【正文】 的參數(shù)，已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為 %。 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(lái)不必要的缺陷，可以將基區(qū)摻雜濃度設(shè)置的低一些。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(shuō)明當(dāng)加入 p+層后，對(duì)電池的開(kāi)路電壓和短路電流 都有所提高。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。經(jīng)過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能短路電流及開(kāi)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(kāi)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(lái)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。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無(wú)定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)出棒狀單晶硅。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池，其中多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池就是典型代表 單晶硅特性：熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié) 合起來(lái)便結(jié)晶成單晶硅。 Kyocera 公司制備的大面積（ 225cm2）單電晶太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為 19． 44%，國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（ 2cm X 2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 %，刻槽埋柵電極晶體硅電池（ 5cm X 5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá) %。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜 工藝。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。 AMPS是設(shè)計(jì)用來(lái)分析設(shè)計(jì)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，比如微電子結(jié)構(gòu)、光電子結(jié)構(gòu)和光電器件。另外，如作為位置函數(shù)的電場(chǎng)分布、自由和束縛載流子濃度、復(fù)合特性、單獨(dú)的載流子流密度也可以能從 AMPS 中得到。 如圖 ，為 AMPS的界面： 圖 （ a） AMPS主界面 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 圖 （ b） 器件各層的參數(shù)設(shè)置界面 圖 （ c） 器件各層的光譜特性 AMPS1D 可以用來(lái)模擬一系列的器件結(jié)構(gòu)，如： ? 同質(zhì)、異質(zhì) pn 結(jié)、 pin 結(jié)的太陽(yáng)能電池以及探測(cè)器 ? 同質(zhì)、異質(zhì) pn 結(jié)、 pin 結(jié)、 nin 結(jié)及 pip 結(jié)的微電子結(jié)構(gòu) ? 多結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu) ? 多結(jié)微電子結(jié)構(gòu) ? 多級(jí)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器和太陽(yáng)能 電池結(jié)構(gòu) ? 多級(jí)結(jié)構(gòu)的微電子結(jié)構(gòu) ? 新型微電子、光伏效應(yīng)、光電感應(yīng)器件結(jié)構(gòu) ? 具有可選襯底層的肖特基勢(shì)壘器件 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 從 AMPS提供的解決方案來(lái)看，輸出比如黑暗環(huán)境或光照條件下的 IV特性都可以得到，這些可以被當(dāng)做溫度的函數(shù)來(lái)計(jì)算。 AMPS的主要目的是研究材料性質(zhì)（如帶隙、親和勢(shì)、摻雜濃度、遷移率、體內(nèi)和表面能帶狀態(tài)缺陷分布）以及材料的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)如何影響器件的物理特性，以及器件對(duì)光、偏壓、以及溫度的 響應(yīng)。 2 模擬軟件 AMPS1D 的介紹 AMPS1D （ A OneDimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structrues）軟件 ,即一維光電子和微電子器件結(jié)構(gòu)分析模擬程序 ，是由美國(guó)賓西法尼亞州立大學(xué)電子材料工藝研究實(shí)驗(yàn)室提供的一維固體器件模擬軟件。對(duì)于垂直地投射到電池上的單波長(zhǎng)的光，用一種厚為 1/4 波長(zhǎng)、折射率等于 n （ n 為 Si 的折射率）的涂層能使反射率降為零。裸 Si表面的反射率約為 40%。為了使 RS小，一般是使金屬柵做成又密又細(xì)的形 狀。 如 左 圖 ，在P/P+結(jié)處的電場(chǎng)妨礙電子朝背表面流動(dòng) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 八、金屬柵和光反射 在前表面上的金屬柵線(xiàn)不能透過(guò)陽(yáng)光。 PN結(jié)收集的電流必須經(jīng)過(guò)表面薄層再流入最靠近的金屬導(dǎo)線(xiàn)，這就是一條存在電阻的路線(xiàn)，顯然通過(guò)金屬線(xiàn)的密布可以使串聯(lián)電阻減小。 圖 背表面復(fù)合速率對(duì)電場(chǎng)參數(shù)的影響 七、串聯(lián)電阻 在任何一個(gè)實(shí)際的太陽(yáng)電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來(lái)源可以是引線(xiàn)、金屬接觸柵或電池體電阻。如果 Wp+與 Ln+能比擬，且 N+aNa，則 Sn可以估計(jì)零， Sn對(duì) JSC、 Voc和 Eff的影響見(jiàn)圖 。圖 表示了這種結(jié)構(gòu)，在 P/P＋界面 圖 背 表面場(chǎng)電池 存在一個(gè)電子勢(shì)壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復(fù)合，在 P/P＋界面處的復(fù)合速率可表示為 ??????npnnaan LWLDNNS c o th () 其中 N+a， Dn＋和 Ln+分別是 P＋區(qū)中的摻雜濃度、擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度。前表面的復(fù)合速率測(cè)量起來(lái)很困難，經(jīng)常被假設(shè)為無(wú)窮大。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通常是做不到的；而在擴(kuò)散區(qū)中是很自然的。 目前，在 Si太陽(yáng)電池中，摻雜濃度大約為 1016cm3，在直接帶隙材料制做的太陽(yáng)電池中約為 1017 cm3，為了減小串聯(lián)電阻，前擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于 1019 cm3，因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴(kuò)散區(qū)是較為重要的。一種稱(chēng)為重?fù)诫s效應(yīng) 的現(xiàn)象近年來(lái)已引起較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的變化，所有方程中的 Nd 和 Na都應(yīng)以（ Nd） eff和（ Na） eff代替。雖然 Nd和 Na 出現(xiàn)在 Voc定義的對(duì)數(shù)項(xiàng)中，它們的數(shù)量級(jí)也是很容易改變的。因而輸出功率的增加將大大超過(guò) X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。 四、光強(qiáng) 將太陽(yáng)光聚焦于太陽(yáng)電池，可使一個(gè)小小的太陽(yáng)電池產(chǎn)生出大量的電能。 達(dá)到長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過(guò)程中，要避免形成復(fù)合中心。在直接帶隙材料，如 GaAs或 Gu2S中，只要 10ns的復(fù)合壽命就已足夠長(zhǎng)了。 三、復(fù)合壽命 希望載流子的復(fù)合壽命越長(zhǎng)越好，這主要是因?yàn)檫@樣做 Isc大。例如，一個(gè)硅電池在 20℃時(shí)的效率為 20%，當(dāng)溫度升到 120℃時(shí)，效率僅為 12％。 Isc對(duì)溫度 T很敏感，溫度還對(duì) Voc起主要作用。結(jié)果是可期望在某一個(gè)確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。即： Eff=（太陽(yáng)能電池的輸出功率 /入射的太陽(yáng)光功率） *100% = （ Vop*Iop/Pin*S） *100% = Voc*Isc*FF/(Pin*S) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 其中 Pin是入射光的能量密度， S為太陽(yáng)能電池的面積，當(dāng) S是整個(gè)太陽(yáng)能電池面積時(shí)， Eff成為實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng) S是指電池中的有效發(fā)電面積時(shí)， Eff叫本征轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng)在 。填充因子定義為： scocscocpp IVPIV VIFF m a xoo ?? () 它表示了最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積中所占的百分比。將 I=0代入光電池的電流電壓方程，得開(kāi)路電壓為： ? ?? ?1lnSL ?? IIqkTV oc () （ 2）短路電流 Isc 如將 pn結(jié)短路（ V=0），因而 IF=0,這時(shí)所得的電流為短路電流 Isc。由光電池的伏安特性曲線(xiàn)，可以得到描述太陽(yáng)能電池的四個(gè)輸出參數(shù) 圖 光電池的伏安特性曲線(xiàn) （ 1）開(kāi)路電壓 Voc 在 pn結(jié)開(kāi)路情況下（ R=∞），此時(shí) pn 結(jié)兩端的電壓即為開(kāi)路電壓 Voc。 左圖分別是無(wú)光照和有光照時(shí)的光電池的伏安特性曲線(xiàn)。光生電流 IL從 n區(qū)流向 p區(qū)，與 IF相反。因而光生載流子產(chǎn)生率也隨光照深入而減少，即產(chǎn)生率 Q是 x函數(shù)。 IL和 IF都流經(jīng) pn 結(jié)內(nèi)部，但方向相反。 本文主 要用 AMPS1D（ A OneDimensional Device Simulation Program for the Analysis of 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 Microelectronic and Photonic Structrues）軟件 ,即一維光電子和微電子器件結(jié)構(gòu)分析模擬程序，通過(guò)改變各層厚度以及摻雜濃度來(lái)分析單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽(yáng)能電池的特性。日本的三洋公司用非晶硅的 PECVD 技術(shù)與晶體硅襯底相結(jié)合的太陽(yáng)電池技術(shù)，制備出了 HIT 太陽(yáng)電池，其效率達(dá)到 21%以上，大面積產(chǎn)業(yè)化效率達(dá)到 %。經(jīng)過(guò)這些技術(shù)的改進(jìn)才到達(dá)這樣高的效率，這種效率已經(jīng)非常接近晶體硅太陽(yáng)電池的理論效率。澳大利亞華裔科學(xué)家趙建華保持了單晶硅太陽(yáng)能電池的最