【導讀】晶硅、多晶硅、和非晶硅太陽能電池的光伏特性與器件結構的關系。通過采取PN結和PIN結兩種。流以及開路電壓的影響。通過優(yōu)化提出最佳電池結構設計。

　　

【正文】 度相同，只改變 I 層的厚度，模擬所用參數(shù)如下： 表 pin型非晶硅太陽能電池厚度改變時參數(shù)設置 前端接觸電勢 PHIBO（ eV） 前端電子復合速率 SNO(cm/s) +07 前端空穴復合速率 SPO(cm/s) +07 前端反射率 RF 0 后端接觸電勢 PHIBL（ eV） 后端電子復合速率 SNL(cm/s) +07 后端空穴復合速率 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型非晶硅太陽能電池轉化效率及填充因子隨電池厚度的變化 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 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時不同，四項電池輸出參量隨厚度的增加，都有一個峰值，這個峰值在 i 層厚度在 200nm 左右時取得。其中對于填充因子來講 ,由于隨著 i 層厚度的增加 ,會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 ,所以填充因子會不斷減少。 對于開路電壓來講 ,剛開始 50nm時 ,有一個峰值 ,可能是由于此時 i層阻礙了空穴電子的復合 ,使得開路電壓有所增大。而后，開路電壓減小，是因為隨著 i層厚度的增大，串聯(lián)電阻也增大，所以 Voc就會減小。 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體中產(chǎn) 生光生電子 —— 空穴對，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，因為能量大于禁帶寬度的光子在激發(fā)出電子 空穴對后剩余的轉變?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路電壓的大小。開路電壓的大小和 PN 結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，開路電壓越高。 200nm 以后，各項參數(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： Eff(%) Jsc(mA/cm^2) FF Voc(V) 非晶硅 pin型太陽能電池的 JV曲線及能帶圖 如圖 : 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 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 雙結型改變摻雜濃度 所用參數(shù)如表 所示： 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 27 表 pin型非晶硅太陽能電池濃度改變時參數(shù)設置 前端接觸電勢 PHIBO（ eV） 前端電子復合速率 SNO(cm/s) +07 前端空穴復合速率 SPO(cm/s) +07 前端反射率 RF 0 后端接觸電勢 PHIBL（ eV） 后端電子復合速率 SNL(cm/s) +07 后端空穴復合速率 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 以下分兩種情況來討論摻雜濃度變化對其各項因子的影響，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 , 所得模擬結果見圖 ： 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型非晶硅太陽能電池轉化效率及填充因子隨 n區(qū)摻雜濃度的變化 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 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型非晶硅太陽能電池短路電流及開路電壓隨 n區(qū)摻雜濃度的變化 如圖 所示 ,轉化效率、填充因子以及開路電壓都隨著 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，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摻雜時，如同像是與前面的區(qū)形成了背電場，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、 in 結形成的內建電勢會比較大，所以開路電壓就會比較高，同時由于摻雜濃度提高，自由載流子的數(shù)目也會增多，費米能級距導帶就會越近，所以可以更充分的吸收光子，增大轉化效率。 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型非晶硅太陽能電池轉化效率及填充因子隨 p區(qū)摻雜濃度的變化 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 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，可能是因為摻雜濃度升高，載流子散射幾率增大，在復合中心的復合也會增大 （實際情況中，摻雜 濃度增高，載流子遷移率會降低，導致少子擴散長度變短，從而短路電流降低） 。為了避免摻雜濃度提高帶來缺陷，所以一般取在 1019cm3。 改變結構 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時的模擬結果如下（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 湖北大學本科畢業(yè)論文（設計） 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，當頂層換成禁帶寬度比較大的 SiC 層厚，轉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)點是該種材料的帶隙可以通過控制碳的含量在很大范圍內變化 ,即隨膜中碳含量的增加