【正文】 隨著摻雜濃度的增加， pi 結(jié)、 in 結(jié)形成的內(nèi)建電勢(shì)會(huì)比較大，所以開路電壓就會(huì)比較高，同時(shí)由于摻雜濃度提高，自由載流子的數(shù)目也會(huì)增多，費(fèi)米能級(jí)距導(dǎo)帶就會(huì)越近，所以可以更充分的吸收光子，增大轉(zhuǎn)化效率。所以材料禁帶寬度小，小于它的光子數(shù)量就多，獲得的短路電流就大。 ，約 100 千瓦小時(shí)，能好的回收年數(shù)比單晶硅太陽(yáng)能電池短得多。0 50 100 150 2006543210Energy/eVp o si t i o n / u m v a cu u m l e v e l co n d u ct i n g b a n d F e rm i L e v e l v a l e n ce b a n dd o u b l e j u n ct i o n o f p Si w i t h p + l a y e r湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 圖 非晶硅結(jié)構(gòu) CRN模型 圖 某些半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù) 非晶硅太陽(yáng)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)： （如圖 ）。但是如上所說(shuō)，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。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 pn 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(yáng)能電池的性能類似于單晶硅太陽(yáng)能電池。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， pp+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。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(jì)） 9 設(shè)計(jì)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(yáng)能厚度改變時(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 P 區(qū)摻雜濃度（ cm3） +19 N 區(qū)摻雜濃度（ cm3） +18 圖 np（頂層為 n型）型單晶硅太陽(yáng)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 0 202000 400000 600000 800000 1000000024681012141618202224262830323436 Ef f FFn : 1 019cm3p : 5 * 1 016cm3n =10 0 n mw e d t h 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 .7 60 .7 70 .7 80 .7 90 .8 00 .8 10 .8 20 .8 30 .8 40 .8 50 .8 60 .8 70 .8 80 .8 90 .9 0FF 圖 (a) 轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化 0 202000 400000 600000 800000 10000000102030405060 Jsc Vocn : 1 019cm3p : 5 * 1 016cm3n =10 0 n mw e d t h o f p l a y e r/ n mJsc/(mA/cm^2)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 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 50 .3 00 .3 50 .4 00 .4 50 .5 00 .5 50 .6 00 .6 50 .7 00 .7 50 .8 00 .8 50 .9 0Voc/V 圖 （ b） 短路電流和開路電壓隨厚度的變化 從圖 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。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) 23． 3％。如先前所給出的， AMPS 的多功能性可以用來(lái)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 。對(duì)太陽(yáng)光，采用多層涂層能得到更好的效果。一定的串聯(lián)電阻 RS的影響是改變 I－ V曲線的位置。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。摻雜濃度愈高， Voc 愈高。長(zhǎng)壽命也會(huì)減小暗電流并增大 Voc。 二、溫度 隨溫度的增加，效率 Eff下降。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(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)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。為了簡(jiǎn)便起見，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） () 其中： A是 pn結(jié)面積， q為電子電量。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。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%。 Ⅱ Ⅵ族材料太陽(yáng)電池： CdTe太陽(yáng)電池、 CIGS太陽(yáng)電池。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、短路電流以及開路電壓的影響。 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，有部分種類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是技術(shù)成熟程度還有待提高。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。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： %。 IL和 IF都流經(jīng) pn 結(jié)內(nèi)部，但方向相反。由光電池的伏安特性曲線，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 （ 1）開路電壓 Voc 在 pn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。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。 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。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。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。 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、金屬接觸柵或電池體電阻。裸 Si表面的反射率約為 40%。 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。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。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。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)電池的開路電壓和短路電流 都有所提高。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。 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、 20200nm、 2020nm，摻雜濃度分別為 1019cm 1018cm 1019cm3,其 JV曲線（圖 （ 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 .2 0 .0 0 .2 0 .40102030405060J/(mA/cm^2)v o l t a g e / V d o u b l e j u n ct i o nEf f : 3 1 . 6 7 9 %F F : 0 . 8 3 7 si n g l e j u n ct i o nEf f : 3 1 . 1 4 3 %F F : 0 . 8 3 6co m p a ri so n si n g l e j u n ct i o n a n d d o u b l e j u n ct i o n o f p Si 圖 (a) 單結(jié)型多晶硅與雙結(jié)型多晶硅的 IV曲線比較 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 圖 (b) 加入背電場(chǎng)的能帶圖 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)。單晶硅或多晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池用等離子體薄膜工藝只要 300℃左右的溫度。制作單晶硅電池一般需 1000℃以上的高溫，而非晶硅的制作僅需