太陽能電池模擬 畢業(yè)論文

1、湖湖 北北 大大 學(xué)學(xué) 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 （設(shè)（設(shè) 計(jì)）計(jì)） 題題 目目新型硅基薄膜太陽能電池器件的設(shè)計(jì)與模擬新型硅基薄膜太陽能電池器件的設(shè)計(jì)與模擬 姓姓 名名 彭彭 真真 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 20062211052200212006221105220021 專業(yè)年級(jí)專業(yè)年級(jí) 0606 電電 科科 指導(dǎo)教師指導(dǎo)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(zhì).8 3.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果.9 3.2.1 單晶硅的性能參數(shù) .9 3.2.2 單結(jié)型改變厚度 .9 3.2.3 單結(jié)型改變摻雜濃度 .12 3.2.4 改變結(jié)構(gòu) .13 3.3 結(jié)論.14 4 多晶硅太陽能電池的設(shè)計(jì)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(zhì).15 4.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果.15 4.2.1 多晶硅的性能參數(shù) .15 4.2.2 單結(jié)型改變厚度 .16 4.2.3 改變摻雜濃度 .19 4.2.4 改變結(jié)構(gòu) .20 4.3

3、 結(jié)論.21 5 非晶硅太陽能電池的設(shè)計(jì)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(zhì).21 5.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果.23 5.2.1 非晶硅的性能參數(shù) .23 5.2.2 p-i-n 型設(shè)計(jì)與模擬.23 5.2.3 改變結(jié)構(gòu) .29 5.3 結(jié)論.30 總結(jié) .31 參考文獻(xiàn) .32 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） II 新型硅基薄膜太陽能電池器件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的關(guān)系。通過采取 PN 結(jié)和 PIN 結(jié)兩種 基本結(jié)構(gòu)，改變各層厚度

4、和摻雜濃度，研究厚度和摻雜對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 【關(guān)鍵詞】硅基太陽能電池 模擬 AMPS-1D 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 緒論 自從 1983 年法國(guó)人貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效應(yīng)”以來，歷經(jīng) 100 多年的發(fā)展，太陽能電池 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為了一個(gè)相當(dāng)龐大的學(xué)科，同時(shí)伴隨著產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。 從產(chǎn)生技術(shù)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(diǎn)的超晶 格太陽電池、中間帶

8、太陽電池、上轉(zhuǎn)換太陽電池、下轉(zhuǎn)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(jīng)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，有部分種類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是技術(shù)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(shù)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(shè)計(jì)階段，甚至沒有成型的產(chǎn)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(zhì)，其中包括：?jiǎn)尉Ч杼栯姵?、多晶硅太陽電池、?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(zhì)結(jié)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(jié)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(duì)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(jī)材料電池：正在開發(fā)使用有機(jī)材料制備出類似葉綠素的太陽電池。 如果從來料方面來評(píng)價(jià)太陽電池在未來的地位，人們有理由認(rèn)為，只有硅基材料的太陽能電池 在未來最有可持續(xù)性。因?yàn)楣柙诘厍蛏系呢S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(guān)材料的豐度都有限，難以在太陽電池產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，使得單晶硅太陽電池的效率達(dá)到 16.5%。而多晶硅電池 使用了表面織構(gòu)化技術(shù)、氮化硅減反射膜和表面鈍化技術(shù)，其效率達(dá)到 14.5%-15%。由于硅基太陽 電池和半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展使得高純硅材料的供應(yīng)空前緊張，因此，主流太陽電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)展 主要是進(jìn)行硅片的超薄化，晶體太陽電池的厚度已經(jīng)降到了 200-230um，在近幾年內(nèi)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(shù)有很大的改進(jìn)，包括新型水 平清洗技術(shù)、鏈?zhǔn)綌U(kuò)散技術(shù)、硼背場(chǎng)技術(shù)、激光去邊技術(shù)等等。而且，也要求整條生產(chǎn)線具有更高 的自動(dòng)化水平，出現(xiàn)全自動(dòng)的生產(chǎn)線，以降低破損率。 太陽電池實(shí)驗(yàn)室技

11、術(shù)也有了很大的進(jìn)展。澳大利亞華裔科學(xué)家趙建華保持了單晶硅太陽能電池 的最高紀(jì)錄：24.7%。在這種太陽能電池技術(shù)中使用了倒金字塔結(jié)合雙層減反射膜以降低表面的反 射；采用了硼背場(chǎng)結(jié)合背表面鈍化技術(shù)減少背表面的復(fù)合效應(yīng)；采用了前后電極的選擇性擴(kuò)散以減 少以減少歐姆接觸。經(jīng)過這些技術(shù)的改進(jìn)才到達(dá)這樣高的效率，這種效率已經(jīng)非常接近晶體硅太陽 電池的理論效率。美國(guó)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(chǎn)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(shù)與晶體硅襯底相結(jié)合的太陽電池技術(shù)，制備

12、出了 HIT 太陽電池，其效率達(dá)到 21%以上，大面積產(chǎn)業(yè)化效率達(dá)到 19.3%。這種電池可以雙面受光，制造成本較低。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jié)構(gòu)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(shí)共有三股電流：光

13、生電流 IL，在光生電壓 V 作用下的 pn 結(jié)正向電流 IF，流經(jīng)外 電路的電流 I。IL和 IF都流經(jīng) pn 結(jié)內(nèi)部，但方向相反。如圖 1.1： 圖 1.1（a） pn 結(jié)各電流示意圖 圖 1.1（b） 光伏效應(yīng)能帶圖 設(shè)用一定強(qiáng)度的光照射光電池，因存在吸收，光強(qiáng)度隨著光透入的深度按指數(shù)律下降。因而光 生載流子產(chǎn)生率也隨光照深入而減少，即產(chǎn)生率 Q 是 x 函數(shù)。為了簡(jiǎn)便起見，用表示在結(jié)的擴(kuò) 散長(zhǎng)度（Lp+Ln）內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率，并設(shè)擴(kuò)散長(zhǎng)度 Lp 內(nèi)的空穴和 Ln 內(nèi)的電子都能擴(kuò) 散到 p-n 結(jié)面而進(jìn)入另一邊，這樣光生電流 IL應(yīng)該是： IL=qA（Lp+Ln） (1.2)

14、其中：A 是 p-n 結(jié)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(fù)載電阻連成通路，通過負(fù)載的電流應(yīng)該是： I=IF-IL= ISexp(qV/kT)-1-IL (1.3) 根據(jù) p-n 結(jié)整流方程，在正向偏壓 下，通過結(jié)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(shí)的 光電池的伏安特 性曲線。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(xué)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(gè)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(jié)開路情況下（R=） ，此時(shí) pn 結(jié)兩端的電壓即為開路電壓 Voc。 這時(shí)，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(jié)短路（V=0） ，因而 IF=0,這時(shí)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(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)

16、應(yīng)的矩形面積，其中只有 一點(diǎn)是輸出最大功率，成為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng) 在 0.7-0.85 范圍之內(nèi)。 （4）太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率 Eff 表示入射的太陽光能量有多少能轉(zhuǎn)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(dāng) S 是整個(gè)太陽能電池面積時(shí)，Eff 成為 實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng) S 是指電池中的有效發(fā)電面積時(shí)，Eff 叫本征轉(zhuǎn)換效率。 1.3 影響太陽電池轉(zhuǎn)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(jié)果是可期望在某一個(gè)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(duì)溫度 T 很敏感，溫度還對(duì) Voc 起主要作用

18、。 對(duì)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?jǐn)?shù)。例如，一個(gè) 硅電池在 20時(shí)的效率為 20%，當(dāng)溫度升到 120時(shí)，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(fù)合壽命 希望載流子的復(fù)合壽命越長(zhǎng)越好，這主要是因?yàn)檫@樣做 Isc 大。在間接帶隙半導(dǎo)體材料如 Si 中，離結(jié) 100um 處也產(chǎn)生相當(dāng)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(fù)合壽命就已足夠長(zhǎng)了。長(zhǎng)壽命也會(huì)減小暗電流并增大 Voc。 達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在

19、材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復(fù)合中心。在加工過程中，適當(dāng) 而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長(zhǎng)壽命。 四、光強(qiáng) 將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個(gè)小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。設(shè)想光強(qiáng)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(shí) 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(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。 五、摻雜濃度及剖面分布 對(duì) 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(duì)數(shù)項(xiàng)中，它們 的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc 愈高。一種稱為重?fù)诫s

20、效應(yīng)的現(xiàn)象近年來已引起 較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化，所有方程中的 Nd 和 Na 都應(yīng)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(huì)再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會(huì)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(kuò)散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于 1019 cm-3，因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴(kuò)散 區(qū)是較為重要的。 當(dāng) Nd 和 Na 或（Nd）eff 和（Na）eff 不均勻且朝著結(jié)的方向降低

21、時(shí)，就會(huì)建立起一個(gè)電場(chǎng)， 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(kuò)散區(qū)中是很自然的。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 圖 1.4 高摻雜效應(yīng) 六、表面復(fù)合速率 低的表面復(fù)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(fù)合速率測(cè)量起 來很困難，經(jīng)常被假設(shè)為無窮大。一種稱為背表面場(chǎng)（BSF）電池設(shè)計(jì)為，在沉積金屬接觸之前， 電池的背面先擴(kuò)散一層 P附加層。圖 1.5 表示了這種結(jié)構(gòu)，在 P/P界面 圖 1.5 背表面場(chǎng)電池 存在一個(gè)電子勢(shì)壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復(fù)合，在 P/P界面

22、處的復(fù)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(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)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(jì)零，Sn 對(duì) JSC、Voc 和 Eff 的影響見圖 1.6。當(dāng) Sn 很小時(shí)，Jsc 和 Eff 都呈現(xiàn)出一個(gè)峰。 圖 1.6 背表面復(fù)合速率對(duì)電場(chǎng)參數(shù)的影響 七、串聯(lián)電阻 在任何一個(gè)實(shí)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(kuò)散層。PN

23、結(jié)收集的電流必須經(jīng)過表面薄層再流入 最靠近的金屬導(dǎo)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(jié)處的電場(chǎng) 妨礙電子朝背表 面流動(dòng) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(yīng)最小。為了使 RS 小，一般是使金屬柵做成又密又細(xì)的形狀。因?yàn)橛刑柟夥瓷涞拇嬖?，不是全部光線都能進(jìn)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(duì)于垂直地投射到電池上的單 波長(zhǎng)的光，用一種厚為 1/4 波長(zhǎng)

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(duì)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(jié)構(gòu)分析模擬程序， 是由美國(guó)賓西法尼亞州立大學(xué)電子材料工藝研究實(shí)驗(yàn)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(jì)算光伏電池、光電探測(cè)器等器件的結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)物理特性。AMPS 的主要目的是研究材料性質(zhì) （如帶隙、親和勢(shì)、摻雜濃度、遷移率、體內(nèi)和表面能帶狀態(tài)缺陷分布）以及材料的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)如 何影響器件的物理特性，以及器件對(duì)光、偏壓、以及溫度的響應(yīng)。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(fù)合、產(chǎn)生，電場(chǎng)分布圖，學(xué)會(huì)器件為什么對(duì)給定的條件會(huì)有特定 的響應(yīng)。 如圖 2.1，為 AMPS 的界面： 圖 2.1（a） AMPS 主界面 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 圖 2.1（b） 器件各層的參數(shù)設(shè)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(jié)

26、構(gòu)，如： 同質(zhì)、異質(zhì) pn 結(jié)、pin 結(jié)的太陽能電池以及探測(cè)器 同質(zhì)、異質(zhì) pn 結(jié)、pin 結(jié)、nin 結(jié)及 pip 結(jié)的微電子結(jié)構(gòu) 多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu) 多結(jié)微電子結(jié)構(gòu) 多級(jí)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器和太陽能電池結(jié)構(gòu) 多級(jí)結(jié)構(gòu)的微電子結(jié)構(gòu) 新型微電子、光伏效應(yīng)、光電感應(yīng)器件結(jié)構(gòu) 具有可選襯底層的肖特基勢(shì)壘器件 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(dāng)做溫度的函數(shù)來計(jì)算。對(duì)于太陽能電池和二極管結(jié)構(gòu)，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(chǎng)分布、自由和束縛載流子濃度、復(fù)合特性

27、、單獨(dú) 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(yùn)特性，比如單晶硅、多晶硅或非晶硅層的器件。AMPS 是設(shè)計(jì)用來分析設(shè)計(jì)優(yōu)化 器件結(jié)構(gòu)，比如微電子結(jié)構(gòu)、光電子結(jié)構(gòu)和光電器件。 3 單晶硅太陽能電池的設(shè)計(jì)與模擬 3.1 單晶硅太陽能電池的研究概況及單晶硅性質(zhì) 硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電 池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)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(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，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(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū) 摻雜工藝。在此方面，德國(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用 光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把 13nm 厚的氧化物鈍化層與兩層 減反射涂層相結(jié)合通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉(zhuǎn) 化效率超過 23%，是大值可達(dá) 233。Kyocera 公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池 轉(zhuǎn)換效率為 1944%，國(guó)內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)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(zhuǎn)換效率達(dá)到

29、 19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm X 5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá) 8.6%。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由 于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)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(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)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(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成 晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)， 有較弱的導(dǎo)電性，

30、其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。 在超純單晶硅中摻入微量的A 族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成 p 型硅半導(dǎo)體；如摻入 微量的A 族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成 n 型硅半導(dǎo)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(zhǎng)出棒狀單晶硅。下圖為單晶硅晶胞結(jié) 構(gòu)： 圖 3.1 單晶硅的晶胞結(jié)構(gòu) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 3.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)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(dǎo)帶有效狀態(tài)密度 Nc（cm- 3） 2.8*1019 導(dǎo)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(jié)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(jié)單晶硅太陽能厚度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置 前端接觸電勢(shì) PHIBO（eV）0.1 前端電子復(fù)合速率 SNO(cm/s)1.00E+07 前端空穴復(fù)合速率 SPO

32、(cm/s)1.00E+07 前端反射率 RF0 后端接觸電勢(shì) PHIBL（eV）1 后端電子復(fù)合速率 SNL(cm/s)1.00E+07 后端空穴復(fù)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(jié)構(gòu)示意圖 可得到如下結(jié)果： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(zhuǎn)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(dāng)固定 N 區(qū)厚度，P 區(qū)厚度依次增加時(shí)，轉(zhuǎn)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(dá)到一穩(wěn)定值。經(jīng)過多次改變 厚度參數(shù)

35、后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng) N 區(qū)取 100nm 時(shí)，P 區(qū)大概 1000000nm 左右時(shí)，轉(zhuǎn)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jié)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(jié)單晶硅最佳值能帶圖 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 3.2.3 單結(jié)型改變摻雜濃度 當(dāng) n、p 區(qū)厚度分別為 100nm、200000nm 時(shí)，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(jié)單晶硅太陽能摻雜濃度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置 前端接觸電勢(shì) PHIBO（eV）0.1 前端電子復(fù)合速率 SNO(cm/s)1.00E+07 前端空穴復(fù)合速率 SPO(cm/s)1.00E+07 前端反射率 RF0 后端接觸電勢(shì) PHIBL（eV）1 后端電子復(fù)合速率 SNL(cm/s)1.00E+07 后端空穴復(fù)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(jié)單晶硅太陽能轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨摻雜濃度的變化 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jié)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(zhuǎn)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(zhǎng)，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(shí)短路電流卻突然增 大。頂區(qū)重?fù)?/p>

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(yīng)會(huì)使有效摻雜濃度降低，所以頂層重?fù)诫s的上限濃度應(yīng)設(shè)為 1019cm-3。 3.2.4 改變結(jié)構(gòu) 背面加入一層 p+層形成背電場(chǎng)后的轉(zhuǎn)化效率及能帶圖如圖 3.6（圖 3.6(a) 中黑線為加入背電 場(chǎng)后的曲線，為了對(duì)比，紅線為相同厚度單結(jié)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(zhuǎn)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(jié)單晶硅效率稍微 大一點(diǎn)，與單結(jié)時(shí)相比，說明當(dāng)加入 p+層后，對(duì)電池的開路電壓和短路電流都有所提高。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(chǎng)雙結(jié)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(chǎng)雙結(jié)單晶硅能帶圖 3.3 結(jié)論 通過比較單結(jié)晶單結(jié)型厚度的變化、濃度的變化、以及與雙結(jié)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(nèi)，其轉(zhuǎn)化效率都是隨著厚度的增加而增加，在 200um 時(shí)， 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 就已經(jīng)幾

43、乎達(dá)到穩(wěn)定值，所以，在單晶硅太陽能電池設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小不必要的材料損耗，可以在 效率與電池厚度兩個(gè)參數(shù)中選取折中。當(dāng)改變 p 型基區(qū)摻雜濃度時(shí)，四項(xiàng)物理特性參量 （Eff、FF、Jsc 和 Voc）都隨濃度變化關(guān)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(shè)置的低一些。當(dāng)背面加上 一層 p+結(jié)時(shí)，形成一層背面電場(chǎng)，p/p+結(jié)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(shí)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(jié)有利于多子空穴向電極方 向流動(dòng)，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(shè)計(jì)與模擬 4.1 多晶硅太陽能電池的研究概況及多晶硅性質(zhì) 以上討論中，單晶硅由于其無位錯(cuò)、少子壽命長(zhǎng)和少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此電池的轉(zhuǎn)化效率較 其他硅材料高，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá) 24.7%，但其制備較復(fù)雜、成本較高、因此制造成本較低 和轉(zhuǎn)換效率較高的多晶硅太陽能電池成為國(guó)際光伏界的研究熱點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)多晶硅太陽能電池的大 規(guī)模應(yīng)用，電池轉(zhuǎn)換效率是最關(guān)鍵的參數(shù)，已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率低的一個(gè)

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(jiǎn)稱晶界） 。晶界是一個(gè)晶向的晶粒向另一個(gè)晶向的晶粒的過渡區(qū)，它 的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子呈無序排列，其厚度通常為幾個(gè)原子層。晶界存在著各種界面態(tài)、界面勢(shì)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(dāng)雜質(zhì)偏聚或沉淀于此時(shí)，晶界的電活 性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，而成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)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(zhuǎn)換效率。因此，轉(zhuǎn)換效率除了受到少子壽命、表面復(fù)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(shè)計(jì)與模擬結(jié)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(nèi)部原子周期性地有序排列，因此可以把每個(gè)晶?？?成一塊小的單晶體，同時(shí)每個(gè)小晶粒體內(nèi)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(jié)構(gòu)。當(dāng)晶粒是任意方向時(shí)，則只有最上層的晶粒對(duì)電池的輸出特性有貢獻(xiàn)，而下層的晶 粒則被晶界隔離從而對(duì)電池的輸出特性沒有貢獻(xiàn)；當(dāng)多晶硅的晶粒是柱狀時(shí)，晶界垂直于電池表面， 而每個(gè)柱狀晶粒內(nèi)的光生載流子在電池內(nèi)部的輸運(yùn)過程中都能通過 p-n 結(jié)被收集，不會(huì)通過晶界產(chǎn) 生復(fù)合，因此整個(gè)電池的厚度都對(duì)輸出有貢獻(xiàn)，晶界復(fù)合對(duì)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(dǎo)帶狀態(tài)密度 Nc（cm-3） 2.8E+19 價(jià)帶狀態(tài)密度 Nv（cm-3） 1.04E+19 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 圖 4.1 多晶硅晶粒結(jié)構(gòu) 在這里模擬中，所取的是多晶硅的理想狀況，即假設(shè)： 假設(shè)多晶粒中所包含的所有晶粒都是柱狀的，且晶粒垂直于結(jié)面，每個(gè)晶粒大小、形狀、電學(xué) 性質(zhì)（摻雜濃度、少子遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度）和光學(xué)性質(zhì)（表面反射、受光照情況）一致； 忽略晶粒結(jié)構(gòu)的其他不完整性； 晶粒內(nèi)的摻雜濃度均勻，

48、且在室溫下雜質(zhì)全部電離； 晶粒間界處的摻雜雜質(zhì)全部為非電激活； 忽略晶界厚度的影響（一般為幾個(gè)原子層厚度） ； 假設(shè)晶界是部分耗盡的； 電池具有背面電場(chǎng)時(shí)，背面復(fù)合速率考慮為 Sn=1*103cm/s;當(dāng)背面為歐姆接觸時(shí)，背面復(fù)合速 率考慮為 Sn=1*107cm/s,以便接近更實(shí)際的情況。 4.2.2 單結(jié)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(jié)多晶硅太陽能厚度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置 前端接觸電勢(shì) PHIBO（eV） 1.0 前端電子復(fù)合速率 SNO(cm/s) 1.00E+07 前端空穴復(fù)合速率 SPO(cm/s) 1.00E+07 前端反射率 RF

49、 0 后端接觸電勢(shì) PHIBL（eV） 0.2 后端電子復(fù)合速率 SNL(cm/s) 1.00E+07 后端空穴復(fù)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(shí) 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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jié)多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)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(jié)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 由圖 4.2 可以看出：當(dāng) p 區(qū)厚度為 200um 時(shí),多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定值,而其 他各項(xiàng)參數(shù)隨厚度的變化關(guān)系都相同。np 區(qū)厚度分別為 100nm、200000nm 時(shí)的各項(xiàng)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(jié)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(jié)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(shè)為

53、100nm、200000nm，n 區(qū)的摻雜濃度為 1019cm-3，所用參數(shù)設(shè)置如下： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 表 4.3 頂層為 n 型單結(jié)多晶硅太陽能電池濃度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置 前端接觸電勢(shì) PHIBO（eV） 1.0 前端電子復(fù)合速率 SNO(cm/s) 1.00E+07 前端空穴復(fù)合速率 SPO(cm/s) 1.00E+07 前端反射率 RF 0 后端接觸電勢(shì) PHIBL（eV） 0.1 后端電子復(fù)合速率 SNL(cm/s) 1.00E+07 后端空穴復(fù)合速率 SPL(cm/s) 1.00E+07 后端反射率 RB 0.6 得到的模擬結(jié)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(jié)多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率與填充因子隨濃度的變化 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jié)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(xiàng)因子都先有稍微增長(zhǎng)，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(shè)置為 5*1016cm-3。 4.2.4 改變結(jié)構(gòu) 加入 p+層，形成背電場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(jié)型多晶硅與雙結(jié)型多

57、晶硅的 I-V 曲線比較 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 圖 4.5(b) 加入背電場(chǎng)的能帶圖 4.3 結(jié)論 通過以上模擬多晶硅改變厚度及摻雜濃度時(shí)的結(jié)果可知：由于在本實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，各項(xiàng)參數(shù)都跟 單晶硅的幾乎相同，所以模擬結(jié)果同單晶硅一樣，在可模擬范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)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(guān)系也與單晶硅類似。加入背面電場(chǎng)后，轉(zhuǎn)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(shè)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(yùn)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(guān)系。 5 非晶硅太陽能電池的設(shè)計(jì)與模擬 5.1 非晶硅太陽能電池的研究概況及非晶硅性質(zhì) 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(jié)晶型太陽能電池用厚度為 0.13mm0.15mm 的單晶硅或多晶硅片，進(jìn)一步減薄 受到強(qiáng)度的限制。而薄膜型太陽能電池可用廉價(jià)的玻璃基片或柔性材料作基片，吸收層厚度為微米 級(jí)；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?cái)U(kuò)散和 850燒結(jié)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(shù)制備出 a-Si:H 材料， 即用氫原子補(bǔ)償了懸掛鍵等缺陷態(tài)，才實(shí)現(xiàn)了對(duì)非晶硅材料的摻雜，非晶硅材料開始得到應(yīng)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 圖 5.1 非晶硅結(jié)構(gòu) CRN 模型 圖 5.2 某些半導(dǎo)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(guān)注和重視，是因?yàn)橐幌聝?yōu)點(diǎn)： 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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)(由于其為直接帶隙半導(dǎo)體,因此光子激發(fā)電子到導(dǎo)帶,不需要聲子的幫 組,直接在電場(chǎng)下就可以形成電流)。因而他比單晶硅對(duì)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(nèi)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