【正文】 021524 指導(dǎo)教師 王強(qiáng) 職稱 教授 發(fā)任務(wù)書日期 年 月 日 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 課題的內(nèi)容和要求 （研究內(nèi)容、研究目標(biāo)和解決的關(guān)鍵問題） 本課題主要研究硅半導(dǎo)體太陽能電池的性能參數(shù)，了解太陽能電池單元結(jié)構(gòu)，并能夠通過有關(guān)資料設(shè)計(jì)出一件非晶硅薄膜太陽能電 池單元，并且能夠在設(shè)計(jì)完成后運(yùn)用 SILVACO— TCAD 軟件對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、仿真并分析此結(jié)構(gòu)中PN 結(jié) 特性 對光電流的影響 。從論文的選題、構(gòu)思到撰寫及修改完成都凝聚了導(dǎo)師大量的心血和汗水。 TCAD 主要特征包括： 自動(dòng)創(chuàng)建輸入文件、編輯現(xiàn)有輸 入文件，創(chuàng)建 DOE，強(qiáng)大的參數(shù)提取程序和使得輸入文件中的參數(shù)變量化。例如，用常規(guī) PECVD 技術(shù)制備的ａ Si:H 薄膜中含有 10％左右的 H，而用化學(xué)退火法制備的ａ Si:H 薄膜的 H 含量小于 9％，用熱絲法制備的ａ Si:H南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 薄膜 H 含量只有 1％～ 2％。為更充分地利用太陽能，除了改進(jìn)現(xiàn)有的非晶硅基薄膜疊層電池結(jié)構(gòu)外，還需探索新的疊層，進(jìn)一步提高非晶硅薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。 ISC之比，所以轉(zhuǎn)換效率可表示為： （ ） 由于太陽電池材料只能最大限 度地吸收一定波長的太陽光輻射，而太陽光譜卻是一 個(gè)寬的連續(xù)譜，以及在室溫下必然存在晶格熱振動(dòng)等散射機(jī)制，太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效 率不可能達(dá)到 100％。因此 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 （ ） 其中 ，在很強(qiáng)的陽光下， ISCIO, （ ） 由此可見，在較弱陽光時(shí)，硅太陽電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度作近似直線的變化。流經(jīng)負(fù)載的電流，經(jīng)過他們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中，可將他們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 RS來表示。與cSi 太陽能電池相比 ,pSi 太陽能 電池成本低 ,但存在明顯的晶粒界面和晶 格錯(cuò)位等缺陷而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率相對較低。達(dá)到平 衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢差，這就是 PN 結(jié)。對太陽能電池的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求因應(yīng)用而異：空間用太陽能電池的主要要求是耐輻射性好、可靠性高、光電轉(zhuǎn)換效率高、效率面積比和功率質(zhì)量比優(yōu)等；地面電源用太陽能電池的主要要求是光電轉(zhuǎn)換效率高、堅(jiān)固可靠、壽命長、成本低等；地面消費(fèi)品用太陽能電池的主要要求是薄小輕、美觀耐用等。池。到 2021 年底，我國已有 10 多家具有規(guī)模的太陽能電池專業(yè)生產(chǎn)廠，晶體硅太陽能電池的年生產(chǎn)能力已超過 300 兆瓦，非晶硅太陽能電池年生產(chǎn)能力達(dá) 10 兆瓦以上，太陽能電池組件的生產(chǎn)能力已在 400MW 以上。 年份 成就 1800 1876 1904 1940 1954 1955 1956 1958 1972 1974 1976 1984 1985 1991 1992 1994 2021 發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng) 硒的光伏效應(yīng)研究 Cu， Cu2O 對光的敏感性研究 PN 結(jié)理論的研究 單晶硅太陽能電池的發(fā)明（美國貝爾實(shí)驗(yàn)室） CdS 太陽能電池發(fā)明 GaAs 太陽能電池發(fā)明 在先驅(qū)者 1 號通信衛(wèi)星上應(yīng)用太陽能電池 美國制定新能源開發(fā)計(jì)劃 日本制定太陽能發(fā)電發(fā)展的“陽光計(jì)劃” 非晶硅太陽能電池的發(fā)明 美國 7MW 太陽能發(fā)電站建成 日本 1MW 太陽能發(fā)電站建成 制定再生新能源發(fā)電與公共電力網(wǎng)并網(wǎng)法規(guī)（法國） 制定逆潮流供電與公共網(wǎng)并網(wǎng)法規(guī)（日本） 住宅用太陽光發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程（日本） RPS 法（新能源法案）（日本） 表 1954 年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的皮爾松，弗朗等三名科學(xué)家利用硅晶體材料開發(fā)出性能良好的太陽能電池，其變換效率達(dá) 6%，經(jīng)過不斷的改良后成為現(xiàn)在硅太陽能電池的原型。如果能有高轉(zhuǎn)化率的聚光光電池供應(yīng)，亦即 這一光電池不僅在通常太陽光的輻照下能維持 25%~35%的光轉(zhuǎn)化率，而且能在聚光條件下，如將太陽光聚光 300～ 700 倍，將能期望用較少量的聚光電池，獲得較大的光伏能源。僅此計(jì)劃，美國到 2021 年將用太陽能供電至少可達(dá) 3000MW 以上。 過去 10 年里，全球太陽能電池產(chǎn)業(yè) 1990～ 2021 十幾年里增長了 50 多倍，太陽能光伏發(fā)電是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的一個(gè)行業(yè)，近幾年的增長速度都在 40%以上，而發(fā)達(dá)國家太陽能產(chǎn)業(yè)增長速度更是飛快。不消耗煤、 石油等一次能源，對環(huán)境無污染，是新能源發(fā)展的重要組成部分。我國目前的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)主要在兩方面發(fā)揮作用 ：一是國家示范項(xiàng)目、民心工程和國際合作項(xiàng)目，如“西藏?zé)o電縣建設(shè)”、“送電到鄉(xiāng)”、“光明工程”等項(xiàng)目的建設(shè)；另外，就是無電地區(qū)通信、衛(wèi)星信號的傳輸和接收，以及輸油、輸氣管道的陰極保護(hù)等系統(tǒng)所用的電源；還有極少部分用作帶有“科技示范效應(yīng)”的路燈、廣告牌、草坪燈等電源。 歐盟的可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運(yùn)動(dòng)”是驅(qū)動(dòng)歐洲的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的里程碑。可以預(yù)見，隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)逐步提高，太陽能電池光伏發(fā)電成本會(huì)逐步降低， 并且價(jià)格也會(huì)隨之下降。例如，德國在 1991 年發(fā)布了鼓勵(lì)“再生能源發(fā)展法”，從法律上規(guī)定，電力公司有義務(wù)以一定合理價(jià)格，收購太陽能發(fā)電的多余電力。 可用各種方法對太陽能電池進(jìn)行分類，如按照結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行分類，按照材料的不同分類，按照用途的不同分類，按照工作方式的不同分類，下面對按照結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行的分類加以介紹。②非晶態(tài)無機(jī)化合物，如玻璃半導(dǎo)體；③有機(jī)化合物，如 有機(jī)半導(dǎo)體；④氧化物半導(dǎo)體，如 MnO、 Cr2O FeO、 Fe2O Cu2O等。 硅的主要結(jié)構(gòu)如 圖 圖 2。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 2。日本三菱公司在石英 (SiO2)襯底上制備的多晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá) 到 ％，德國 Fraunhofer 研究所在石墨和碳化硅 (SiC)襯底上制備的 pSi 薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率分別為 11％和 ％，日本 SONY 公司南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 用多孔硅分離技術(shù)制備的 pSi薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 ％； aSi薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá) ％ [8]； μ cSi 薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)％。 AE與 JL的乘積，這時(shí)的結(jié)電壓 Vj不等于負(fù)載的端電壓，由圖可見結(jié)點(diǎn)電壓的表達(dá)式為： Vj=IRS+V （ ） 圖 太陽能電池直流模型的等效電路圖 （ 2） 輸出特性 根據(jù)上圖就可以寫出太陽能電池輸出電流 I 和輸出電壓 V 之間的關(guān)系 （ ） 其中 暗電流 Ibk應(yīng)為結(jié)電壓 Vj的函數(shù)，而 Vj又是通過式 V相聯(lián)系的。 由于太陽電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽電池的 溫度，因此太陽電池組件的測量必須在標(biāo)準(zhǔn)條件下 (STC— Standard Test Condition)進(jìn)行，南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 測條件是： 光譜輻照度為 1000W／ m2，光譜為 AM 1． 5，電池溫度為 25176。太陽能電池這四個(gè)參數(shù)的測試和IV特性曲線的測試往往是在一起的。為進(jìn)一步改善窗口質(zhì)量改善了太陽電池的短波光譜響應(yīng)，可以在非晶硅薄膜太陽能電池的頂層引入微晶硅。 結(jié)束語 非晶硅薄膜太陽能電池的制造用料少和能耗低價(jià)格也比較便宜，因此更有利于推廣利用，特別是近年來晶體硅太陽能電池原材料緊缺，非晶硅薄膜太陽能電池受到了市場的 特別的重視發(fā)展迅猛。當(dāng)太陽光照射到電池上時(shí)，電池吸收光能產(chǎn)生光生電子 — 空穴對，在電池內(nèi)建電場 Vb的作用下，光生電子和空穴被分離，空穴漂移到 P 邊，電子漂移到 N邊，形成光生電動(dòng)勢 VL, VL 與內(nèi)建電勢 Vb相反，當(dāng) VL = Vb時(shí)，達(dá)到平衡 。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）立題卡 課題名稱 薄膜半導(dǎo)體太陽能電池光電效應(yīng) 出題人 王強(qiáng) 課題表述（簡述課題的背景、目的、意義、主要內(nèi)容、完成課題的條件、成果形式等） 本課題是是設(shè)計(jì)一個(gè)非晶硅薄膜太陽能電池單元。 參 考 文 獻(xiàn) 本課題必須完成的任務(wù) 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 研究硅半導(dǎo)體太陽能電池的性能參數(shù)，了解太陽能電池單元結(jié)構(gòu)，并能夠通過有關(guān)資料設(shè)計(jì)出一件非晶硅薄膜太陽能電池單元，并且能夠在設(shè)計(jì)完成后運(yùn)用SILVACO— TCAD 軟件對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、仿真并分析此結(jié)構(gòu)中 PN 結(jié) 特性 對光電流的影響 。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 學(xué)院可根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，可對該表格進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?62. 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 致 謝 值此論文完成之際，衷心地向我的 導(dǎo)師 王強(qiáng) 老師 表示崇高的敬意和深深的感謝。 TCAD是 SILVACO 公司出品的 TCAD 軟件產(chǎn)品中的一種，它 富含多樣特征的運(yùn)行時(shí)間環(huán)境， 它是快速熟悉 SILVACO 的 TCAD 軟件的關(guān)鍵。在制備工藝方面采用了 H 等離子體化學(xué)退火法、 H2 稀釋法、 He稀釋法等均取得了一定的效果。盡管采用非晶硅 /ａSiGe/ａ SiGe 三層 結(jié)疊層可以使光譜的響應(yīng)范圍 擴(kuò)展到 ～ ，但它只占太陽光譜總能量的 ％，而其他波段的光能都白白浪費(fèi)掉了。 5. 轉(zhuǎn)換效率 轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負(fù)載電阻尺時(shí)，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率，其定義為： （ ） 即電池的最大功率輸出與入射功率之比，由式 2． 11 可知，填充因子正好是 I— V 曲南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 線 下最大長方形面積與乘積 Voc 2. 開路電壓 對理想 PN結(jié)且不考慮太陽電池有限尺寸的影響，在開路情況下，光照 PN結(jié)兩端 建立光生電勢 qVoc，稱 Voc為開路電壓，表達(dá)式如下： （ ） 在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時(shí)， ISC為與入射光強(qiáng)度成正比的值，在很弱的陽光下 ISC《 IO。光電流一部分流經(jīng)負(fù)載 RL，在負(fù)載兩端建立起端電壓 V，反過來它又正向偏置于 PN結(jié)二極管，引起一股與光電電流方向 相反的暗電流 Ibk，但是，由于前面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。而后用 pSi 代替 cSi 并應(yīng)用 cSi 太陽能電池的一些技術(shù)，如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、金屬吸雜、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極等等，制備了 pSi 太陽能電池。 N 區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到 P 區(qū)， P 區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到 N 區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由 N 指向 P 的 “內(nèi)電場 ”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。地面用太陽能電池又可分為電源用太陽能電池和消費(fèi)品用太陽能電池兩種。 按材料的不同可分為如下各類 1， 硅太陽能電池 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 系指以硅為集體材料的太陽能電池，有單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能。近幾年來，隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)也迅速成長，尤其在無錫尚德太陽能電力有限公司擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)入世界前八位之后，太陽能電池產(chǎn)業(yè)無論從產(chǎn)量和技術(shù)研發(fā)上都有了長足的進(jìn)展，新增了數(shù)條規(guī)模在 25MW 以上的太陽能電池片生產(chǎn)線，形成了一定的規(guī)模的生產(chǎn)能力，我國光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平都已有很大提高。其后，對硒，氧化銅等半導(dǎo)體的研究，同樣發(fā)現(xiàn)此種光伏效應(yīng)，也制成類 似的太陽能電池。 在現(xiàn)有太陽能光電池的發(fā)電模式中，多數(shù)采用方位固定的大面積的平板式光電轉(zhuǎn)化模式。有太陽時(shí)，太陽能屋頂供電；無太陽時(shí)，電網(wǎng)向家庭供電。 太陽能利用主要涉及兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用 熱能進(jìn)行發(fā)電稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。 本文 從概述開始 敘述了太陽能光伏電池的發(fā)展歷史現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。除此以外，其他方面的應(yīng)用還比較少。它的總目標(biāo)是到 2021 年，歐盟內(nèi)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量要達(dá)到 3700MW，并同時(shí)出口 3000MW。 沙漠地區(qū)將能集中地提供豐富的太陽能。日本從 1992 年開始規(guī)定電力 公司收購太陽能發(fā)電和水力發(fā)電等分散型電源的多余電力的具體方法（例如，安裝逆潮流電度表及如何計(jì)價(jià)）。 按照結(jié)構(gòu)的不同可分類如下各類 1， 同質(zhì)結(jié)太陽能電池 由同一種半導(dǎo)體材料所形成的 PN 結(jié)或梯度結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。 3， 有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池 系指用含有一定數(shù)量的 CC 鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的