【正文】 IL () 圖 光電池的伏安特性 根據(jù) pn 結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過結(jié)的正向電流為： IF=IS[exp(qV/kT)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） 3 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 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輸出參數(shù) 圖 光電池的伏安特性曲線 （ 1）開路電壓 Voc 在 pn結(jié)開路情況下（ R=∞），此時 pn 結(jié)兩端的電壓即為開路電壓 Voc。 這時， 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： ? ?? ?1lnSL ?? IIqkTV oc () （ 2）短路電流 Isc 如將 pn結(jié)短路（ V=0），因而 IF=0,這時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 () (3)填充因子 FF 在光電池的伏安特性曲線任意工作點上的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，成為最佳工作點，該點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： scocscocpp IVPIV VIFF m a xoo ?? () 它表示了最大輸出功率點所對應(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。對于有合適效率的電池，該值應(yīng)在 。 （ 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） *100% = （ Vop*Iop/Pin*S） *100% = Voc*Isc*FF/(Pin*S) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 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是整個太陽能電池面積時， Eff成為實際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng) S是指電池中的有效發(fā)電面積時， Eff叫本征轉(zhuǎn)換效率。 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對溫度 T很敏感，溫度還對 Voc起主要作用。 對于 Si，溫度每增加 1℃， Voc 下降室溫值的 %， Eff 也因而降低約同樣的百 分?jǐn)?shù)。例如，一個硅電池在 20℃時的效率為 20%，當(dāng)溫度升到 120℃時，效率僅為 12％。又如 GaAs電池，溫度每升高1℃， Voc降低 或降低 %。 三、復(fù)合壽命 希望載流子的復(fù)合壽命越長越好，這主要是因為這樣做 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)合壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并增大 Voc。 達(dá)到長壽命的關(guān)鍵是在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)常進行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長壽命。 四、光強 將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。設(shè)想光強被濃縮了 X倍，單位電池面積的輸入功率和 Jsc 都將增加 X倍，同時 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 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定義的對數(shù)項中，它們的數(shù)量級也是很容易改變的。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不會再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會減小。 目前，在 Si太陽電池中，摻雜濃度大約為 1016cm3，在直接帶隙材料制做的太陽電池中約為 1017 cm3，為了減小串聯(lián)電阻，前擴散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于 1019 cm3，因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴散區(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)的方向降低時，就會建立起一個電場，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；而在擴散區(qū)中是很自然的。 圖 高摻雜效應(yīng) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 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（ BSF）電池設(shè)計為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴散一層 P＋附加層。圖 表示了這種結(jié)構(gòu)，在 P/P＋界面 圖 背 表面場電池 存在一個電子勢壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復(fù)合，在 P/P＋界面處的復(fù)合速率可表示為 ??????npnnaan LWLDNNS c o th () 其中 N+a， Dn＋和 Ln+分別是 P＋區(qū)中的摻雜濃度、擴散系數(shù)和擴散長度。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可以估計零， Sn對 JSC、 Voc和 Eff的影響見圖 。當(dāng) Sn很小時， Jsc和 Eff都呈現(xiàn)出一個峰。 圖 背表面復(fù)合速率對電場參數(shù)的影響 七、串聯(lián)電阻 在任何一個實際的太陽電池中，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)電阻主要來自薄擴散層。 PN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。一定的串聯(lián)電阻 RS的影響是改變 I－ V曲線的位置。 如 左 圖 ，在P/P+結(jié)處的電場妨礙電子朝背表面流動 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 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。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進入 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。對于垂直地投射到電池上的單波長的光，用一種厚為 1/4 波長、折射率等于 n （ n 為 Si 的折射率）的涂層能使反射率降為零。對太陽光，采用多層涂層能得到更好的效果。 2 模擬軟件 AMPS1D 的介紹 AMPS1D （ A OneDimensional 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 ，是由美國賓西法尼亞州立大學(xué)電子材料工藝研究實驗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，可以用來計算光伏電池、光電探測器等器件的結(jié)構(gòu)與輸運物理特性。 AMPS的主要目的是研究材料性質(zhì)（如帶隙、親和勢、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)計及結(jié)構(gòu)如何影響器件的物理特性，以及器件對光、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，電場分布圖，學(xué)會器件為什么對給定的條件會有特定的響應(yīng)。 如圖 ，為 AMPS的界面： 圖 （ a） AMPS主界面 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 圖 （ b） 器件各層的參數(shù)設(shè)置界面 圖 （ c） 器件各層的光譜特性 AMPS1D 可以用來模擬一系列的器件結(jié)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) ? 多級結(jié)構(gòu)的探測器和太陽能 電池結(jié)構(gòu) ? 多級結(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壘器件 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 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 IV特性都可以得到，這些可以被當(dāng)做溫度的函數(shù)來計算。對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)的電場分布、自由和束縛載流子濃度、復(fù)合特性、單獨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特性，比如單晶硅、多晶硅或非晶硅層的器件 。 AMPS是設(shè)計用來分析設(shè)計優(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)計與模擬 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，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(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) 23． 3％。 Kyocera 公司制備的大面積（ 225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為 19． 44%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進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 %，刻槽埋柵電極晶體硅電池（ 5cm X 5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá) %。 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格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，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)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長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，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Ⅲ 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Ⅴ 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)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。下圖為單晶硅晶胞結(jié)構(gòu)： 圖 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） 9 設(shè)計與模擬結(jié)果 單晶硅的性能參數(shù) 表 單 晶硅的性能參數(shù) 介電常數(shù) 本征載流子濃度（ cm3） *1010 電子遷移率（ cm2/V/s） 1450 空穴遷移率（ cm2/V/s） 500 禁帶寬度（ eV）（ 300k） 載流子壽命（ us） ≈ 130 導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度 Nc（ cm3） *1019 導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度 Nv（ cm3） *1019 電子親和能（ eV） 功函數(shù)（ eV） 單結(jié)型改變厚度 考慮頂層為 N區(qū)的情況（如 圖 ），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 頂層為 n型單結(jié)單晶硅太陽能厚度改變時電池參數(shù)設(shè)置 前端接觸電勢 PHIBO（ eV） 前端電子復(fù)合速率 SNO(cm/s) +07 前端空穴復(fù)