【導(dǎo)讀】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。通過(guò)采取PN結(jié)和PIN結(jié)兩種。流以及開(kāi)路電壓的影響。通過(guò)優(yōu)化提出最佳電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 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(kāi)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。其中對(duì)于填充因子來(lái)講 ,由于隨著 i 層厚度的增加 ,會(huì)不斷增加電池的串聯(lián)電阻 ,而串聯(lián)電阻是填充因子的重要影響因素 ,所以填充因子會(huì)不斷減少。 對(duì)于開(kāi)路電壓來(lái)講 ,剛開(kāi)始 50nm時(shí) ,有一個(gè)峰值 ,可能是由于此時(shí) i層阻礙了空穴電子的復(fù)合 ,使得開(kāi)路電壓有所增大。而后，開(kāi)路電壓減小，是因?yàn)殡S著 i層厚度的增大，串聯(lián)電阻也增大，所以 Voc就會(huì)減小。 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。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。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。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。其次，禁帶寬度又直接影響開(kāi)路電壓的大小。開(kāi)路電壓的大小和 PN 結(jié)反響飽和電流的大小成反比。禁帶寬度越大，反向飽和電流越小，開(kāi)路電壓越高。 200nm 以后，各項(xiàng)參數(shù)值都下降。 所得效率最大一組值是 p、 i、 n 層厚度分別為 5nm、 200nm、 5nm 時(shí)： Eff(%) Jsc(mA/cm^2) FF Voc(V) 非晶硅 pin型太陽(yáng)能電池的 JV曲線及能帶圖 如圖 : 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .00510152025303540J/(mA/cm^2)v o l t a g e / V p i nEf f : 1 5 . 9 4 4 %F F : 0 . 6 9 6t h e co m p a ri so n b e t w e e 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 圖 (a) 非晶硅單結(jié)型與 pin型 JV曲線的比較 0 .0 0 0 .0 5 0 .1 0 0 .1 5 0 .2 0 0 .2 565432101Energy/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 o f a Si 圖 (b) 非晶硅 pin型能帶圖 pin 雙結(jié)型改變摻雜濃度 所用參數(shù)如表 所示： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 表 pin型非晶硅太陽(yáng)能電池濃度改變時(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)厚度（ nm） 5 i區(qū)厚度（ nm） 200 N 區(qū)厚度（ nm） 5 以下分兩種情況來(lái)討論摻雜濃度變化對(duì)其各項(xiàng)因子的影響，即改變 n 型基區(qū)濃度與改變 p 型頂區(qū) (即發(fā)射區(qū) )濃度： 一、固定各層厚度 ,固定 p 區(qū)濃度為 1019cm3,改變 n 區(qū)濃度 , 所得模擬結(jié)果見(jiàn)圖 ： 1 E1 7 1 E1 8 1 E1 91 4 .01 4 .51 5 .01 5 .51 6 .01 6 .5 Ef f FFp =5n m 1 019cm3i =20 0 n mn =5n md o p p i n g l e v e l o f n l a y e r/ cm3Eff/%p i n st ru ct u re o f a Si w i t h p t o p l a y e r0 .6 60 .6 80 .7 00 .7 20 .7 4FF 圖 (a) pin型非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨 n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)） 28 1 E1 7 1 E1 8 1 E1 92 4 .4 02 4 .4 22 4 .4 42 4 .4 62 4 .4 82 4 .5 02 4 .5 22 4 .5 42 4 .5 62 4 .5 82 4 .6 02 4 .6 22 4 .6 42 4 .6 62 4 .6 82 4 .7 02 4 .7 22 4 .7 4 Jsc Vo cp =5 n m 1 019cm3i =2 0 0 n mn =5 n md o p p i n g l e v e l o f n l a y e r/ cm3Jsc/(mA/cm^2)p i n st ru ct u re o f a Si w i t h p t o p l a y e r0 .9 2 00 .9 2 10 .9 2 20 .9 2 30 .9 2 40 .9 2 50 .9 2 60 .9 2 70 .9 2 80 .9 2 90 .9 3 00 .9 3 10 .9 3 20 .9 3 30 .9 3 40 .9 3 50 .9 3 60 .9 3 70 .9 3 80 .9 3 90 .9 4 0Voc/V 圖 (b) pin型非晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開(kāi)路電壓隨 n區(qū)摻雜濃度的變化 如圖 所示 ,轉(zhuǎn)化效率、填充因子以及開(kāi)路電壓都隨著 p、 n層摻雜濃度的增加而增大，最后增加趨致緩慢。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(kāi)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 。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(kāi)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。 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(kāi)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） 。為了避免摻雜濃度提高帶來(lái)缺陷，所以一般取在 1019cm3。 改變結(jié)構(gòu) 頂層窗口層換成 SiC后 ,摻雜濃度都為 1019cm3,pSiC:H、 iSiC:H、 nSi:H厚度分別為 5nm、 200nm、5nm時(shí)的模擬結(jié)果如下（黑色的是相同厚度相同摻雜普通 pin型的 JV曲線，以與之作比較） : 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0010203040J/(mA/cm^2)V/ V pinE f f : FF : 0. 696 S i c i nE f f : FF : 0. 69t h e co m p a ri so n b e t w e e n co m m o n p i n a n d Si C i n 圖 (a) 頂層為 aSiC： H層的非晶硅電池 JV特性與普通 pin型比較 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 0 .0 0 0 .0 5 0 .1 0 0 .1 5 0 .2 0 0 .2 565432101Energy/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 de n e rg y b a n d o f a Si w i t h Si C t o p l a y e r 圖 （ b） 頂層為 aSiC:H層的非晶硅電池的能帶圖 從圖 可以看出，同樣厚度的單晶硅電池，當(dāng)頂層換成禁帶寬度比較大的 SiC 層厚，轉(zhuǎn)換效率可以有稍微提升 ,可以給出以下解釋 :使用 aSi:H 的優(yōu)點(diǎn)是該種材料的帶隙可以通過(guò)控制碳的含量在很大范圍內(nèi)變化 ,即隨膜中碳含量的增加