np型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的模擬

1、武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3（半導(dǎo)體物理）課程設(shè)計說明書 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 技術(shù)要求3 HYPERLINK l bookmark4 基本原理3 HYPERLINK l bookmark6 pn結(jié)的形成3 HYPERLINK l bookmark8 pn結(jié)的光伏效應(yīng)4 HYPERLINK l bookmark14 pn結(jié)的電流電壓特性5 HYPERLINK l bookmark16 開路電壓5 HYPERLINK l bookmark18 短路電流5 HYPERLINK l bookmark20 光電轉(zhuǎn)化效率6 HYPERLINK l book

2、mark24 影響太陽能電池性能的因素6 HYPERLINK l bookmark26 相關(guān)參數(shù)介紹6 HYPERLINK l bookmark28 電子親和勢6狀態(tài)密度7 HYPERLINK l bookmark30 遷移率帶隙與光學(xué)帶隙7 HYPERLINK l bookmark32 遷移率7 HYPERLINK l bookmark34 參數(shù)描述8 HYPERLINK l bookmark36 Afors-het軟件8 HYPERLINK l bookmark38 各層基本參數(shù)的意義及選取9 HYPERLINK l bookmark40 a-Si(n)層9 HYPERLINK l boo

3、kmark42 a-Si(i)層9c-Si(p)層10 HYPERLINK l bookmark46 其余相關(guān)參數(shù)設(shè)置10 HYPERLINK l bookmark48 調(diào)試過程及結(jié)論11 HYPERLINK l bookmark50 本征層對電池性能的影響12 HYPERLINK l bookmark52 本征層厚度的影響12本征層能隙寬度的影響13 HYPERLINK l bookmark54 發(fā)射層厚度對電池性能的影響。14 HYPERLINK l bookmark56 發(fā)射層厚度對光譜特性的影響14 HYPERLINK l bookmark58 界面態(tài)的影響15 HYPERLINK l

4、 bookmark60 調(diào)試結(jié)論17 HYPERLINK l bookmark62 心得體會20 HYPERLINK l bookmark64 參考文獻(xiàn)20n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的模擬1技術(shù)要求利用Afors-het軟件，通過參數(shù)的選取來實現(xiàn)高效率太陽能電池的設(shè)計。要求：各層基本參數(shù)的選取及意義；本征層參數(shù)變化對太陽能電池效率的影響；發(fā)射層及界面態(tài)對太陽能電池性能的影響；用Afors-het來進(jìn)行模擬。2基本原理pn結(jié)的形成雜質(zhì)半導(dǎo)體按照摻雜的雜質(zhì)類型的不同可以分為p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體主要摻雜的雜質(zhì)為三價元素為主，而n型半導(dǎo)體主要摻雜的雜質(zhì)主要以五價元素為主。所以二者在許多

5、特性方面有著很大的不同。在p型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)。在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質(zhì)(離子)是固定不動的。n型半導(dǎo)體中有許多可動的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體接觸時，在界面附近空穴從p型半導(dǎo)體向n型半導(dǎo)體擴(kuò)散，電子從n型半導(dǎo)體向p型半導(dǎo)體擴(kuò)散?？昭ê碗娮酉嘤龆鴱?fù)合，載流子消失。因此在界面附近的結(jié)區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子，稱為空間電荷區(qū)。p型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子，n型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子。正負(fù)離子在界面附近產(chǎn)生電場，此電場阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，產(chǎn)生電場與擴(kuò)散兩者產(chǎn)生的效果相當(dāng)時，載流子分布達(dá)到平衡

6、。如圖1所示。fe目好00eoeeeeee4GO0QGObfefeb撫擴(kuò)散鬲二X漂移圖1載流子達(dá)到平衡示意圖2.2pn結(jié)的光伏效應(yīng)一塊半導(dǎo)體中p區(qū)與n區(qū)的交界面稱為pn結(jié)。pn結(jié)受到光照時，可在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。當(dāng)pn結(jié)受到光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因p區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，n區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有p區(qū)的光生電子、n區(qū)的光生空穴以及結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場附近時，能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向n區(qū)，光生空穴被拉向p區(qū)，即電子空穴對

7、被內(nèi)建電場分離。這導(dǎo)致在n區(qū)邊界附近有光生電子積累，在p區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡pn結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場及光電流，其方向由p區(qū)指向n區(qū)，如圖2所示。PNQO0O0Oooo止向電流片嚴(yán)電流人圖2pn結(jié)受光照產(chǎn)生的光電流此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差。入射的光能就轉(zhuǎn)變成了電能。pn結(jié)作電源的等效電路如圖3所示。光電流方向I*I僉e：豹田q日:B:念花蟲e曰。；直：矽田茹光主電動勢方向圖3pn結(jié)作電源的等效電路2.3pn結(jié)的電流電壓特性與熱平衡時比較，有光照時，pn結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個附加電流，即光電流/p,其方向與pn結(jié)反向飽和電流I0相同，一般Ip10。此時I=

8、I0e(qU/KT-(I0+Ip)令I(lǐng)p=SE,則I=I0e(qU/KT)-(I0+SQ2.3.1開路電壓PN結(jié)的開路電壓V表示在光照下的pn結(jié)外電路開路時，p端對n端的電壓，即上oc述電流方程中1=0時的U的值，令1=0得到0=I0e(qU/KT)-(I0+SE)営(KT/q)In(SE+IJI曾(KT/q)In(SE/I。)2.3.2短路電流pn結(jié)的短路電流I表示光照下的pn結(jié)在外電路短路時，從p端流出，經(jīng)過外sc電路，從n端流入的電流。即上述電流方程中U=0時的I值，令U=0得到得Isc=-SE。2.4光電轉(zhuǎn)化效率光電轉(zhuǎn)化效率指的是太陽能光伏系統(tǒng)中太陽能電池板把太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的效率。

9、與量子效率有關(guān)。定義量子效率為每秒產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與每秒入射波長為九的光子數(shù)之比。用“（九）表示。如果光照時，每產(chǎn)生一個光電子，在外電路中都輸出一個電子。則電池輸出光電流為Ip=en%/hv其中%為輻射通量。2.5影響太陽能電池性能的因素能夠?qū)Ξ愘|(zhì)結(jié)太陽能電池性能產(chǎn)生影響的因素有很多，不同的結(jié)構(gòu)，不同的材料以及環(huán)境因素都能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生影響。而如何進(jìn)行參數(shù)的選擇，一些參數(shù)的改變對電池性能有什么影響，以及如何選取最合適的參數(shù)，是一個需要討論研究的過程。2.6相關(guān)參數(shù)介紹2.6.1電子親和勢電子親和勢指的是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部到真空能級間的能量值，它表征材料在發(fā)生光電效應(yīng)時，電子逸出材料的難易程度。電子親

10、和勢越小，就越容易逸出。如果電子親和勢為零或負(fù)值，則意味著電子處于隨時可以脫離的狀態(tài)。如圖4所示，列舉三種電子親和勢的示意圖。3正電了親和b零電子親穎c呦電廣親和勢光削極婷it陰極第光劇極圖4三種電子親和勢示意圖武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3（半導(dǎo)體物理）課程設(shè)計說明書武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3（半導(dǎo)體物理）課程設(shè)計說明書 2.6.2狀態(tài)密度狀態(tài)密度是固體物理中的重要概念，即能量介于E+之間的量子態(tài)數(shù)目AZ與能量差之比，即單位頻率間隔之內(nèi)的模數(shù)。心關(guān)系反映出固體中電子能態(tài)的結(jié)構(gòu)，固體中的性質(zhì)。如圖5所示，曲線1和曲線2分別表示&（）和gv（Q與E的關(guān)系曲線。2圖5狀態(tài)密度與能量的關(guān)系2.6.3遷移

11、率帶隙與光學(xué)帶隙遷移率帶隙的概念是針對非晶態(tài)半導(dǎo)體的，因為長程有序的消失，短程有序的保留，在晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶基礎(chǔ)上出現(xiàn)深入帶隙的帶尾態(tài)。同時，由于非晶態(tài)對完美晶格的背離使得電子能級出現(xiàn)擴(kuò)展態(tài)和局域態(tài)的分別。擴(kuò)展態(tài)中電子對應(yīng)晶態(tài)半導(dǎo)體中的自由電子（及空穴），局域態(tài)中電子受到彌散輸運(yùn)機(jī)制的影響，與擴(kuò)展態(tài)電子的主要差異在于遷移率的不同。因此能帶中擴(kuò)展態(tài)和局域態(tài)的分界被稱為遷移率邊，導(dǎo)帶遷移率邊到價帶遷移率邊被稱為遷移率帶隙。定義其光學(xué)帶隙的簡單方法是E03或E04,即吸收系數(shù)為103cm-i或104cm-i時所對應(yīng)的光子能量。2.6.4遷移率遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均

12、漂移速度，即載流子在電場作用下運(yùn)動速度的快慢的量度，運(yùn)動得越快，遷移率越大；運(yùn)動得慢，遷移率小。溶液中帶電粒子在電場中向著與它相異電荷的電極移動，它的移動速度V是電場E和粒子的有效質(zhì)量加的乘積，即：V=m*Eo3參數(shù)描述Afors-het軟件Afors-het軟件是德國一個硏究所針對異質(zhì)結(jié)電池專門研發(fā)的模擬軟件，可以數(shù)值模擬各種結(jié)構(gòu)因素對太陽能電池性能的影響，用Afors-het程序模擬計算了不同本征層厚度、能隙寬度、發(fā)射層厚度以及不同界面態(tài)密度等參數(shù)對太陽電池光伏特性的影響。軟件主界面如圖6所示。主要利用到的按鈕及其功能如下：Definestructure:定義光電池的結(jié)構(gòu)，通過此按鈕定義模

13、擬光電池的結(jié)構(gòu)。illumination/spectral:此按鈕功能為給光電池提供模擬光照。一般選擇spectral類型用模擬仿真。calcI-V:通過此按鈕可以觀察I-V特性曲線，并且計算出短路電流、開路電壓、填充因子以及電池效率。calcQE:用于觀察光電池的量子效率及光譜響應(yīng)。ParameterVariation用于設(shè)置特定參量的變化，觀察電池性能受該參量變化引起的影響。圖6Afors-het軟件主界面武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3（半導(dǎo)體物理）課程設(shè)計說明書武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3（半導(dǎo)體物理）課程設(shè)計說明書武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3(半導(dǎo)體物理)課程設(shè)計說明書 3.2各層基本參數(shù)的意

14、義及選取本次課程設(shè)計通過選取n/p異質(zhì)結(jié)太陽能電池作為研究對象。利用Afors-het軟件，通過分析各層參數(shù)的改變，對電池各個特性產(chǎn)生的影響。最終通過參數(shù)的選取來實現(xiàn)高效率太陽能電池的設(shè)計。模擬分析n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖7所示。a-Si(n)層n層作為發(fā)射層，其性能在決定電池性能上有重要作用，由于結(jié)構(gòu)無序和高的摻雜量,發(fā)射層載流子的擴(kuò)散長度很小，且只有漂移電流而無擴(kuò)散電流。另一方面，由于摻雜濃度髙，發(fā)射區(qū)中空間電荷區(qū)的深度很小，甚至當(dāng)厚度對于最薄的a-SiH層，將不存在電場區(qū)。因而發(fā)射區(qū)應(yīng)盡可能的薄，且要做得重?fù)诫s。選取n型晶體硅作受光面?？紤]到制作工藝及其他因素，n層厚度控制

15、小于5nm。摻雜濃度控制在10i9cm-3左右來研究各層參數(shù)變化對n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的性能的影響。a-Si(i)層加入本征層i層后，能夠改善藍(lán)波段的光譜響應(yīng)，大大提高了n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的短路電流，從而提高了太陽能的轉(zhuǎn)化效率。但是存在于非晶硅和晶體硅之間的本征非晶緩沖層的厚度不能設(shè)計得過厚，否則將對效率額提高不起到作用。模擬仿真時，層厚度基本上在控制在030nm來研究其對n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的影響。323c-Si（p）層通過查閱資料后，將p區(qū)設(shè)計為襯底，厚度設(shè)置為300pm。材料選取具有較高遷移率的晶體硅。因此i層與p層之間將存在界面態(tài)缺陷密度。界面態(tài)缺陷密度對

16、異質(zhì)結(jié)太陽能電池的特性將產(chǎn)生影響。通過設(shè)置界面態(tài)密度范圍為101010i4cm-2/eV來研究其對n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的性能的影響。3.2.4其余相關(guān)參數(shù)設(shè)置模擬仿真中，n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)電無陷光結(jié)構(gòu)和背場效應(yīng)。正背面電極為歐姆接觸，非晶硅和晶體硅的材料參數(shù)以及歐姆接觸的載流子界面復(fù)合速率等模擬參數(shù)見表1。模擬光照為具有傾斜通過大氣層的太陽光譜特征的光照量，即AM1.5，100mW/cm2。有效波段范圍為0.381.10pm。表1模擬計算中采用的各層參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)a-Si(n)a-Si(i)c-Si(p)層厚（nm）5030300000電子親和勢（eV）3.83.64.05

17、能隙寬度（eV）1.121.51.12N(cm-3)c1X10201X10202.8X1019N(cm-3)v1X10201X10201.4X1019a(cm2V-is-i)/n551350a(cm2V-ls-i)p11450ND(cm-3)1X101900N(cm-3)A01X101704調(diào)試過程及結(jié)論首先考慮電池結(jié)構(gòu)為不含有i層的n/p型的太陽能電池，即本征層厚度選取為0。取發(fā)射層厚度為5nm。此時太陽電池的V-I特性曲線如圖8所示。2FryuJ獸A4JMLQP4U9un凸00.20.1（9.6wltnULIV圖8太陽電池的V-I特性曲線此時n/p型異質(zhì)結(jié)太陽電池的特性參數(shù)為：V=547.

18、7mV，J=43.46mA/cm2,ocscFF=80.95%,能量轉(zhuǎn)換效率=19.27（未經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化）。計算出Cellresults如圖9所示。圖9n/p型異質(zhì)結(jié)的Cellresults4.1本征層對電池性能的影響4.1.1本征層厚度的影響在a-SiH與c-Si之間插入本征層的作用受界面態(tài)密度的影響，理論上認(rèn)為本征非晶層的態(tài)密度要低于摻雜非晶體，因此采用本征非晶層做一層緩沖層，可降低非晶和晶體硅接觸面上的界面態(tài)缺陷密度。從而提高n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池光伏特性隨著本征層厚度變化的情況如圖10所示。從中可以看出，未插入本征層時，能量轉(zhuǎn)換效率基本在19.2%左右，

19、當(dāng)本征層厚度增加到3nm左右時，能量轉(zhuǎn)換效率取得一個峰值，大概在19.6%左右。但是隨著厚度繼續(xù)增加，能量轉(zhuǎn)換效率一直在減小。超過一定厚度后，能量轉(zhuǎn)換效率基本下降到未加本征層時的能量轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)。7oc的變化基本上在本征層厚度大于3nm后由590mV趨于一穩(wěn)定值，大概為640mVoc左右。J隨著本征層厚度增加先是略有上升，以39.9mAcm-2作為參考值，可較為明顯看出。sc本征層厚度超過3nm后，Jsc便逐漸下降。sc經(jīng)過分析表明，本征層的厚度并不是影響電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素。因此，結(jié)合制作工藝的基礎(chǔ)上，以及結(jié)合以上分析，選取最優(yōu)本征層厚度為3nm，以達(dá)到最佳能量轉(zhuǎn)換效率。fUTiKtiIh

20、id064vOCfv/idth|12|FF(widtht2J)li=J：Lt歯曲叭叭|pmjsc恤皿曲膽“Eff(wlcHhrr21)IhcknvBE-r-mlth出kM翻|tmlIE-MIA圖10本征層厚度對太陽能電池性能的影響4.1.2本征層能隙寬度的影響實驗表明，可以通過沉積參數(shù)來控制硅材料的晶化度，不同晶化度的硅材料的能隙寬度也不同，不同能隙寬度的薄膜材料對太陽能光伏特性會有不同的影響。為了找到合適的能隙寬度以達(dá)到最大的光電轉(zhuǎn)化效率。需要對不同本征層能隙寬度的非晶硅進(jìn)行研究，找到不同本征層能隙寬度對太陽能光伏電池特性的影響。如圖11所示，只改變本征層能隙寬度，保持發(fā)射層以及本征層其他參

21、數(shù)不變，研究本征層能隙寬度對太陽能光伏電池特性的影響，可以看出，當(dāng)本征層能隙寬度到達(dá)1.5eV之前，能量轉(zhuǎn)換效率從18.5%直提高至19.5%，本征層能隙寬度超過1.5eV后，能量轉(zhuǎn)換效率基本保持穩(wěn)定19.7%。V以及J也基本在1.5eV左右達(dá)到穩(wěn)定。V近似650mV,Jocscocsc近似39.9mAcm-2。填充因子FF在本征層能隙寬度到達(dá)1.5eV之后嚴(yán)重下降。從82%下降到76%。其中在摻雜濃度和界面態(tài)密度一定的情況下，本征層能隙寬度的變化對開路電壓影響最大，這是由于非晶硅/晶體硅異質(zhì)節(jié)之間存在一定高度的勢壘，因此異質(zhì)結(jié)中載流子在界面隧穿幾率很小，從而使得pn結(jié)反向飽和電流減小，提高了

22、開路電壓。JSC(Cgl2)15Eff(EgD2FF(EgyzlteTi.77D.u-Q-nnrgyeVl【taist121*ia圖11本征層能隙寬度對太陽能電池性能的影響4.2發(fā)射層厚度對電池性能的影響。發(fā)射層n層在不同厚度條件下太陽能電池的性能參數(shù)如圖12所示，n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率隨著發(fā)射層厚度的增加從19.7%逐漸減少。匕隨著發(fā)射層厚度的增加從645mV逐漸減少。oc丿隨著發(fā)射層厚度的增加從40mAcm-2左右逐漸減少。scjii!phgjnnbapfinlTiIara口hgShaAi0的lE-nm?2S-QWTM-m?454HQ?K-lihickrrt-m|JS.

23、CvQC1E-QW?EE-Q1PTK-IOT?-010?KdttiickM-M-(om|tlTEcU.T?FF(wtcnhOU)IE-1W?JE-SOTFS-OWTa-JJMrT5E4Jgff(wlmhli)0.IBF.ai%cQJWIaiaaIE?ZEHW?St-MPT-OtUTx-ptHc*8neti|Em5圖12發(fā)射層厚度對電池性能的影響4.3發(fā)射層厚度對光譜特性的影響如圖13所示，隨著發(fā)射層厚度的增大，電池的短波響應(yīng)逐漸減弱，這一結(jié)果將導(dǎo)致短路電流的減少。進(jìn)而影響n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的效率。從圖12中可以看出隨著發(fā)射層厚度的增加，n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率逐漸減

24、少。4.4界面態(tài)的影響從圖14圖17中可以看出，當(dāng)界面態(tài)缺陷密度Dit10i2cm-2eV-i時，n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的性能幾乎不受界面態(tài)缺陷的影響。當(dāng)界面態(tài)缺陷密度從10i2cm-2eV-i增加到10i5cm-2eV-i時，n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率從i9.i9%下降到6.i6%。填充因子從77.0i%下降到68.94%。J從39.4scmAcm-2下降到i9.6mAcm-2。V從638.3mV下降到466.4mV。ocJsc的減小是由于光生載流子在界面內(nèi)復(fù)合增加，但由于界面曾很薄，Jsc減小量較小。scscVoc的減小主要是由于pn結(jié)反向飽和電流的增加，由于界面態(tài)密

25、度的增加，載流子在oc界面復(fù)合的幾率增大，導(dǎo)致反向飽和電流的增加。由此可以看出界面態(tài)密度對n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能影響非常大。為了獲得較高效率的太陽能電池應(yīng)該盡量降低界面態(tài)缺陷密度，使其低于10i2cm-2eV-i。4.5調(diào)試結(jié)論運(yùn)用Afors-het程序模擬計算了不同本征層厚度、本征層能隙寬度、發(fā)射層厚度、以及不同界面態(tài)密度等參數(shù)等對n/p型異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的影響。結(jié)果表明,在其它參數(shù)條件不變的情況下,插入較薄本征層,有利于轉(zhuǎn)換效率增加,但本征層厚度過厚時將導(dǎo)致短路電流密度減少、填充因子與能量轉(zhuǎn)換效率也隨之降低。本征層能隙寬度的變化對短路電流影響很大,隨能隙寬度增加,短路電流先增加,但當(dāng)能隙寬度大于某一特定值時,短路電流飽和后減小。界面態(tài)密度的增大會導(dǎo)致開路電壓迅速下降，以及能量轉(zhuǎn)換效率的減小。故在設(shè)計時要盡量減小界面態(tài)密度以提高電池的性能。最終,通過對每一層各個參數(shù)的不斷研究，不斷優(yōu)化，按照如圖18圖20的參數(shù)設(shè)置,設(shè)計出了能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)23.76%的n/p型高效異質(zhì)結(jié)太陽能電池。如圖21所示。圖18a-Si(n)層參數(shù)的設(shè)置圖19a-Si層參數(shù)的設(shè)置武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計3（半導(dǎo)體