【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。經(jīng)過多次改變厚度參數(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)單晶硅太陽能短路電流及開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。頂區(qū)重?fù)诫s是由于其一可以減小頂區(qū)薄層電阻，其二可以降低反向飽和電流，即提高開路電壓。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。 改變結(jié)構(gòu) 背面加入一層 p+層形成背電場(chǎng)后的轉(zhuǎn)化效率及能帶圖如圖 （圖 (a) 中黑線為加入背電場(chǎng)后的Ｊ－Ｖ曲線，為了對(duì)比，紅線為相同厚度單結(jié)單晶硅的Ｊ－Ｖ曲線），其中 n、 p、 p+層厚度分別為 100nm、 202000nm、 2020nm，摻雜濃度分別為 1019cm 5*1016cm 1019cm3。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。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .40102030405060J/(mA/cm^2)Vo l t a g e / V d o u b l e j u n ct i o n w i t h p +Ef f : 3 4 . 5 2 %F F : 0 . 8 4 si n g l e j u n ct i o n Ef f : 3 2 . 3 5 2 %F F : 0 . 8 3 9co m p a ri so n b e t w e e n d o u b l e j u n ct i o n a n d si n g l e j u n ct i o n o f cS 圖 （ a） 加入背電場(chǎng)雙結(jié)單晶硅 JV圖 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 Ene rg y v a l e n ce b a n dd o u b l e j u n ct i o n w i t h 圖 （ b） 加入背電場(chǎng)雙結(jié)單晶硅能帶圖 結(jié)論 通過比較單結(jié)晶單結(jié)型厚度的變化、濃度的變化、以及與雙結(jié)型做比較，可以得知：由于單晶硅遷移率比較大，所以在可以模擬的范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)化效率都是隨著厚度的增加而增加，在 200um時(shí)，湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 就已經(jīng)幾乎達(dá)到穩(wěn)定值，所以，在單晶硅太陽能電池設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小不必要的材料損耗，可以在效率與電 池厚度兩個(gè)參數(shù)中選取折中。 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不必要的缺陷，可以將基區(qū)摻雜濃度設(shè)置的低一些。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。 4 多晶硅太陽能電池的設(shè)計(jì)與模擬 多晶硅太陽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 %。 多晶硅太陽能電池較單晶硅太陽能電池的光電轉(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）。晶界是一個(gè)晶向的晶粒向另一個(gè)晶向的晶粒的過渡區(qū)，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子呈無序排列，其厚度通常為幾個(gè)原子層。晶界存在著各種界面態(tài)、界面勢(shì)壘、懸掛鍵和缺陷態(tài)，形成了高密度的陷阱，其本身具有電活性，當(dāng)雜質(zhì)偏聚或沉淀于此時(shí)，晶界的電活性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，而成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致載流子的收集幾率下降，短路電流降低，暗電流增加，最終影響轉(zhuǎn)換效率。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。 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)晶粒看成一塊小的單晶體，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。下圖顯示多晶硅電池的兩種結(jié)構(gòu)。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，因此多晶硅太陽能電池的性能類似于單晶硅太陽能電池。 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