【正文】 s） 750 空穴遷移率（摻雜層） (cm2/V/s) 250 禁帶寬度（ eV）（ 300k） 電子親和能（ eV） 導(dǎo)帶狀態(tài)密度 Nc（ cm3） +19 價(jià)帶狀態(tài)密度 Nv（ cm3） +19 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 圖 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，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。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 多晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬 多晶硅太陽(yáng)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(wú)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) %，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(yáng)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(yáng)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 %。轉(zhuǎn)化效率 Eff:%%，F(xiàn)F:， Jsc： ^2,Voc:,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(shuō)明當(dāng)加入 p+層后，對(duì)電池的開(kāi)路電壓和短路電流 都有所提高。經(jīng)過(guò)多次改變厚度參數(shù)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、 202000nm 處，其效率為： %， FF 為： ， JV 特性及能帶圖如圖 ： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .20102030405060J/(mA/cm^2)v o l t a g e / VEf f : 3 2 . 3 3 1 %F F : 0 . 8 3 9Jsc: 5 8 . 3 3 6 m A/ cm2Vo c: 0 . 6 6 1 VJV cu rv e o f cSi o f p n st ru ct u re 圖 （ a） 單結(jié)單晶硅最佳值 JV特性 0 50 100 150 2006543210Energy/eVp o si t i o n / u m v ac uu m l ev el c on du c ti ng b an d v al en c e ba nd Fer m i E ne r gycSi o f si n g l e j u n ct i o n w i t h n t o p l a y e r 圖 （ 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 單結(jié)型改變摻雜濃度 當(dāng) n、 p區(qū)厚度分別為 100nm、 202000nm 時(shí)，改變 n、 p區(qū)的摻雜濃度，濃度從 1017 cm3增加到5*1019cm3,模擬中所用到的參數(shù)如下： 表 頂層為 n型單結(jié)單晶硅太陽(yáng)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） 前端電子復(fù)合速率 SNO(cm/s) +07 前端空穴復(fù)合速率 SPO(cm/s) +07 前端反射率 RF 0 后端接觸電勢(shì) PHIBL（ eV） 1 后端電子復(fù)合速率 SNL(cm/s) +07 后端空穴復(fù)合速率 SPL(cm/s) +07 后端反射率 RB N 區(qū)厚度（ nm） 100 P 區(qū)厚度（ nm） 202000 1 E1 7 1 E1 8 1 E1 92628303234363840 Ef f FFn =10 0 n m 1 019cm3p =20 0 0 0 0 n md o p p i n g l e v e l o f p l a y e r/ n mEff/%si n g l e j u n ct i o n o f cSi w i t h n t o p l a y e r0 .8 1 00 .8 1 50 .8 2 00 .8 2 50 .8 3 00 .8 3 50 .8 4 00 .8 4 5FF 圖 （ a） 頂層為 n型單結(jié)單晶硅太陽(yáng)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 1 E1 7 1 E1 8 1 E1 957585960 Jsc Vocn =10 0 n m 1 019cm3p =20 0 0 0 0 n mJsc/(mA/cm^2)d o p p i n g l e v e l o f p l a y e r/ cm30 .5 60 .5 80 .6 00 .6 20 .6 40 .6 60 .6 8Voc/Vsi n g l e j u n ct i o n o f cSi w i t h n t o p l a y e r 圖 （ b） 頂層為 n型單結(jié)單晶硅太陽(yáng)能短路電流及開(kāi)路電壓隨摻雜濃度的變化 從圖 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(kāi)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(lái)的缺陷 ,p 區(qū)摻雜濃度最佳值選在5*1016cm3 但是短路電流卻隨著摻雜濃度的增加而減小 ,到高摻雜 *1019cm3 時(shí)短路電流卻突然增大。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。 Kyocera 公司制備的大面積（ 225cm2）單電晶太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為 19． 44%，國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)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) %。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。 AMPS是設(shè)計(jì)用來(lái)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。 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(jì)） 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(lái)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(lái)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(lái)計(jì)算。 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(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。裸 Si表面的反射率約為 40%。 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 八、金屬柵和光反射 在前表面上的金屬柵線(xiàn)不能透過(guò)陽(yáng)光。 圖 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(yáng)電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來(lái)源可以是引線(xiàn)、金屬接觸柵或電池體電阻。圖 表示了這種結(jié)構(gòu)，在 P/P＋界面 圖 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(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度。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。一種稱(chēng)為重?fù)诫s效應(yīng) 的現(xiàn)象近年來(lái)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。因而輸出功率的增加將大大超過(guò) X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。 達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過(guò)程中，要避免形成復(fù)合中心。 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。 Isc對(duì)溫度 T很敏感，溫度還對(duì) Voc起主要作用。即： Eff=（太陽(yáng)能電池的輸出功率 /入射的太陽(yáng)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(jì)） 4 其中 Pin是入射光的能量密度， S為太陽(yáng)能電池的面積，當(dāng) S是整個(gè)太陽(yáng)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。填充因子定義為： scocscocpp IVPIV VIFF m a xoo ?? () 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。由光電池的伏安特性曲線(xiàn)，可以得到描述太陽(yáng)能電池的四個(gè)輸出參數(shù) 圖 光電池的伏安特性曲線(xiàn) （ 1）開(kāi)路電壓 Voc 在 pn結(jié)開(kāi)路情況下（ R=∞），此時(shí) pn 結(jié)兩端的電壓即為開(kāi)路電壓 Voc。光生電流 IL從 n區(qū)流向 p區(qū)，與 IF相反。 IL和 IF都流經(jīng) pn 結(jié)內(nèi)部，但方向相反。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(yáng)電池技術(shù)，制備出了 HIT 太陽(yáng)電池，其效率達(dá)到 21%以上，大面積產(chǎn)業(yè)化效率達(dá)到 %。澳大利亞華裔科學(xué)家趙建華保持了單晶硅太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄： %。由于硅基太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池的厚度已經(jīng)降到了 200230um，在近幾年內(nèi)還將繼續(xù)下降到 180um。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(yáng)電池產(chǎn)業(yè)中形成支配性的地位。 Ⅲ Ⅴ族太陽(yáng)電池： GaAs系列多結(jié)太陽(yáng)電池、熱光伏太陽(yáng)電池。 其中，第一代太陽(yáng)電池已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，有部分種類(lèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是技術(shù)成熟程度還有待提高。通過(guò)優(yōu)化提出最佳電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)采取 PN 結(jié)和 PIN 結(jié)兩種基本結(jié)構(gòu)，改變各層厚度和摻雜濃度，研究厚度和摻雜對(duì)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率、填充因子、短路電流以及開(kāi)路電壓的影響。 ? 第三代太陽(yáng)電池：各種疊層太陽(yáng)能電池、熱光伏電池（ TPV）、量子阱及量子點(diǎn)的超晶格太陽(yáng)電池、中間帶太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換太陽(yáng)電池、下轉(zhuǎn)化太陽(yáng)電池、熱載流子太陽(yáng)電池、碰撞離化太陽(yáng)電池等新概念太陽(yáng)電池。 Ⅱ Ⅵ族材料太陽(yáng)電池： CdTe太陽(yáng)電池、 CIGS太陽(yáng)電池。 如果從來(lái)料方面來(lái)評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池在未來(lái)的地位，人們有理由 認(rèn)為，只有硅基材料的太陽(yáng)能電池在未來(lái)最有可持續(xù)性。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 %15%。 太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。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(yáng)能電池，大大提高了太陽(yáng)電池的效率，使得產(chǎn)業(yè)化太陽(yáng)電池的效率提高到 20%以上。 1 光伏太陽(yáng)能電池的原理 光電池的電流電壓特性 光電池工作時(shí)共有三股電流：光生電流 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。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，用 Q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pn結(jié)面而進(jìn)入另一邊，這樣光生電流 IL應(yīng)該是： IL=qQA（ Lp+Ln）