【正文】 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 ,aS。 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(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） 。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 。 200nm 以后，各項(xiàng)參數(shù)值都下降。開路電壓的大小和 PN 結(jié)反響飽和電流的大小成反比。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。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?dǎo)體中產(chǎn) 生光生電子 —— 空穴對(duì)，從而形成光生電流。而后，開路電壓減小，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。其中對(duì)于填充因子來講 ,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。 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 非晶硅的性能參數(shù) 非晶硅的各個(gè)參數(shù)如下： 表 非晶硅材料的性能參數(shù) 在以下的模擬中，若無特別說明，所有 p型、 i層、 n型非晶硅層都加入同樣的兩個(gè)高斯缺陷，如下表所示： 表 各層中加入的高斯缺陷 pin 型設(shè)計(jì)與模擬 pin 型改變厚度 考慮雙結(jié)結(jié)構(gòu)（即 pin 結(jié)）如圖 ，頂層為 P 層，與討論單晶硅同樣的方法，先改變各層的厚度。因而它幾乎可以沉積在任何襯底 上，包括廉價(jià)的玻璃存底，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。制作單晶硅電池一般需 1000℃以上的高溫，而非晶硅的制作僅需 200℃左右。 ，隨制備條件的不同約在 ，這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。特別是在 的可見光波段，它的吸收系湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級(jí) (由于其為直接帶隙半導(dǎo)體 ,因此光子激發(fā)電子到導(dǎo)帶 ,不需要聲子的幫組 ,直接在電場(chǎng)下就可以形成電流 )。 非晶硅太陽能電池的發(fā)展： 1975 年 Spear 等人利用硅烷的直流輝光放電技術(shù)制備出 aSi:H 材料，即用氫原子補(bǔ)償了懸掛鍵等缺陷態(tài)，才實(shí)現(xiàn)了對(duì)非晶硅材料的摻雜，非晶硅材料開始得到應(yīng)用。單晶硅或多晶硅太陽能電池的制造要用 1000℃高溫?cái)U(kuò)散和 850℃燒結(jié)烘烤，電阻加熱爐需消耗大量電力，非晶硅太陽能電池用等離子體薄膜工藝只要 300℃左右的溫度。結(jié)晶型太陽能電池用厚度為 ~，進(jìn)一步減薄受到強(qiáng)度的限制。要制造出高效率的多晶硅太陽能電池，也同樣要考慮成本與效率以及制造工藝的多重關(guān)系。加入背面電場(chǎng)后，轉(zhuǎn)化效率也同樣有稍微增加。 改變結(jié)構(gòu) 加入 p+層，形成背電場(chǎng)后，其中 n、 p、 p+層厚度分別為 100nm、 20200nm、 2020nm，摻雜濃度分別為 1019cm 1018cm 1019cm3,其 JV曲線（圖 （ a）中實(shí)線所示）及能帶圖如圖 ,由圖中可以看出，如同單晶硅一樣，加入背電場(chǎng)后，在同樣厚度及濃度情況下，效率有所增加： 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .40102030405060J/(mA/cm^2)v o l t a g e / V d o u b l e j u n ct i o nEf f : 3 1 . 6 7 9 %F F : 0 . 8 3 7 si n g l e j u n ct i o nEf f : 3 1 . 1 4 3 %F F : 0 . 8 3 6co m p a ri so 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 o f p Si 圖 (a) 單結(jié)型多晶硅與雙結(jié)型多晶硅的 IV曲線比較 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 圖 (b) 加入背電場(chǎng)的能帶圖 結(jié)論 通過以上模擬多晶硅改變厚度及摻雜濃度時(shí)的結(jié)果可知：由于在本實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，各項(xiàng)參數(shù)都 跟單晶硅的幾乎相同，所以模擬結(jié)果同單晶硅一樣，在可模擬范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化效率都隨厚度增加而增加，到一定厚度后，就趨于平穩(wěn)。 單結(jié)型改變厚度 考慮頂層為 n區(qū)，模擬中所用參數(shù)如下： 表 頂層為 n型單結(jié)多晶硅太陽能厚度改變時(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） 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 圖 給出的是 n 區(qū)厚度為 100nm 時(shí) p 區(qū)厚度從小到大變化的情況，其中 n 區(qū)摻雜濃度為1019cm3,p區(qū)摻雜濃度為 5*1016cm3： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 0 202000 400000 600000 800000 10000000246810121416182022242628303234 Ef f FFn =10 0 n mn : 1 019cm3 p : 5 * 1 016cm3w 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 p Si 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) 頂層為 n型單結(jié)多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化 0 202000 400000 600000 800000 10000000102030405060 Jsc Vo cn =10 0 n mn : 1 019cm3 p : 5 * 1 016cm3w e d t h o f p l a y e r/ n mJsc/(mA/cm^2)0 .4 00 .4 50 .5 00 .5 50 .6 00 .6 50 .7 00 .7 5Voc/Vsi n g l e j u n ct i o n o f p Si w i t h n t o p l a y e r 圖 (b) 頂層為 n型單結(jié)多晶硅太陽能電池短路電流及開路電壓隨厚度的變化 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 由圖 可以看出：當(dāng) p區(qū)厚度為 200um 時(shí) ,多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定值 ,而其他各項(xiàng)參數(shù)隨厚度的變化關(guān)系都相同。 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的，且晶粒垂直于結(jié)面，每個(gè)晶粒大小、形狀、電學(xué)性質(zhì)（摻雜濃度、少子遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度）和光學(xué)性質(zhì)（表面反射、受光照情況）一致； ? 忽略晶粒結(jié)構(gòu)的其他不完整性； ? 晶粒內(nèi)的摻雜濃度均勻，且在室溫下雜質(zhì)全部電離； ? 晶粒間界處的摻雜雜質(zhì)全部為非電激活； ? 忽略晶界厚度的影響（一般為幾個(gè)原子層厚度）； ? 假設(shè)晶界是部分耗盡的； ? 電池具有背面電場(chǎng)時(shí)，背面復(fù)合速率考 慮為 Sn=1*103cm/s。下圖顯示多晶硅電池的兩種結(jié)構(gòu)。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。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。 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