【正文】 － 消化吸收參考文獻及資料，撰寫畢業(yè)設計開題報告。能夠熟練的運用 SILVACO— TCAD 工具軟件 對非晶硅薄膜太陽能電池進行建模仿真。 南通大學畢業(yè)設計（論文） 34 南 通 大 學 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目 薄膜太陽能電池光電特性的研究 學 生 姓 名 葛濤 學 院 電子信息 專 業(yè) 集成電路設計與制造 班 級 集成 062 學 號 0611002070 起 訖 日 期 2021410—— 2021524 指導教師 王強 職稱 教授 發(fā)任務書日期 年 月 日 南通大學畢業(yè)設計（論文） 35 課題的內(nèi)容和要求 （研究內(nèi)容、研究目標和解決的關鍵問題） 本課題主要研究硅半導體太陽能電池的性能參數(shù)，了解太陽能電池單元結構，并能夠通過有關資料設計出一件非晶硅薄膜太陽能電 池單元，并且能夠在設計完成后運用 SILVACO— TCAD 軟件對此結構進行建模、仿真并分析此結構中PN 結 特性 對光電流的影響 。 課題來源是指： ， ， 3. 其他。設計完成后運用 SILVACO— TCAD 軟件對此結構進行建模、仿真并分析此結構中 PN 結 特性 對光電流的影響 。家人的愛永遠是我此生最寶貴的財富 ! 最后，對在百忙之中對我的論文進行評審并提出寶貴意見的各位專家、教授致以誠摯的謝意。從論文的選題、構思到撰寫及修改完成都凝聚了導師大量的心血和汗水。太陽能發(fā)電技術與應用 [M].人民郵電出版社， 2021， 34 [2] 王長貴，王斯成。當外電路加入負載時，則維持某一光電壓 VL和光電流 IL。 其原理 工作原理是基于半導體的光伏效應。 TCAD 主要特征包括： 自動創(chuàng)建輸入文件、編輯現(xiàn)有輸 入文件，創(chuàng)建 DOE，強大的參數(shù)提取程序和使得輸入文件中的參數(shù)變量化。而隨后 SILVACO 公司也在 Stanford 大 學的 TCAD 基礎上推出了自己的 TCAD 工具 ATHENA 和 ATLAS,ISE(integrated systems engineering)也有自己相應的工藝模擬工具 DIOS 和器件仿真工具 DESSIS?？梢灶A期在不久的將來，薄膜太陽能電池將與晶體硅和其他新興太陽能電池三分天下。 (3) 適當減小非晶硅薄膜電池的厚度 非晶硅薄膜太陽電池的光致衰減程度與薄膜的本征層厚度有關，當本征層厚度小于300nm時，太陽能電池的性能相對穩(wěn)定。例如，用常規(guī) PECVD 技術制備的ａ Si:H 薄膜中含有 10％左右的 H，而用化學退火法制備的ａ Si:H 薄膜的 H 含量小于 9％，用熱絲法制備的ａ Si:H南通大學畢業(yè)設計（論文） 21 薄膜 H 含量只有 1％～ 2％。向本征層摻雜其他種類以及不同數(shù)量的雜質元素的實驗研究應該不失為一個很好的研究方向。 SW 效應是非晶硅材料結構的一種亞穩(wěn)態(tài)變化效應，光照使非晶硅產(chǎn)生中性懸掛鍵等亞穩(wěn)態(tài)缺陷。為解決該問題，生產(chǎn)工藝引入了梯度界面層，以改善 P/N 界面光生載流子的輸運特性。為更充分地利用太陽能，除了改進現(xiàn)有的非晶硅基薄膜疊層電池結構外，還需探索新的疊層，進一步提高非晶硅薄膜太陽電池的轉換效率。另外，由于對本征層厚度的要求不可能太大，所以能量接近于帶隙寬度的那部分長波光子，在有限的本征層之內(nèi)并不能充分地被吸收。非晶硅薄膜太陽能電池最大的缺點，就是電池的轉換效率還比較低，商 業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品通常只有 6％；另一方面，非晶硅薄膜太陽能電池性能不夠穩(wěn) 定，存在比較嚴重的轉換效率光致衰減效應。理想吸收材料的光譜響應應該是：當光子能量 hv﹤ Eg 時，SR=0； hv﹥ Eg 時， SR=1. 如前文中所述，描述太陽能電池電學性能的參數(shù)主要有 4 個：開路電壓 Voc，短路電流ISC（或短路電流密度 JSC）、填充因子 FF 和光電效率η。 ISC之比，所以轉換效率可表示為： （ ） 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 個寬的連續(xù)譜，以及在室溫下必然存在晶格熱振動等散射機制，太陽電池的最高轉換效 率不可能達到 100％。用 FF 表示： （ ） 填充因子是衡量電池輸出特性的重要指標，代表電池在最佳負載時所能輸出的最大功率，其值越大表明太陽能電池輸出特性越好 FF 的值可由下式給出 （ ） 式中： Voc 是歸一化開路電壓； Voc=q Voc/nkT， n 為二極管品質因子。 在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽模擬器測定，并和國際認證機構的標準化的。假如結形成的很好，禁帶寬度越寬的半導體 Voc越大 圖 開路電壓與短路電流的關系 太陽電池的工作電流和電壓隨著負載電阻的變化而變化，將不同阻值所對應的工作 電壓和電流值繪制成曲線就得到太陽電池的伏安特性曲線，如圖 所示。因此 南通大學畢業(yè)設計（論文） 16 （ ） 其中 ，在很強的陽光下， ISCIO, （ ） 由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強度作近似直線的變化。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向擴散和漂移，從而內(nèi)部構成自 n 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流，在 P— n 結短路情況下構成短路電流， ISC如果將 PN結與外電路接通，對于恒定光照，就會有恒定電流流過電路，在非靜電力的作用下 PN 結起了電源的作用。 1. 短路電流 太陽能電池的短路電流等于其光生電流。 RL 為負南通大學畢業(yè)設計（論文） 14 載電阻其中暗電流等于總面積與 Jbk乘積，而光電流 IL為電池的有效受光面積。流經(jīng)負載的電流，經(jīng)過他們時，必然引起損耗，在等效電路中，可將他們的總效果用一個串聯(lián)電阻 RS來表示。多晶硅電池成本低，轉換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的雜質碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬。 所以破裂時也按照一定的平面斷開，如食鹽、水晶等。薄膜硅太陽能電池主要有非晶硅 (aSi)、微晶硅 (μ cSi)和多晶硅 pSi)薄膜太陽能電池，前兩者有光致衰退效應，其中 μ cSi 薄膜太陽能電池光致衰退效應相對較弱但 μ cSi薄膜沉積速率低 (僅 )，光致衰退效應致使其性能不穩(wěn)定，發(fā)展受到一定的限制，而后者則無光致衰退效應問題，因此是硅系太陽能電池 的發(fā)展方 [7]。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 格錯位等缺陷而導致光電轉化效率相對較低。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜，將反射損 失減小到 5％甚至更小。只要太陽光照射持續(xù)不斷，負載上就一直有電流通過。如圖 所示，在 PN 結的內(nèi)建電場作用下， N 區(qū)的空穴向 P 區(qū)運動，而 P 區(qū)的電子向 N區(qū)運動。達到平 衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是 PN 結。 如圖 。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有 3 個電子，所以就會產(chǎn)生如圖所示的藍色的空穴，南通大學畢業(yè)設計（論文） 10 這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成 P（ positive）型半導體。目前我們所了解的光導效果最好的的物質是 Si或 GaAs 等半導體材料，硅由于含量豐富且相關技術都很成熟，因此實用的太陽能光伏電池都是以硅為主要材料。對太陽能電池的技術經(jīng)濟要求因應用而異：空間用太陽能電池的主要要求是耐輻射性好、可靠性高、光電轉換效率高、效率面積比和功率質量比優(yōu)等；地面電源用太陽能電池的主要要求是光電轉換效率高、堅固可靠、壽命長、成本低等；地面消費品用太陽能電池的主要要求是薄小輕、美觀耐用等。目前主要有 PIN(NIP)非晶硅薄膜太陽能電池，集成型非晶硅薄膜太陽能電池、疊層（級聯(lián)）非晶硅太陽能電池等。 4， 薄膜太陽能電池 系指用單質元素，無機化合物或有機材料等制作的薄膜為基體材料的太陽能電池?；衔锇雽w主要包括：①晶態(tài)無機化合物（如Ⅲ Ⅴ族化合物半導體砷化鎵，磷化鉀、磷化銦、銻化銦等，Ⅱ Ⅵ族化合物半導體硫化鎘，硫化鋅等）及其固溶體（如砷鋁鉀，鎵砷磷等） 。池。目前已發(fā)展稱為了金屬 氧化物 半導體（ MOS）結構制成的太陽能電池和金屬 絕緣體 半導體（ MIS）結構制成的太陽能電池，這些總稱為導體 絕緣體 半導體（ CIS）太陽能電池。用異質結構成的太陽能電池稱為異質結太陽能電池，如氧化錫 /硅太陽能電池，硫化亞銅 /硫化鎘太陽能電池、砷化鎵/硅太陽能電池等。 南通大學畢業(yè)設計（論文） 7 太陽能電池分類 太陽能電池多為半導體材料制造，發(fā)展至今，已經(jīng)種類繁多，形式各樣。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 10 兆瓦以上，太陽能電池組件的生產(chǎn)能力已在 400MW 以上。 2021 年全球太陽能電池總產(chǎn)量 2500MW，比 2021 年產(chǎn)量 1758 兆瓦增長 %，其中日本的產(chǎn)量達到 928兆瓦 ,比 2021 年 833 兆瓦增長 %，是 全世界第一大生產(chǎn)國，占全世界 %；歐洲太陽能電池的生產(chǎn)量為 657 兆瓦 , 比 2021 年 470 兆瓦增長 %；美國太陽能電池的生產(chǎn)量為 兆瓦 , 比 2021 年 154 兆瓦增長 %；其他國家地區(qū)太陽能電池的生產(chǎn)量為 714 兆瓦 , 比 2021 年 302 兆瓦增長 %，大幅增長，中國、臺灣增長很快，其中中國太陽能 2021 年電池產(chǎn)量達到 ，已經(jīng)超過美國成為世界第三大太陽能電池生產(chǎn)國。以上舉措均對太陽能發(fā)電等新能源的發(fā)展起了重要的促進作用。由于太陽能電池較其它能源價格高，目前，它在與常規(guī)能源（火力，水力發(fā)電）的競爭中尚處于劣勢地位，需要政府在政策與法律發(fā)面給予資助才能促進其發(fā)展與普及。 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 硒的光伏效應研究 Cu， Cu2O 對光的敏感性研究 PN 結理論的研究 單晶硅太陽能電池的發(fā)明（美國貝爾實驗室） CdS 太陽能電池發(fā)明 GaAs 太陽能電池發(fā)明 在先驅者 1 號通信衛(wèi)星上應用太陽能電池 美國制定新能源開發(fā)計劃 日本制定太陽能發(fā)電發(fā)展的“陽光計劃” 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)技術規(guī)程（日本） RPS 法（新能源法案）（日本） 表 1954 年，美國貝爾實驗室的皮爾松，弗朗等三名科學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 6%，經(jīng)過不斷的改良后成為現(xiàn)在硅太陽能電池的原型。人類的未來將是一個太陽能時代的未來。如果太陽能轉化為電的效率是 15％，每平方米的面積將能提供約 千瓦的電能，其日平均將能提供約 千瓦小時的電能。很多人認為到了 2020 年，光伏電池成本將由現(xiàn)在的 25 美分／千瓦時下降到 10 美 分／千瓦時，也有認為到 2021 年即能下降到 10 美分／千瓦時。如果能有高轉化率的聚光光電池供應，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。 20 世紀 80 年代以來，光伏產(chǎn)業(yè)是世界上增長最快的高新技術產(chǎn)業(yè)之一。 我國在 2021 年 3 月，正式頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，并于 2021 年 1 月 1 日正式實施。日本政府提出在 2021年實現(xiàn)全國太陽能發(fā)電裝機總容量 5000MW的新能源工程，截至 2021年累計安裝量已達到 1900MW，而且近兩年來發(fā)展速度驚人，增長率達到 70%以上。僅此計劃，美國到 2021 年將用太陽能供電至少可達 3000MW 以上。 1973 年，美國制定了政府級的陽光發(fā)電計劃， 1980 年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計投入達 8 億多美元。 光伏產(chǎn)業(yè)是 20 世紀 80 年代后世界上增長最快的高新技術產(chǎn)業(yè)之一。 國外太陽能光伏產(chǎn)業(yè)市場拉動了我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但國內(nèi)的光伏市場太陽能應用只剛進入起步階段。 過