【正文】 2020年 5 月 5 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(yáng)能電池的原理 ................................................... 2 光電池的電流電壓特性 ............................................. 2 描述太陽(yáng)能電池的參數(shù) ............................................. 3 影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素 ....................................... 4 2 模擬軟件 AMPS1D的介紹 ................................................. 6 3 單晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬 ........................................... 8 單晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及單晶硅性質(zhì) ........................... 8 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 ................................................... 9 單晶硅的性能參數(shù) ............................................ 9 單結(jié)型改變厚度 .............................................. 9 單結(jié)型改變摻雜濃度 ......................................... 12 改變結(jié)構(gòu) ................................................... 13 結(jié)論 ............................................................ 14 4 多晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬 .......................................... 15 多晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及多 晶硅性質(zhì) .......................... 15 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 .................................................. 15 多晶硅的性能參數(shù) ........................................... 15 單結(jié)型改變厚度 ............................................. 16 改變摻雜濃度 ............................................... 18 改變結(jié)構(gòu) ................................................... 20 結(jié)論 ............................................................ 21 5 非晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬 .......................................... 21 非晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及非晶硅性質(zhì) .......................... 21 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 .................................................. 23 非晶硅的性能參數(shù) ........................................... 23 pin型設(shè)計(jì)與模擬 ......................................... 23 改變結(jié)構(gòu) ................................................... 29 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(yáng)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(yáng)能電池的光伏原理及其發(fā)展概況，并采用 AMPS1D 軟件模擬分析了單晶硅、多晶硅、和非晶硅太陽(yáng)能電池的光伏特性與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 太陽(yáng)電池從所使用的材料來(lái)區(qū)分，又可區(qū)分為： 硅基太陽(yáng)電池：以硅材料為基本材質(zhì)，其中包括：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池 、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、納米硅薄膜太陽(yáng)電池、微晶硅薄膜太陽(yáng)電池、非晶硅 /晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。 目前，由于使用了氮化硅反射膜技術(shù)，使得單晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)到 %。經(jīng)過(guò)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(yáng)電池的理論效率。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)。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(shí)所得的電流為短路電流 Isc。結(jié)果是可期望在某一個(gè)確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。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。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。前表面的復(fù)合速率測(cè)量起來(lái)很困難，經(jīng)常被假設(shè)為無(wú)窮大。 PN結(jié)收集的電流必須經(jīng)過(guò)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(guò)金屬線的密布可以使串聯(lián)電阻減小。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)、折射率等于 n （ n 為 Si 的折射率）的涂層能使反射率降為零。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、單獨(dú)的載流子流密度也可以能從 AMPS 中得到。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)。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無(wú)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。 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(lái)不必要的缺陷，可以將基區(qū)摻雜濃度設(shè)置的低一些。下圖顯示多晶硅電池的兩種結(jié)構(gòu)。加入背面電場(chǎng)后，轉(zhuǎn)化效率也同樣有稍微增加。 非晶硅太陽(yáng)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 aSi: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。因而它幾乎可以沉積在任何襯底 上，包括廉價(jià)的玻璃存底，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。由于太陽(yáng)光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁帶寬度大的光子才能在半導(dǎo)體中產(chǎn) 生光生電子 —— 空穴對(duì)，從而形成光生電流。而 短路電流先隨著摻雜濃度增加而減小，在大概 1*1019cm3 時(shí)，有最小值，而隨后又開始增加 ，可以給出可能的解釋就是：在后面隨濃度增加以致重?fù)诫s時(shí)，如同像是與前面的區(qū)形成了背電場(chǎng)，增加了多數(shù)載流子搜集率 ，短路電流 有些 增加 。 二、固定各層厚度 為 5nm、 200nm、 5nm，固定 n 區(qū)濃度 為 1019cm3，只改變 p 區(qū)濃度 ，所得模擬結(jié)果如下： 1 E1 7 1 E1 8141516 Ef f FFp =5n mi =20 0 n mn =5n m 1 019cm3d o p p i n g l e v e l o f p l a y e r/ cm3Eff/%a Si o f p i n st ru ct u re0 .6 6 50 .6 7 00 .6 7 50 .6 8 00 .6 8 50 .6 9 00 .6 9 5FF 圖 (a) pin型非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨 p區(qū)摻雜濃度的變化 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 1 E1 7 1 E1 82 4 .9 02 4 .9 52 5 .0 02 5 .0 52 5 .1 02 5 .1 52 5 .2 0 Jsc Vo cp =5 n mi =2 0 0 n mn =5 n m 1 019cm3d o p p i n g l e v e l o f p l a y e r/ cm3Jsc/(mA/cm^2)a Si o f p i n st ru ct u re 0 .7 80 .8 00 .8 20 .8 40 .8 60 .8 80 .9 00 .9 2Voc/V 圖 (b) pin型非晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開路電壓隨 p區(qū)摻雜濃度的變化 如圖 所示，電池的轉(zhuǎn)化效率及 填充因子都隨著頂區(qū)摻雜濃度的增高快速增大，短路電流在1018cm3 以后 ,快速減小，可能是因?yàn)閾诫s濃度升高，載流子散射幾率增大，在復(fù)合中心的復(fù)合也會(huì)增大 （實(shí)際情況中，摻雜 濃度增高，載流子遷移率會(huì)降低，導(dǎo)致少子擴(kuò)散長(zhǎng)度變短，從而短路電流降低） 。但禁帶寬度太小也不太合適，因?yàn)槟芰看笥诮麕挾鹊墓庾釉诩ぐl(fā)出電子 空穴對(duì)后剩余的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而降低光子能量的利用率? 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 非晶硅的性能參數(shù) 非晶硅的各個(gè)參數(shù)如下： 表 非晶硅材料的性能參數(shù) 在以下的模擬中，若無(wú)特別說(shuō)明，所有 p型、 i層、 n型非晶硅層都加入同樣的兩個(gè)高斯缺陷，如下表所示： 表 各層中加入的高斯缺陷 pin 型設(shè)計(jì)與模擬 pin 型改變厚度 考慮雙結(jié)結(jié)構(gòu)（即 pin 結(jié)）如圖 ，頂層為 P 層，與討論單晶硅同樣的方法，先改變各層的厚度。特別是在 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 )。要制造出高效率的多晶硅太陽(yáng)能電池，也同樣要考慮成本與效率以及制造工藝的多重關(guān)系。 介電常數(shù) 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） 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。 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 %。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