《專業(yè)課程設(shè)計(jì)3（半導(dǎo)體物理）》課程設(shè)計(jì)說明書異質(zhì)結(jié)太陽能電池微晶硅背場的模擬優(yōu)化

1、武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)3（半導(dǎo)體物理）課程設(shè)計(jì)說明書目 錄1技術(shù)要求22基本原理22.1異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理22.2背場的相關(guān)概念32.3 afors-he軟件的學(xué)習(xí)了解33參數(shù)描述33.1太陽能電池前兩層的固定參數(shù)33.2太陽能電池背場的可調(diào)參數(shù)43.3太陽能電池背場的固定參數(shù)44調(diào)試過程及結(jié)論54.1調(diào)試過程54.1.1太陽能電池相關(guān)參數(shù)的設(shè)定54.1.2太陽能電池模擬結(jié)果對(duì)比74.2優(yōu)化過程94.2.1背場層厚的優(yōu)化94.2.2背場帶隙寬度的優(yōu)化124.2.3背場摻雜濃度的優(yōu)化144.3結(jié)論175心得體會(huì)186參考文獻(xiàn)19異質(zhì)結(jié)太陽能電池微晶硅背場的模擬與優(yōu)化1 技術(shù)要求設(shè)計(jì)a

2、-si/c-si/uc-si太陽能電池，分析背場參數(shù)對(duì)異質(zhì)結(jié)太陽能電池效率的影響。要求：（1）背場厚度對(duì)太陽能電池效率的影響；（2）背場摻雜濃度對(duì)太陽能電池效率的影響；（3）背場帶隙對(duì)太陽能電池效率的影響；（4）采用afors-het來進(jìn)行模擬。 2 基本原理2.1 異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理異質(zhì)結(jié)太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是發(fā)射區(qū)、單晶硅基區(qū)、背場區(qū)，其物理模型如圖1所示。圖1 太陽能電池的物理模型太陽光從發(fā)射區(qū)前表面入射，進(jìn)入單晶硅基區(qū)后被吸收，光生電子和空穴靠擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)絧n結(jié)區(qū)和背面高低結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)空間電場的作用下分別向發(fā)射區(qū)和背場區(qū)漂移。在實(shí)際制作過程中，對(duì)于背場，希望利用的是高低結(jié)區(qū)對(duì)光

3、生少子的背反作用，而這種作用主要取決于兩邊材料的能帶匹配和摻雜濃度。影響異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能的最主要因素是單晶硅區(qū)的光電性質(zhì)和前后兩個(gè)結(jié)區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)。2.2 背場的相關(guān)概念背場是用來提高太陽電池效率的有效手段。所謂背場指的是可對(duì)光生少子產(chǎn)生勢壘效果的區(qū)域，從而減少光生少子在背表面的復(fù)合，這個(gè)勢壘不但可以提高光電流，還可以在一定程度上提高光電壓，因此背場的選擇對(duì)太陽電池的性能影響很大。通常是靠一層與吸收區(qū)摻雜類型相同，但摻雜濃度更高的摻雜層來實(shí)現(xiàn)。2.3 afors-he軟件的學(xué)習(xí)了解afors-he軟件是德國一個(gè)硏究所針對(duì)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(duì)太陽能電池性能的

4、影響。釆用afors-he數(shù)值模擬軟件，在已研究的異質(zhì)結(jié)太陽能電池的基礎(chǔ)上，加入微晶硅背場，來模擬微晶硅背場厚度，帶隙和摻雜濃度對(duì)異質(zhì)結(jié)太陽電池性能的影響，尋找微晶硅背場的最佳參數(shù)。采用微晶硅薄膜做背場的理由是，微晶硅是納米晶硅，晶粒邊界， 空洞和非晶硅共存的混合相，具有摻雜效率高，電導(dǎo)率高，載流子遷移率大等特點(diǎn)，它既具有非晶硅的高吸收系數(shù)，同時(shí)又具有單晶硅穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)，而且微品硅的禁帶寬度是可以隨著晶相比變化連續(xù)可調(diào)，很容易得到與最高轉(zhuǎn)化效率相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。通過老師的兩次講解，和自己的摸索，基本掌握了afors-he軟件的使用方法，并對(duì)異質(zhì)結(jié)太陽能電池微晶硅背場進(jìn)行模擬優(yōu)化。3 參數(shù)描述 3

5、.1 太陽能電池前兩層的固定參數(shù)由于太陽能電池的模型和材料已固定，第一二層得相關(guān)參數(shù)也是固定的。由相關(guān)資料參考，得出其固定參數(shù)如表1所示。表1 a-si（n）和c-si（p）的固定參數(shù)3.2 太陽能電池背場的可調(diào)參數(shù) 基于模擬仿真優(yōu)化要接近實(shí)際的考慮，系統(tǒng)的每個(gè)參數(shù)都要有一定的范圍，該系統(tǒng)涉及的可調(diào)參數(shù)主要有三種：薄膜背場的層厚5nm20nm；薄膜背場帶隙寬度1.11.8ev；薄膜背場的摻雜濃度1e22cm。3.3 太陽能電池背場的固定參數(shù)太陽能電池背場除了三個(gè)可調(diào)參數(shù)，其他參數(shù)也為固定的。由相關(guān)資料參考，得出其相關(guān)參數(shù)如表2所示。表2 背場的相關(guān)參數(shù)4 調(diào)試過程及結(jié)論 4.1 調(diào)試過程4.1

6、.1 太陽能電池相關(guān)參數(shù)的設(shè)定 使用afors-he軟件新建三個(gè)層，根據(jù)參考參數(shù)對(duì)每層的具體數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)相關(guān)資料，使用背場層厚5nm；薄膜背場帶隙寬度1.74ev；薄膜背場的摻雜濃度為1e20 cm-3作為參考背場。每一層的材料和參數(shù)設(shè)置如圖2、3、4所示。圖2 太陽能電池第一層的參數(shù)圖3 太陽能電池第二層的參數(shù)圖4 太陽能電池第三層的參考參數(shù)4.1.2 太陽能電池模擬結(jié)果對(duì)比 使用參考背場進(jìn)行i-v模擬與未加背場的太陽能電池，在光照后對(duì)比開路電壓，短路電流，填充因子，轉(zhuǎn)化效率，四項(xiàng)指標(biāo)，轉(zhuǎn)化效率越高越好。未加背場的模擬結(jié)果如圖5所示。圖5 未加背場的太陽能電池i-v模擬圖模擬結(jié)果為開路

7、電壓652.3mv，短路電流38.53ma/com，填充因子83.19%，轉(zhuǎn)化效率20.91%。加參考背場后的模擬結(jié)果如圖6所示圖6 加背場后的太陽能電池i-v模擬圖模擬結(jié)果為開路電壓793mv，短路電流41.07ma/com，填充因子87.07%，轉(zhuǎn)化效率28.36%。未加背場的太陽能電池與加參考背場的太陽能電池i-v模擬對(duì)比圖如圖7所示。圖7 未加背場與加背場后的太陽能電池i-v對(duì)比圖未加背場的太陽能電池與加參考背場的太陽能電池i-v模擬后性能參數(shù)如表3所示。表3 未加背場與加背場后的太陽能電池性能參數(shù)對(duì)比性能參數(shù)開路電壓短路電流填充因子轉(zhuǎn)化效率未加背場的太陽能電池652.3mv38.53

8、ma/com83.19%20.91%加參考背場的太陽能電池793mv41.07ma/com87.07%28.36% 由對(duì)比圖和性能參數(shù)對(duì)比表可以看出，加背場后四項(xiàng)參數(shù)都有所升高，其中轉(zhuǎn)化效率提升了7.45%。可見背場的添加與背場的參數(shù)選擇對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)化效率影響很大。4.2 優(yōu)化過程 在加入背場后，對(duì)背場進(jìn)行優(yōu)化。背場的固定參數(shù)已知，只對(duì)層厚、帶隙寬度、摻雜濃度在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，找到最優(yōu)的參數(shù)，即轉(zhuǎn)化效率最高時(shí)的參數(shù)。在調(diào)節(jié)其中一項(xiàng)參數(shù)時(shí)，另外兩項(xiàng)的參數(shù)使用參考背場的數(shù)值。4.2.1 背場層厚的優(yōu)化 背場層厚的范圍為5nm20nm，在這個(gè)范圍內(nèi)去不同的數(shù)值進(jìn)行模擬，對(duì)比四項(xiàng)性能參數(shù)。在模擬

9、過程中，由于在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)四項(xiàng)性能參數(shù)幾乎沒有變化，所以在范圍外取層厚為0.1nm進(jìn)行模擬，其模擬結(jié)果如表4所示。表4 背場層厚對(duì)太陽能電池性能的影響背場厚度(nm)0.15678910開路電壓voc(mv）791.4793793793793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.0741.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.187.0787.0787.0787.0787.0787.07轉(zhuǎn)化效率（%）28.3128.3628.3628.3628.3628.3628.36背場厚度(nm)11121314151617開路電壓voc(mv）793793

10、793793793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.0741.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0787.0787.0787.0787.0787.0787.07轉(zhuǎn)化效率（%）28.3628.3628.3628.3628.3628.3628.36背場厚度(nm)181920開路電壓voc(mv）793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0787.0787.07轉(zhuǎn)化效率（%）28.3628.3628.36 通過所得數(shù)據(jù)可以看出背場層厚在固定范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)化效率和其他性能幾乎沒有影響

11、，在實(shí)際制作時(shí)就應(yīng)考慮成本和制作工藝。由數(shù)據(jù)可繪制背場層厚對(duì)四項(xiàng)性能參數(shù)的影響圖，如圖8、9、10、11所示。 圖8 背場層厚對(duì)開路電壓的影響 圖9 背場層厚對(duì)短路電流的影響圖10 背場層厚對(duì)填充因子的影響圖11 背場層厚對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響4.2.2 背場帶隙寬度的優(yōu)化薄膜背場帶隙寬度1.11.8ev，在此范圍內(nèi)對(duì)不同的點(diǎn)進(jìn)行模擬，得到數(shù)值如表5所示。表5 背場帶隙寬度對(duì)太陽能電池性能的影響背場帶隙（ev）1.11.21.31.4開路電壓voc(mv）660.2739.8788.3793短路電流isc（ma/com）39.1640.9241.0741.07填充因子ff(%)83.7179.758

12、6.9987.06轉(zhuǎn)化效率（%）21.6424.1428.1628.36背場帶隙（ev）1.51.61.71.8開路電壓voc(mv）793793793793短路電流isc（ma/com）41.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0887.0787.0787.05轉(zhuǎn)化效率（%）28.3628.3628.3628.35 由所得數(shù)據(jù)繪制出帶隙寬度對(duì)四項(xiàng)性能參數(shù)的影響圖，如圖12、13、14、15所示。圖12 背場帶隙寬度對(duì)開路電壓的影響圖13 背場帶隙寬度對(duì)短路電流的影響圖14 背場帶隙寬度對(duì)填充因子的影響圖14 背場帶隙寬度對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響 由影響圖和模擬數(shù)據(jù)，分析得到太陽

13、能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高時(shí)，背場的帶隙寬度應(yīng)在1.7ev左右，與參考資料相符。4.2.3 背場摻雜濃度的優(yōu)化背場摻雜濃度的范圍是1e22cm。在這個(gè)范圍內(nèi)，以10倍的數(shù)量級(jí)進(jìn)行取點(diǎn)，模擬得到數(shù)值如表6所示。表6 背場摻雜濃度對(duì)太陽能電池性能的影響背場摻雜濃度（cm-3）1.00e+151.00e+161.00e+171.00e+18開路電壓voc(mv）793793793793短路電流isc41.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)81.886.7786.9787.02轉(zhuǎn)化效率（%）26.6428.2628.3328.34背場摻雜濃度（cm-3）1.00e+191.00e+201

14、.00e+211.00e+22開路電壓voc(mv）793793793791.4短路電流isc41.0741.0741.0741.07填充因子ff(%)87.0587.0787.0487.1轉(zhuǎn)化效率（%）28.3528.3628.3528.31由所得數(shù)據(jù)繪制出摻雜濃度對(duì)四項(xiàng)性能參數(shù)的影響圖，如圖16、17、18、19所示。圖16 背場摻雜濃度對(duì)開路電壓的影響圖17 背場摻雜濃度對(duì)短路電流的影響圖18 背場摻雜濃度對(duì)填充因子的影響圖19 背場摻雜濃度對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響由影響圖和模擬數(shù)據(jù)，分析得到太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高時(shí)，背場的摻雜濃度應(yīng)在1e20 cm-3左右，與參考資料相符。4.3 結(jié)論在進(jìn)

15、行i-v曲線繪制時(shí)，有時(shí)運(yùn)算結(jié)束后并未出現(xiàn)填充因子和轉(zhuǎn)化效率?？蓪-v曲線繪制的最高電壓和運(yùn)算步驟調(diào)大，如圖20所示。圖20 i-v曲線運(yùn)算設(shè)置 由對(duì)層厚、帶隙寬度、摻雜濃度的逐個(gè)優(yōu)化，模擬制圖得到結(jié)論。背場的帶隙寬度應(yīng)在1.7ev左右，背場的摻雜濃度應(yīng)在1e20 cm-3左右是轉(zhuǎn)化效率最高，背場的層厚只要在范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)化效率幾乎無影響。所以得到的優(yōu)化背場參數(shù)為背場層厚10nm；薄膜背場帶隙寬度1.70ev；薄膜背場的摻雜濃度為1e20 cm-3。模擬結(jié)果如圖21所示。圖21 優(yōu)化后背場模擬結(jié)果 得到優(yōu)化背場的轉(zhuǎn)化效率為28.36%，優(yōu)化背場的帶隙寬度、摻雜濃度和層厚，與參考理論值相符，異質(zhì)結(jié)

16、太陽能電池微晶硅背場的模擬與優(yōu)化成功。5 心得體會(huì)通過這兩周的課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐，我又一次復(fù)習(xí)了半導(dǎo)體物理的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)對(duì)太陽能電池有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)使用afors-he軟件對(duì)異質(zhì)結(jié)太陽能電池背場的模擬和優(yōu)化。同時(shí)，更加培養(yǎng)了自己的自學(xué)能力和解決問題的能力。在拿到任務(wù)書后，面臨的第一個(gè)問題就是afors-he軟件的使用。由于軟件是德國一個(gè)硏究所針對(duì)異質(zhì)結(jié)電池專門研發(fā)的，本身并沒有漢化。在對(duì)軟件的使用首先是一頭霧水，第一天一直在查單詞，了解每個(gè)按鍵是什么意思。不過效果并不好，還是不知道應(yīng)該怎么做。在預(yù)答辯時(shí)，陳老師講解了這款軟件的基本使用方法，并且詳細(xì)說明了本次課程設(shè)計(jì)所需要用到的部分，才使

17、我真正學(xué)會(huì)使用這款軟件。然后是查閱參考資料，并且上網(wǎng)搜索相關(guān)文獻(xiàn)。對(duì)異質(zhì)結(jié)太陽能電池和背場有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，了解了其工作原理和工作特性還有每層相關(guān)的各個(gè)參數(shù)。同時(shí)也了解了現(xiàn)在太陽能電池在實(shí)踐生活中的應(yīng)用，和其轉(zhuǎn)化效率。為在軟件上實(shí)現(xiàn)模擬做好了充分的前期準(zhǔn)備?？傮w而言本次課程設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡單，只需對(duì)背場的層厚、摻雜濃度還有帶隙寬度進(jìn)行研究。在真正進(jìn)行模擬時(shí)，由于電腦需要進(jìn)行比較多的運(yùn)算，常常死機(jī)，這為我完成課程設(shè)計(jì)帶來了不少的阻礙。實(shí)際操作時(shí)，又出現(xiàn)了新的問題，模擬后并未出現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的數(shù)值。對(duì)于這個(gè)問題我一直不知道怎么辦，請(qǐng)教同學(xué)后，發(fā)現(xiàn)大家也有類似的情況出現(xiàn)。在請(qǐng)教完陳老師后才知道是運(yùn)算范圍和運(yùn)算步驟太少的原因。通過修改終于完成了設(shè)計(jì)要求，并且模擬效果較好，使轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了28.36%。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程。這次課程設(shè)計(jì)我受益匪淺，掌握了afors-he軟件的使用方法。同時(shí)對(duì)太陽能電池和背場有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解。在此感謝陳老師.，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我