速進(jìn)一步加快，僅2006年安裝規(guī)模就達(dá)到1744mw，預(yù)計2010年將達(dá)到13GW，成為繼風(fēng)電之后發(fā)展最快的新能源產(chǎn)業(yè)。從全球范圍來看，光伏技術(shù)發(fā)展正在朝著低成本、低能耗、

16、低污染的方向發(fā)展。以日本為例，該國對太陽能技術(shù)的提升有明確的目標(biāo)，如表1-3和表1-4所示。表1-5 日本太陽電池模組轉(zhuǎn)換效率目標(biāo) 單位：%注：（）內(nèi)為電池轉(zhuǎn)換效率目標(biāo)太陽電池種類現(xiàn)況2010年2020年2030年多晶硅電池1314.8（18.4）16（20）19（25）22（35）薄膜電池10（14.7）12（15）14（18）18（20）CIS系電池1012（18.9）13（19）18(25)22(25)超高效率電池（38.9）28（40）35（45）40（50）染料薄膜電池（10.5）6（10）10（15）15（18）表1-6 日本技術(shù)開發(fā)目標(biāo)項 目現(xiàn)況（達(dá)成年）2010-2030年開發(fā)

17、目標(biāo)（達(dá)成年）降低模組制造成本生產(chǎn)成本：250日元/W(2003年)預(yù)期發(fā)展：140日元/W(2003年)100日元/W(2010年)750日元/W(2020年)50日元/W(2030年)提升模組耐久性壽命20年壽命30年原料消耗指標(biāo)化10-13g/W硅圓：1g/W(2030年)變頻器30000日元/kW15000日元/kW(2020年)蓄電裝置10日元/Wh10日元/Wh(2020年)以硅片為載體的光伏電池制造技術(shù)，其理論極限效率為29，按目前技術(shù)路線，提升效率的難度已經(jīng)非常大。薄膜太陽電池由于具有大面積沉積、低材料消耗及可在低成本基板上制作，有較大的成本下降潛力的優(yōu)點，其發(fā)展前景非?？春茫?/p>

18、成為近階段發(fā)展研究的重點。而薄膜電池的最大機(jī)遇是在建筑上應(yīng)用，包括商業(yè)、工業(yè)和住宅市場。由于薄膜技術(shù)固有的靈活性，能夠以多種方式嵌入屋頂和墻壁，將電池集成到建筑材料有著極大的降低成本的潛力。目前，國際光伏巨頭們大都放緩了晶體硅太陽電池產(chǎn)能的擴(kuò)張，轉(zhuǎn)而加強(qiáng)了對低成本非晶硅、碲化鎘、銅銦硒等薄膜電池以及柔性電池、高效-族電池的投入，并規(guī)劃了雄心勃勃擴(kuò)產(chǎn)計劃。全球排名第一的Q-Cells公司雖然晶體硅電池產(chǎn)能巨大，但早已全線推進(jìn)現(xiàn)有商業(yè)化薄膜電池技術(shù)，對非晶硅、碲化鎘、銅銦硒等薄膜電池均有投入，并初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。全球領(lǐng)導(dǎo)大廠Sharp公司更是果斷放棄了多年國際太陽能產(chǎn)業(yè)N.1的地位，停止了晶體硅電池

19、的擴(kuò)產(chǎn)，轉(zhuǎn)而大力發(fā)展非晶硅薄膜太陽電池，計劃到2010年薄膜電池投產(chǎn)1GW，2012年達(dá)到6GW。Sharp意圖在新一輪新技術(shù)驅(qū)動的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展中重樹霸主地位！美國薄膜電池新貴First Solar依仗其領(lǐng)先的CdTe薄膜電池技術(shù)，以503mw的實際產(chǎn)量更是在2008年一舉超過尚德、Sharp等大型光伏企業(yè)，排在Q-Cells之后位列全球第二，并有望在2009年登上世界第一的寶座。Sharp預(yù)計，2012年全球薄膜電池產(chǎn)量將超過晶體硅電池，薄膜化正在成為國際光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢。 太陽電池的發(fā)展方向及應(yīng)用太陽電池作為一種新興的能源可以制成電池組件與現(xiàn)在相當(dāng)成熟的水力、火力和風(fēng)能一起提供動力及

20、照明電源等，現(xiàn)在太陽電池正在以不同的形式悄然的進(jìn)入我們的生活。在剛剛結(jié)束的2009日本新科技博覽會上，太陽電池大放異彩，各個公司均展覽出了其最新產(chǎn)品和理念。將太陽能用于住房是目前各個公司最感興趣的項目之一，而且各公司一致展出的不僅僅是設(shè)置在住宅屋頂?shù)碾姵?，還有在住宅內(nèi)使用的色素增感型太陽電池。其著眼點分別在于提高住宅內(nèi)低照度環(huán)境下的效率，以及提高設(shè)計性。色素增感型太陽電池的室內(nèi)利用方案層出不窮，各公司紛紛展出通過組合蓄電池、提高設(shè)計性等方式強(qiáng)化了室內(nèi)使用效果的色素增感型太陽電池。圖1（a）：羅姆根據(jù)室內(nèi)低照度環(huán)境對色素和電極進(jìn)行了優(yōu)化。圖1（b）：TDK利用Ag膏布線繪制出了圖案。圖1（c）：

21、太陽誘電通過結(jié)合Li離子 HYPERLINK :/info.ec.hc360 /list/cpzl_dr.shtml t _blank 電容器，使為電器充電變得簡單。重視設(shè)計性的太陽電池試制品來自TDK3。該公司試制出了不僅能在電池板上著色，還能夠繪制圖案的色素增感型太陽電池。由于使用了柔性的PEN薄膜，因此，該電池具有重量輕、耐沖擊性優(yōu)良的特點。圖案的形成利用的是絲網(wǎng)印刷形成的Ag膏布線。但Ag膏描繪的圖案必須發(fā)揮電極的作用。因此，圖案需要由延伸至外圍的連線構(gòu)成。為了提高可靠性，TDK改進(jìn)了Ag膏與電解液之間的保護(hù)層，防止了Ag膏腐蝕。在室溫條件下可使用5年左右。單元的轉(zhuǎn)換效率在實驗階段為7

22、.9。這些新的太陽能技術(shù)的出現(xiàn)讓我們更加有理由相信，在不久的將來以太陽能作為動力的產(chǎn)品將會出現(xiàn)在我們生活的各個角落。太陽能也會解決現(xiàn)在非常嚴(yán)重的環(huán)境及能源問題，讓人類不斷的向著可持續(xù)的方向發(fā)展。本章介紹了人類面臨的能源及環(huán)境問題讓人類不得不尋找新的能源發(fā)展方向太陽能，以及太陽能的發(fā)展歷史及過程，太陽能的發(fā)展現(xiàn)狀、最新的一些成果以及未來發(fā)展的趨勢。第2章 a-Si太陽電池結(jié)構(gòu)及原理分析非晶硅薄膜電池誕生于1976年，是用非晶硅半導(dǎo)體林料制備的一種薄膜電池。因其制造過程中的耗能少、易于大面積自動化生產(chǎn)、原材料消耗少等因素已成為目前最實用化的薄膜電池之一。其已經(jīng)走出了國防、航空等領(lǐng)域，很多產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)

23、用于諸如電子計算器、手表、路燈等消費(fèi)領(lǐng)域。下面將對非晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析，以便于后面深入的對太陽能各種性能參數(shù)進(jìn)行研究。 結(jié)構(gòu)分析典型的常規(guī)單結(jié)非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示4。由七層組成，包括減反射層、玻璃基片、透明導(dǎo)電薄膜、p層、i層、n層、金屬電極，其工藝過程是在玻璃基片上依次制備右圖中的各個薄膜層，最后在透明導(dǎo)電薄膜和金屬電極上連接上導(dǎo)線向負(fù)載輸送電流。圖2-1 非晶硅太陽電池的典型結(jié)構(gòu)1）減反射層、玻璃基片、TCO和金屬電極減反射膜的原理是利用光在減反射膜上下表面反射所產(chǎn)生的光程差，使得兩束反射光干涉相消，從而減弱反射，增加透射。在太陽電池材料和入射光譜確定

24、的情況下，減反射的效果取決于減反射膜的折射率和厚度。其最佳厚度為入射波長的1/4倍，而根據(jù)入射光線的不同其厚度一般為60-100nm。研究和實際應(yīng)用表明，具有單減反射層的電池，其反射率可以降到10%以下。作為減反射層的薄膜材料通常要求有很好的透光性，對光線的吸收越小越好，同時具有良好的耐化學(xué)腐蝕性。其材料一般可以用SnO2、SiO2、MgF2、TiO2。在玻璃基片的向光一面是減反射膜，另一面是透明導(dǎo)電薄膜（TCO），玻璃基片在太陽電池中主要是用作為襯底起一個支撐作用，因為太陽光要透過它照射到硅層上去，因此，要求玻璃基片的透明度要非常的高，對光的吸收系數(shù)也要非常的小。在實際工程中可以使用超白玻璃

25、，因其Fe2O3150ppm、透光率92%、軟化點720、應(yīng)變點500、楊氏彈性模量73Gpa是理想的光伏玻璃基片。其處在玻璃基片和p型硅之間，主要作用是用于導(dǎo)電。主要原料包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜材料。對其性能有以下幾點要求：光譜透過率：為了能夠充分地利用太陽光，TCO鍍膜玻璃一定要保持相對較高的透過率。導(dǎo)電性能：TCO導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電原理是在原本導(dǎo)電能力很弱的本征半導(dǎo)體中摻入微量的其他元素，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。激光刻蝕性能：薄膜電池在制作過程中，需要將表面劃分成多個長條狀的電池組，這些電池組被串聯(lián)起來用以提高輸出能效。因此，在鍍半導(dǎo)體膜之前，必須要對

26、表面的導(dǎo)電膜進(jìn)行刻劃，被刻蝕掉的部分必須完全除去氧化物導(dǎo)電膜層，以保持絕緣。耐磨性與耐久性：TCO鍍膜一般都使用“硬膜”鍍制工藝，膜層具有良好的耐磨性、耐酸堿性。金屬電極是處于電池的背光面，其主要作用是將太陽電池產(chǎn)生的電流引導(dǎo)到外加負(fù)載。其制作方法一般采用濺射鍍膜，制作的過程溫度較低對半導(dǎo)體薄膜的損傷較小。因為有一部分太陽光會透過其上面的所有膜層到達(dá)電極，因此要求電極具有較高的反射率，較低的透射率，使透射到電極上的光線從新反射回去再一次吸收以提高電池對光線的利用率，增加轉(zhuǎn)換效率。其一般厚度在幾十納米到幾百納米之間。使用的材料有ZnO、Al等。2）p區(qū)、n區(qū)和i區(qū)在太陽能電池中p-n結(jié)為最核心的

27、一個結(jié)構(gòu)，電池質(zhì)量的好壞、轉(zhuǎn)換效率的高低很大程度取決于p-n結(jié)。對于非晶硅，由于其晶格長程無序短程有序的結(jié)構(gòu)，其對載流子的散射作用非常的強(qiáng)。因此在p區(qū)和n區(qū)之間加了一個i區(qū)，p區(qū)和n區(qū)的作用為產(chǎn)生內(nèi)建電場收集由i區(qū)產(chǎn)生的光生載流子。因為在p區(qū)和n區(qū)有摻雜，因此在這兩個區(qū)域里面有很多缺陷，當(dāng)光生載流子運(yùn)動到該區(qū)域內(nèi)便會發(fā)生復(fù)合，因此這兩個區(qū)域要盡量的小。在實際工程中，兩個區(qū)域的厚度一般限制在幾十個納米范圍內(nèi)。為了增加光電轉(zhuǎn)換效率，一般盡量增加光敏區(qū)i層的厚度。但是，非晶硅中的載流子的遷移率非常的低，因此，需要有足夠的電場強(qiáng)度的內(nèi)建電場將光生載流子輸送到電極。為了保證內(nèi)建電場強(qiáng)度，本征層又要盡量的

28、薄，所以pin結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽電池的i層厚度設(shè)計在500nm左右。在i層中光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之比是105-106，其不僅是光敏區(qū)能夠產(chǎn)生光生載流子還能夠扼制隧道電流。非晶硅的pin結(jié)構(gòu)通常是利用氣相沉積法制備的，根據(jù)不同的技術(shù)又可分為輝光放電法、濺射法、真空蒸發(fā)法、熱絲法、光化學(xué)氣相沉積法和等離子氣相沉積法，其中等離子氣相沉積法在工業(yè)界和研究界被廣泛應(yīng)用。當(dāng)太陽光照在太陽能電池的受光面時，光線會透過減反射層、玻璃層、p層直達(dá)本征層：i層（一部分光也會被p層和n層吸收）。在I內(nèi)光子將激發(fā)電子，產(chǎn)生載流子，載流子在內(nèi)建電場的作用下分別向p區(qū)和i區(qū)運(yùn)動，并在此堆積產(chǎn)生電勢差。當(dāng)有外接負(fù)載時電池將為外

29、接負(fù)載提供電能。2.2 原理分析1）載流子5在半導(dǎo)體導(dǎo)電過程中，運(yùn)載電流的粒子，可以是帶負(fù)電的電子，也可以是帶正電荷的空穴，這些電子或空穴叫做載流子。單位體積的載流子數(shù)目叫做載流子濃度。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和載流子的數(shù)目有關(guān)。半導(dǎo)體的載流子濃度隨其中雜質(zhì)的含量和外界條件（如加熱、光照等）而顯著變化。在高純半導(dǎo)體中材料中，電子和空穴的濃度相等，稱為本征半導(dǎo)體。如果向其中加入某種雜質(zhì)元素，使得電子濃度大于空穴濃度，稱其為n型半導(dǎo)體此時的電子稱為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。反之可以形成p型半導(dǎo)體。對于半導(dǎo)體材料而言，由于電子和空穴同時導(dǎo)電，存在兩種載流子，因此其導(dǎo)電率為： （2-1）式2-1中，n為電

30、子濃度；p為空穴濃度；e為電子的電荷；e和p分別為電子和空穴的遷移率。2）能帶結(jié)構(gòu)圖2-2為半導(dǎo)體晶體的能帶示意圖，通常在能量低的能帶中填滿了電子，稱為滿帶，而能帶圖中能量高的能帶往往是全空或者半空的，稱為導(dǎo)帶。對于金屬導(dǎo)電材料，其導(dǎo)帶和價帶是重合的，中間沒有禁帶。絕緣材料導(dǎo)帶是空的，導(dǎo)帶中始終沒有電子，且禁帶寬度很寬，電子也不能躍遷上去。而半導(dǎo)體與前兩者不同，隨導(dǎo)帶中沒有電子，但是其禁帶不寬，在一定的條件下電子能躍遷上去，在價帶中留下空穴，電子和空穴同時導(dǎo)電。圖2-2 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶示意圖3）載流子的狀態(tài)密度和統(tǒng)計分布我們知道電子的分布遵守費(fèi)米-狄拉克分布，即能量為E的電子能級被

31、一個電子占據(jù)的概率f(E)為： （2-2）式2-2中，f（E）為費(fèi)米分布函數(shù)；為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；Ef為費(fèi)米能級。當(dāng)能量相等時，費(fèi)米分布函數(shù)為： （2-3）即電子占有率為1/2的能級為費(fèi)米能級。半導(dǎo)體的電子占據(jù)一定的能級，可用電子波矢k表示，其對應(yīng)的能級為E（k）。由于能級不是連續(xù)的，所以波矢k不能去任意值，而是受到一定邊界條件的束縛。在導(dǎo)帶底附近，E（k）與k的關(guān)系為： （2-4）式2-4中，h為普朗克常量；m*為電子的有效質(zhì)量。由式2-4推導(dǎo)可知，導(dǎo)帶底附近電子的狀態(tài)密度和價帶頂附近的空穴的狀態(tài)密度分別為： （2-5） （2-6）對于導(dǎo)帶底附近的電子而言，其占據(jù)能量為E的能級的

32、概率服從費(fèi)米分布函數(shù)，為f（E），而在能量E（E+dE）之間的量子態(tài)數(shù)為dZ，則在能量E（E+dE）之間被電子占據(jù)的量子態(tài)為f（E）dZ，因為每個被占據(jù)的量子態(tài)只有一個電子，所以在能量E（E+dE）之間的電子數(shù)就是f（E）dZ。如果將導(dǎo)帶的電子數(shù)相加，即從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂積分，即可得到導(dǎo)帶內(nèi)總的電子數(shù)，在除以半導(dǎo)體的體積，即可得到導(dǎo)帶中的電子濃度。由以上分析加推導(dǎo)可知導(dǎo)帶中的電子濃度為： （2-7）同理可知價帶中的空穴的濃度為： （2-8）4）本征半導(dǎo)體的載流子濃度本征半導(dǎo)體是指沒有雜質(zhì)、沒有缺陷的近乎完美的單晶半導(dǎo)體。在其中電子和空穴是成對出現(xiàn)的，因此，在本征半導(dǎo)體中，電子濃度與空穴濃度是相等

33、的。如果設(shè)本征半導(dǎo)體載流子濃度為ni，則 （2-9）由式2-9可知，ni是溫度T的函數(shù)。如果忽略T3/2的影響，ni就近似隨溫度呈線性變化。5）p-n結(jié)和空間電荷區(qū)將一塊p型硅和一塊n型硅通過一定的方法使其結(jié)合在一起就形成了太陽電池中最重要的結(jié)構(gòu)：p-n結(jié)。在n型硅中，電子很多而空穴很少。在p型硅中，空穴很多而電子很少。但是，在n型中的電離施主與少量空穴的正電荷嚴(yán)格平衡電子電荷。而p型中的電離受主與少量電子的負(fù)電荷平衡空穴電荷。因此，單獨的n型和p型半導(dǎo)體是電中性的。當(dāng)在兩塊半導(dǎo)體結(jié)合成p-n結(jié)時，由于它們之間存在載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動。對于p區(qū)空穴

34、離開后，留下了不可動的帶負(fù)電荷的電離受主，這些電離受主，沒有正電荷與之保持電中性。因此，在p-n結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個負(fù)電區(qū)。同理，在p-n結(jié)附近n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個正電荷區(qū)，通常就把p-n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷。它們所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，如圖2-3所示。圖2-3 p-n結(jié)的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)中存在正、負(fù)電荷區(qū)，形成了一個從n型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體的電場，稱為內(nèi)建電場。隨著載流子擴(kuò)散的進(jìn)行，空間電荷區(qū)部斷擴(kuò)展增大，空間電荷量不斷增加。在內(nèi)建電場的作用下，載流子受到與擴(kuò)散方向相反的作用力，產(chǎn)生漂移。由于載流子的擴(kuò)散和漂移，導(dǎo)致空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場

35、的存在，引起該部位的電勢V和相關(guān)空穴勢能（eV）或電子勢能（-eV）隨位置的改變，最終改變了p-n結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。6）電池的伏安特性6圖2-4 太陽能電池等效電路圖由圖2-4可知，其中有一個恒流源與p-n結(jié)并聯(lián)，電流源I1是太陽光照射生成的過剩載流子產(chǎn)生的，I0為二極管的飽和電流，r為負(fù)載電阻，此時p-n結(jié)太陽電池的I-V特性為： （2-10）ID為太陽能電池在無光照時的飽和電流，A；q為電子電荷，C；K為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)常數(shù)，K；A為常數(shù)因子；由式2-10可以得到圖2-5所示太陽能電池的伏安特性曲線。圖2-5 常用太陽能電池伏安特性曲線由圖2-5可知在電壓為0時，電流最大，稱為短路電流

36、（Isc），在電流為0時，電壓最大，稱為開路電壓（Voc），由式2-10可知： （2-11）7）填充因子指太陽能電池最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值用”FF”表示，是評價太陽能電池輸出特性好壞的一個重要參數(shù)，它的值越高，表明太陽能電池輸出特性越趨于矩形，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高。它與太陽能電池的的開路電壓、短路電流和負(fù)載電壓、負(fù)載電流有著密切的關(guān)系。影響填充因數(shù)的因素很多，串聯(lián)電阻、旁路電阻對填充因數(shù)有直接的影響。從本質(zhì)上講，PN結(jié)的電流電壓關(guān)系決定了電池的填充因數(shù)。不計入串聯(lián)電阻及旁路電阻的影響，電池PN結(jié)的電流與電壓關(guān)系是e指數(shù)關(guān)系。電池基區(qū)的摻雜濃度也會影響電池的填充因數(shù)。當(dāng)摻雜濃度

37、增加時，少子壽命就會衰減。除了串聯(lián)電阻、旁路電阻外，光照強(qiáng)度對填充因數(shù)也有影響。在條件相同的情況下，在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著光強(qiáng)的減小，填充因素相應(yīng)增加。8）太陽電池的轉(zhuǎn)換效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是指電池受光照時的最大輸出功率與照射到電池上的入射功率Pin的比值，用符號表示。轉(zhuǎn)換效率是評定一個器件好壞的最重要的參數(shù)之一，但是現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率的測量還沒有一個固定的標(biāo)準(zhǔn)，第一是光源的問題，外層空間的太陽光譜不同于地面的光譜，而在地面晴天和陰天的光譜又有區(qū)別，有點人采取人工合成，但是還沒有模擬出良好的AM1和AM2光源。還有一個含混不清的地方就是接觸面積、光的表面反射、串聯(lián)電阻和旁路電阻的損失問題，未經(jīng)

38、校正的效率反應(yīng)了電池的實際輸出功率，而校正過后的效率反應(yīng)的是電池的固有效率。在太陽電池中，大的短路電流、開路電壓和填充因素可以獲得很高的效率?？梢姽庾V和近紅外光譜范圍內(nèi)，光譜響應(yīng)寬闊而平坦，峰值光譜響應(yīng)的量子效率接近1，因此光電流大。禁帶寬度直接影響效率。從理論上將，材料禁帶寬度越大，填充因素和開路電壓就越大；而禁帶寬度小的材料，可獲得大的光電流。推算結(jié)果表明，禁帶寬度1.5電子伏特的材料效率最高。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了a-Si太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和原理。其中結(jié)構(gòu)包括減反射層、玻璃基片、TCO和金屬電極、p區(qū)、n區(qū)和i區(qū)等等。在這些結(jié)構(gòu)中的前四項主要是起支撐吸光和導(dǎo)電等作用，而后面的三

39、個結(jié)構(gòu)的作用是產(chǎn)生光生載流子，因此后面三項是太陽能電池的核心結(jié)構(gòu)。在原理的分析中詳細(xì)的分析了能帶、載流子、p-n結(jié)等半導(dǎo)體材料中的一些基本概念和光譜響應(yīng)、少子電流、j-v曲線、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等太陽電池的一些重要的參數(shù)。通過本章節(jié)的分析，更加清楚的了解了太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，為后面的章節(jié)打下了基礎(chǔ)。第3章 a-Si太陽電池性能模擬研究通過上面對a-Si太陽電池的結(jié)構(gòu)和原理的分析，我們清楚了太陽能電池的工作原理，下面將通過一維微光電子結(jié)構(gòu)分析工具AMPS-1D對a-Si太陽能電池的i層厚度和摻雜進(jìn)行模擬研究。3.1 軟件介紹AMPS-1D有兩種半導(dǎo)體電子學(xué)描述模式對光電器件進(jìn)行直流模

40、擬7，分別是態(tài)密度(DOS)和載流子壽命(life time)模式。在本研究中使用的是DOS模式，a-Si半導(dǎo)體的電子態(tài)分為導(dǎo)帶和價帶擴(kuò)展態(tài)、導(dǎo)帶和價帶帶尾定域態(tài)以及隙間定域態(tài)。帶尾定域態(tài)主要由鍵角畸變引起，可用指數(shù)函數(shù)描述其密度。隙間定域態(tài)主要由懸掛鍵造成，其密度呈雙高斯函數(shù)分布，分別對應(yīng)呈正相關(guān)能關(guān)系的類施主態(tài)和類受主態(tài)；也即類施主態(tài)在下，類受主態(tài)在上。對隙間定域態(tài)密度，AMPS還提供了一種平均分布的背景模式。對pin結(jié)構(gòu)的薄膜太陽電池，若已知各層半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子和空穴態(tài)濃度分布、電子親和能等信息，根據(jù)泊松方程、電子和空穴連續(xù)性方程，在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下即可求解出器件特性。對于非晶

41、硅來說，帶尾定域態(tài)相當(dāng)重要，使用指數(shù)函數(shù)來模擬，用高斯分布來描述非晶硅的懸掛鍵。泊松方程把材料體系中的自由載流子數(shù)目，受陷電子和受陷空穴數(shù)目，離化雜質(zhì)數(shù)目電場聯(lián)系起來。泊松方程表示為： （3-1）式3-1中，為器件x點單位正電荷電勢，p(x)，n(x)分別為自由空穴和自由電子的濃度；ND（x）、NA（x）別為電離施主濃度和電離受主濃度；pt(x)，nt(x)分別為受陷空穴和受陷電子濃度。在穩(wěn)態(tài)條件下，若自由載流子的濃度不隨時間變化，則自由電子和自由空穴的連續(xù)性方程分別為： （3-2） （3-3）式3-3中，Jn為電子的電流密度，且有 （3-4）式3-4中EFN為電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級。JP為空穴的電

42、流密度，且有 （3-5）式3-5中EFP為空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級；GOP(x)為電子空穴對的光生效率，是位置x的函數(shù)。運(yùn)用數(shù)值計算方法求解方程中的(x)、p(x)、n(x)進(jìn)而可以求出各特性參數(shù)。3.2 模型結(jié)構(gòu)3-1 典型非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)典型的a-Si:H太陽能電池結(jié)構(gòu)如圖3-1所示8。圖中光從左邊的p進(jìn)入，該層為p型的非晶SiC材料，中間緩沖層為本征非晶硅，襯底為n型非晶硅材料。pin各層材料的光電特性參數(shù)如表3-17所示。a-SiC的電子親合勢設(shè)為3.90eV，比非晶硅(a-Si)小，也就是說p/i界面的能帶不連續(xù)性(1.961.80eV)在價帶和導(dǎo)帶上的偏移分別為eV和0.06eV。模擬過

43、程中涉及到的具體參數(shù)如表3-1所示。表3-1 太陽能電池AMPS-1D模擬參數(shù)參數(shù)P層（a-SiC）i層(a-Si)n層(a-Si)遷移率帶隙/eV 0.85 光學(xué)帶隙/eV0電子親和能/eV44相對介電常數(shù)有效態(tài)密度NC/(cm-3eV-1）2.510202.510202.51020有效態(tài)密度NV/(cm-3eV-1)2.510202.510202.51020電子遷移率n/(cm2v-1s-1）52010空穴遷移率p/(cm2v-1s-1）21價帶尾態(tài)特征能量遷移率ED/eV導(dǎo)帶尾態(tài)特征能量遷移率EA/eV摻雜濃度/cm-3NA=31019ND=11019Gdo/(cm-3ev-1）1.01

44、0191.010191.01019Gao/(cm-3ev-1）1.010191.010191.01019EDON/eVEACP/eV隙間定域態(tài)分布/cm-33101851016310183.3 摻雜模擬及結(jié)果由于a-Si:H太陽能電池的所有光生載流子都是在本征層中產(chǎn)生的，因此本征層的雜質(zhì)濃度對太陽能電池的性能有強(qiáng)烈的影響，下面將對本征層中的雜質(zhì)濃度進(jìn)行模擬。摻雜份為施主型摻雜和受主型摻雜，下面將分別對著兩種摻雜對太陽能電池的影響進(jìn)行模擬。在模擬的過程中采用控制變量法，對摻雜濃度控制在51015cm-3到51020cm-3范圍內(nèi)變動，而其他的可變參數(shù)則選取典型值。1）受主型摻雜模擬及結(jié)果本征層的

45、摻雜濃度如表3-2所示，厚度為典型值450nm。p層的摻雜濃度為31019cm-3，厚度為10nm。n層的摻雜濃度為11019cm-3，厚度為20nm。計算中光照條件為AM1.5，100mW/cm2。其他各參數(shù)的設(shè)置見圖3-2、圖3-3和圖3-4。表3-2 受主型雜質(zhì)摻雜濃度表濃度（NA）/cm-35.00E+155.00E+165.00E+175.00E+185.00E+195.00E+20圖3-2 典型參數(shù)設(shè)置圖3-3 典型濃度的帶尾態(tài)參數(shù)圖3-4 典型濃度的光譜吸收系數(shù)經(jīng)過模擬得到了短路電流密度Jsc、開路電壓Voc、轉(zhuǎn)換效率Eff、填充因子FF、空間電荷分布、載流子分布、費(fèi)米能級、載流

46、子能級、空間電場分布等參數(shù)隨各種摻雜濃度的變化關(guān)系。主要參數(shù)與摻雜濃度關(guān)系如表3-3所示。表3-3 受主型雜質(zhì)濃度與太陽能電池各主要參數(shù)間關(guān)系NA（cm-3)Jsc（mA/cm2）Eff（%）FFVoc（eV）5.E+155.E+165.E+175.E+185.E+195.E+202）施主型摻雜模擬及結(jié)果本征層的摻雜濃度如表3-4所示，厚度為典型值450nm。p層的摻雜濃度為NA=31019cm-3，厚度為10nm。n層的摻雜濃度為ND=11019cm-3厚度為20nm。其他各參數(shù)設(shè)置見圖3-6、圖3-6和圖3-7。 表3-4施主型雜質(zhì)摻雜濃度濃度（ND）/cm-35.00E+155.00E+

47、165.00E+175.00E+185.00E+195.00E+20圖3-5 典型摻雜濃度的基本參數(shù)設(shè)置圖3-6典型摻雜濃度的帶尾態(tài)參數(shù) 圖3-7典型摻雜濃度的光譜吸收系數(shù)經(jīng)過模擬得到了短路電流密度Jsc、開路電壓Voc、轉(zhuǎn)換效率Eff、填充因子FF、空間電荷分布、載流子分布、費(fèi)米能級、載流子能級、空間電場分布等參數(shù)隨各種摻雜濃度的變化關(guān)系。主要參數(shù)與摻雜濃度關(guān)系如表3-5所示。表3-5 施主型雜質(zhì)濃度與太陽能電池各主要參數(shù)間關(guān)系NA（cm-3）Jsc（mA/cm2）Eff（%）FFVoc（eV）5.E+155.E+165.E+175.E+185.E+195.E+20 厚度模擬及結(jié)果本征層的厚

48、度分別取20nm、60nm、100nm、140nm、180nm、220nm、260nm、300 nm、340 nm、380 nm、420 nm、460 nm、500 nm、550 nm、600 nm、650nm、700 nm，摻雜濃度設(shè)置為0。P層厚度取10nm，摻雜濃度為NA=31019。N層厚度取20 nm，摻雜濃度為ND=11019。其他各參數(shù)的設(shè)置見圖3-8、圖3-9和圖3-10。圖3-8 典型厚度的基本參數(shù)設(shè)置3-9 典型厚度的帶尾態(tài)參數(shù)設(shè)置圖3-10 典型厚度的光譜吸收系數(shù)經(jīng)過模擬得到了短路電流密度Jsc、開路電壓Voc、轉(zhuǎn)換效率Eff、填充因子FF、空間電荷分布、載流子分布、費(fèi)米

49、能級、載流子能級、空間電場分布等參數(shù)與各種厚度本征層的變化關(guān)系。主要參數(shù)與本征層厚度關(guān)系如表3-7所示。表3-7 厚度與太陽能電池各個參數(shù)間的關(guān)系厚度（nm）Jsc（mA/cm2）Eff（%）TTVoc（eV）20601001401802202603003403804204605000550600650700 本章小結(jié)本章主要是通過使用一維微光電子結(jié)構(gòu)分析工具AMPS-1D對摻雜濃度和本征層厚度兩種因素對太陽能電池的各個參數(shù)的影響進(jìn)行模擬，并得出了兩種因素與各個參數(shù)的具體關(guān)系，在模擬的過程中均采用單因素變量法，以便于結(jié)果分析。第4章 模擬結(jié)果分析通過上面的模擬，得到了各種因素與太陽能主要參數(shù)間

50、的關(guān)系，下面對這些結(jié)果進(jìn)行分析，力求找到各種因素影響太陽能電池性能的基本原因。4.1 受主型摻雜對太陽能電池性能影響的分析我們知道單獨的一個本征層在沒有摻雜時其電子濃度n0和空穴濃度p0是相等的9，即： （4-1）式4-1及本征激發(fā)情況下的電中性條件，我們由此可以得到本征的載流子濃度ni為： （4-2）式中Eg=Ec-Ev為禁帶寬度。由式4-2我們可以知道本征層的載流子和有效態(tài)密度NcNv、工作溫度和禁帶寬度有關(guān)，因為這三個條件都是不會變的，因此在一定的溫度下，本征激發(fā)的載流子濃度會均勻的分布在本征層中，但是當(dāng)有光照射在本征層上，光子能量大于禁帶寬度Eg時，將會產(chǎn)生電子載流子和空穴載流子，在未

51、摻雜時兩種雜質(zhì)的濃度應(yīng)該滿足式4-1，當(dāng)摻入受主型雜質(zhì)時兩種載流子的濃度將不再相同，同時由于在本征層的兩端分別加了p層和i層，這將在電池的內(nèi)部行程內(nèi)建電場，一旦有載流子產(chǎn)生將被電場分別拉到p區(qū)和i區(qū)，結(jié)合模擬結(jié)果我們可以得到如圖4-1所示的載流子分布圖。圖4-1 受主型雜質(zhì)典型濃度載流子分布圖半導(dǎo)體的費(fèi)米能級滿足： （4-3）圖4-2所示為太陽能電池?fù)诫s“本征層”的能帶圖，從圖中我們可以知道費(fèi)米能級如式4-3所描述一樣保持處處平衡，在p側(cè)費(fèi)米能級接近價帶定，在n側(cè)費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶底，且在i/n界面發(fā)生突變，主要是因為在i層中摻入了受主型雜質(zhì)所致。圖4-2 受主型雜質(zhì)典型濃度能級圖由表3-3中數(shù)

52、據(jù)我們可以得到不同濃度的受主型雜質(zhì)與太陽能電池關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系圖。在繪圖時由于濃度的變化均是以一個數(shù)量級為單位在變化，為了圖形便于觀察，因此在繪制與濃度有關(guān)的圖形圖時坐標(biāo)軸均采用對數(shù)坐標(biāo)。圖4-3所示為受主型雜質(zhì)濃度與短路電流間的關(guān)系，由圖可以知道隨著摻雜濃度的提高，電池的短路電流密度不斷的降低。我們知道，非晶硅屬于短程有序、長程無序的晶體結(jié)構(gòu)10，對載流子有很強(qiáng)的散射作用，導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散長度很短，使得光生載流子在太陽電池中只有漂移運(yùn)動而無擴(kuò)散運(yùn)動，當(dāng)向i層中摻入雜質(zhì)時，破壞了非晶硅原有的結(jié)構(gòu)，使光生載流子在漂移過程中復(fù)合的幾率增加，同時通過圖4-2我們可以知道，在p/i界面和i/n界面發(fā)生了能

53、級突變，摻雜越多勢壘越高，載流子要想越過能量勢壘就需要有更高的能量，隨著摻雜濃度的提高勢壘越高，因此隨著摻雜濃度的不斷增加光生載流子就不斷的減少，而對于短路電流密度有： （4-4）光生載流子減少，光生電流密度JP減少， 反向飽和電流密度J0不變的情況下JSC減小，因此隨著摻雜濃度的不斷增加，短路電流密度不斷的降低。圖4-3 受主型雜質(zhì)濃度與短路電流密度間的關(guān)系對于開路電壓，由圖4-4可以知道，隨著摻雜濃度的不斷升高，開路電壓的值也不斷的升高，通過上面對短路電流密度的分析我們可以知道，短路電流密度是隨著濃度的升高而降低的，而我們知道： （4-5）由式4-5可以知道開路電壓的值是和短路電流密度成正

54、比的，因此我們可以得出在正常情況下開路電壓應(yīng)該是隨著摻雜濃度的升高而降低，而在此我們卻得出了完全相反的結(jié)論，這是一種比較少見的現(xiàn)象，其中的原因有待于更多的研究。圖4-4受主型雜質(zhì)濃度與開路電壓間的關(guān)系對于轉(zhuǎn)換效率有： （4-6）由式4-6以及開路電壓和短路電流的值可以得到如圖4-5所示的結(jié)論。影響太陽能轉(zhuǎn)換效率的因素有很多11，比如電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等等。因此可以從很多的方面來提高轉(zhuǎn)換效率。圖4-5 受主型雜質(zhì)濃度與轉(zhuǎn)換效率間的關(guān)系對于填充因子有： （4-7）由圖4-6我們可以看出填充因子隨著摻雜濃度的升高先降低后升高，由式4-7所示轉(zhuǎn)換效率在

55、理論上與最大輸出功率、開路電壓和短路電流等因素有關(guān)，如果我們假定最大輸出功率是一定的，則填充因子由開路電壓和短路電流的乘積決定，通過對照表4-3的數(shù)據(jù)可以得出如圖4-6所示的結(jié)果。圖4-6 受主型雜質(zhì)濃度與填充因子間的關(guān)系4.2 施主型摻雜對太陽能電池性能影響的分析圖4-7 施主型雜質(zhì)典型濃度載流子分布圖通過與圖4-1對比可以知道，兩種摻雜的載流子分布剛好相反，摻入施主型雜質(zhì)時，在p層內(nèi)，空穴濃度大于電子濃度，在i層和n層內(nèi)，電子的濃度大于空穴濃度。圖4-8 施主型雜質(zhì)典型濃度能級圖與圖4-2對比可以知道，摻入施主型雜質(zhì)時，導(dǎo)帶在i層和n層區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)帶能級更接近費(fèi)米能級，價帶的能級更遠(yuǎn)離費(fèi)米能

56、級。且在p/i界面處有大的能級變化。圖4-9 施主型雜質(zhì)濃度與短路電流密度間的關(guān)系如圖4-9所示隨著摻雜濃度的提高，短路電流密度不斷的下降，圖形所示結(jié)果與式4-4所描述結(jié)果完全吻合。圖4-10 施主型雜質(zhì)濃度與開路電壓間的關(guān)系如圖4-10可知，隨著施主型雜質(zhì)濃度的升高，太陽能電池的開路電壓不斷的降低。該變化趨勢與式4-5所描述結(jié)果一樣。圖4-11 施主型雜質(zhì)濃度與轉(zhuǎn)換效率間的關(guān)系如圖4-11可知，隨著施主型雜質(zhì)濃度的升高，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不斷的降低。圖4-12 施主型雜質(zhì)濃度與填充因子見的關(guān)系如圖4-12可知，隨著施主型雜質(zhì)濃度的升高，太陽能電池的填充因子先降低后升高。由于圖4-9到圖4-

57、12中描述的太陽能電池的各個參數(shù)的變化規(guī)律在受主型摻雜中已經(jīng)做了分析，而兩種摻雜滿足相同的規(guī)律，因此就不再做詳細(xì)的分析。4.3 兩種摻雜濃度對太陽能電池性能影響的對比分析圖4-13 兩種摻雜在不同濃度下短路電流密度對比圖由圖4-13所描述的是短路電流密度在不同類型的摻雜情況下隨摻雜濃度變化的關(guān)系，由圖可知隨著兩種摻雜濃度的提高，短路電流密度均在減小，但是受主型摻雜減小幅度小于施主型摻雜。通過林鴻生前輩等的研究知道，在電池內(nèi)部的電荷分布圖如圖4-14所示。圖4-14 電池空間正負(fù)電荷分布圖，其中（）為正電荷，（+）為負(fù)電荷通過圖4-14以及上面的載流子分布圖我們可以知道，在電池內(nèi)部，大部分的載流

58、子均是集中在p/i界面和i/n界面的，并且p/i界面集中的是正電荷，i/n界面集中的是負(fù)電荷。且正電荷的量多于負(fù)電荷的量。當(dāng)有陽光照射到電池上時，在電池的內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)建電場，電場的分布情況如圖4-15，圖4-16。圖4-15 受主型雜質(zhì)典型濃度下電場分布圖圖4-16 施主型雜質(zhì)典型濃度下電場分布圖通過對比上面兩副電場分布圖可以知道，兩張圖片均是p層內(nèi)的電場強(qiáng)度要大于n層內(nèi)的電場強(qiáng)度，主要是因為太陽光是從p端進(jìn)入電池的，當(dāng)向i層摻入受主型雜質(zhì)時由上面的電場強(qiáng)度的分布圖可以知道在i/n界面產(chǎn)生反向電場，當(dāng)向i層中摻入施主行雜質(zhì)時，在p/i界面產(chǎn)生反向電場12，而且施主型的反向電場大于受主型摻雜的反

59、向電場。因為在非晶硅中載流子的運(yùn)動是漂移運(yùn)動，而漂移完全是靠電場的作用，漂移速度與電場的關(guān)系如式4-8。 （4-8）由式4-8可知電場越大，載流子的漂移速度越大，速度越大則載流子到達(dá)p層和n層的時間越短，載流子的復(fù)合也機(jī)會也就越小，因此電場對載流子的收集起著決定性的作用。因為光是從p層進(jìn)入，大部分光在i層被吸收，到達(dá)n層的光線非常的有限，因此在p/i界面的電場強(qiáng)度對載流子的收集的影響大于i/n界面，所以如圖4-13所示，摻入受主雜質(zhì)的最終電流密度會大于摻入施主雜質(zhì)的電流密度。4.4 本征層厚度對太陽能電池性能影響的分析圖4-17 本征層厚度與短路電流密度間的關(guān)系由圖4-17可以知道，隨著本征層

60、厚度的不斷增加，短路電流密度先增加后降低。圖4-18 本征層厚度與開路電壓間的關(guān)系由圖4-18可以知道隨著本征層厚度的不斷增加，開路電壓不斷的增加，最后趨于平穩(wěn)。圖4-19 本征層厚度與轉(zhuǎn)換效率間的關(guān)系由圖4-19可知隨著本征層厚度的不斷增加，轉(zhuǎn)換效率先增加后減小。圖4-20 本征層厚度與填充因子間的關(guān)系由圖4-20可以知道隨著本征層厚度的不斷增加，填充因子先增加后減小。由表3-7中的數(shù)據(jù)我們可以得到圖4-17、圖4-18、圖4-19和圖4-20所示本征層厚度與各個性能參數(shù)間的關(guān)系。由圖4-17可以知道，短路電流密度隨著本征層厚度的增加先增加后減小，其原因是因為當(dāng)本征層厚度還比較小的時候，內(nèi)建