【正文】 ............... 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。因此，在未來(lái)世界太陽(yáng)電池的主流產(chǎn)品仍舊為硅基太陽(yáng)電池。如圖 ： 圖 （ a） pn結(jié)各電流示意圖 圖 （ b） 光伏效應(yīng)能帶圖 設(shè)用一定強(qiáng)度的光照射光電池，因存在吸收，光強(qiáng)度隨著光透入的深度按指數(shù)律下降。 影響太陽(yáng)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。 五、摻雜濃度及剖面分布 對(duì) Voc 有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。不過(guò)通常情況下，串聯(lián)電阻主要來(lái)自薄擴(kuò)散層。對(duì)于太陽(yáng)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。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。 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 多晶硅的性能參數(shù) 表 多晶硅的材料性能參數(shù) 多晶硅材料是由許多小晶粒組成，在晶粒內(nèi)部原子周期性 地有序排列，因此可以把每個(gè)晶?？闯梢粔K小的單晶體，同時(shí)每個(gè)小晶粒體內(nèi)部的摻雜濃度、遷移率等的分布均勻。還有，薄膜電池適合采用更大面積的基片。 與單晶硅與多晶硅相比，也可以得知，禁帶寬度直接影響最大光生電流即短路電流的大小。為了避免摻雜濃度提高帶來(lái)缺陷，所以一般取在 1019cm3。 介電常數(shù) 電子遷移率（ I 層）（ cm2/V/s） 20 空穴遷移率（ I 層）（ cm2/V/s） 2 電子遷移率（摻雜層）（ cm2/V/s） 10 空穴遷移率（摻雜層） (cm2/V/s) 1 禁帶寬度（ eV）（ 300k） 電 子親和能（ eV） 導(dǎo)帶狀態(tài)密度 Nc +20 價(jià)帶狀態(tài)密度 Nv +20 施主型 受主型 NDG(cm3) +18 NAG(cm3) +18 EDONG(eV) EACPG(eV) WDSDG(eV) WDSAG(eV) GSIG/NG(cm2) GSIS/NA(cm2) GSIG/PD(cm2) GSIS/PA(cm2) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 圖 典型非晶硅太陽(yáng)能電池的 pin結(jié)構(gòu) 示意圖 設(shè) P 層、 N 層厚度相同，只改變 I 層的厚度，模擬所用參數(shù)如下： 表 pin型非晶硅太陽(yáng)能電池厚度改變時(shí)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） 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） +19 固定 p 區(qū) n 區(qū)的厚度，增加 i區(qū)厚度，所得模擬結(jié)果圖 ： 0 100 200 300 400 500 60046810121416 Ef f FFp =5n m 1 019cm3n =5n m 1 019cm3w e d t h o f i l a y e r/ n mEff/%d o u b l e j u n ct i o n o f a Si w i t h p i n st ru ct u re0 .5 00 .5 50 .6 00 .6 50 .7 00 .7 50 .8 0FF 圖 (a) pin型非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨電池厚度的變化 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 0 100 200 300 400 500 6006810121416182022242628 Jsc Vocp =5n m 1 019cm3n =5n m 1 019cm3w e d t h o f i l a y e r/ n mJsc/(mA/cm^2)d o u b l e j u n ct i o n o f a Si w i t h p i n st ru ct u re0 .8 80 .8 90 .9 00 .9 10 .9 20 .9 30 .9 40 .9 50 .9 6Voc/V 圖 (b) pin型非晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開路電壓隨電池厚度的變化 如圖 所示，與單晶硅、多晶硅及非晶硅單結(jié)時(shí)不同，四項(xiàng)電池輸出參量隨厚度的增加，都有一個(gè)峰值，這個(gè)峰值在 i 層厚度在 200nm 左右時(shí)取得。 5 非晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬 非晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及非晶硅性質(zhì) 非晶硅由于高的吸收吸收 ，所以易制成薄膜電池，為了降低太陽(yáng)能電池單元的制造成本，首先，要減少材料消耗。 多晶硅太陽(yáng)能電池較單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低的一個(gè)最重要的原因是多晶硅中存在較多的晶粒及其晶粒間界（簡(jiǎn)稱晶界）。 單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)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(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。 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(lái)計(jì)算光伏電池、光電探測(cè)器等器件的結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)物理特性。如果 Wp+=0，則 Sn=∞，正如前面提到的。 在加工過(guò)程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長(zhǎng)壽命。特性好的太陽(yáng)能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽(yáng)能電池，也就是 Voc， Isc 和 FF乘積較大的電池。這種電池可以雙面受光，制造成本較低。 染料敏化太陽(yáng)電池：主要利用染料對(duì)于太陽(yáng)電池光譜吸收的可變性，與二氧化鈦材料組裝在一起，制備成可供多種吸收波段的太陽(yáng)電池器件。 從產(chǎn)生技術(shù)的成熟度來(lái)區(qū)分，太陽(yáng)能電池可以分成： ? 第一代太陽(yáng)能電池：晶體硅太陽(yáng)能電池 ? 第二代太陽(yáng)能電池：各種薄膜太陽(yáng)能電池，包括：非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池（ aSi）、碲化鉻太陽(yáng)電池（ CdTe）、銅銦鎵硒太陽(yáng)電池（ CIGS）、砷化鎵太陽(yáng)電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽(yáng)能電池。而且，也要求整條生產(chǎn)線具有更高的自動(dòng)化水平，出現(xiàn)全自動(dòng)的生產(chǎn)線，以降低破損率。 左圖分別是無(wú)光照和有光照時(shí)的光電池的伏安特性曲線。例如，一個(gè)硅電池在 20℃時(shí)的效率為 20%，當(dāng)溫度升到 120℃時(shí)，效率僅為 12％。 目前，在 Si太陽(yáng)電池中，摻雜濃度大約為 1016cm3，在直接帶隙材料制做的太陽(yáng)電池中約為 1017 cm3，為了減小串聯(lián)電阻，前擴(kuò)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(kuò)散區(qū)是較為重要的。為了使 RS小，一般是使金屬柵做成又密又細(xì)的形 狀。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。但是考慮到“死層”以及禁帶變窄效應(yīng)會(huì)使有效摻雜濃度降低，所以頂層重?fù)诫s的上限濃度應(yīng)設(shè)為1019cm3。 單結(jié)型改變厚度 考慮頂層為 n區(qū)，模擬中所用參數(shù)如下： 表 頂層為 n型單結(jié)多晶硅太陽(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） 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 圖 給出的是 n 區(qū)厚度為 100nm 時(shí) p 區(qū)厚度從小到大變化的情況，其中 n 區(qū)摻雜濃度為1019cm3,p區(qū)摻雜濃度為 5*1016cm3： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 0 202000 400000 600000 800000 10000000246810121416182022242628303234 Ef f FFn =10 0 n mn : 1 019cm3 p : 5 * 1 016cm3w 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 p Si 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) 頂層為 n型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化 0 202000 400000 600000 800000 10000000102030405060 Jsc Vo cn =10 0 n mn : 1 019cm3 p : 5 * 1 016cm3w e d t h o f p l a y e r/ n mJsc/(mA/cm^2)0 .4 00 .4 50 .5 00 .