【正文】 功率，成為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓 Vop 和最佳工作電流 Iop。特性好的太陽能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽能電池，也就是 Voc， Isc 和 FF乘積較大的電池。 （ 4）太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率 Eff 表示入射的太陽光能量有多少能轉(zhuǎn)換為有效地電能。 影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 一、禁帶亮度 Voc隨 Eg的增大而增大，但另一方面， Jsc隨 Eg的增大而減小。 二、溫度 隨溫度的增加，效率 Eff下降。 對于 Si，溫度每增加 1℃， Voc 下降室溫值的 %， Eff 也因而降低約同樣的百 分?jǐn)?shù)。又如 GaAs電池，溫度每升高1℃， Voc降低 或降低 %。在間接帶隙半導(dǎo)體材料如 Si中，離結(jié) 100um 處也產(chǎn)生相當(dāng)多的載流子，所以希望它們的壽命能大于 1us。長壽命也會減小暗電流并增大 Voc。 在加工過程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行工藝處理，可以使復(fù)合中心移走，因而延長壽命。設(shè)想光強(qiáng)被濃縮了 X倍，單位電池面積的輸入功率和 Jsc 都將增加 X倍，同時(shí) VOC也隨著增加 (kT/q)lnX 倍。 五、摻雜濃度及剖面分布 對 Voc 有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。摻雜濃度愈高， Voc 愈高。既然（ Nd） eff和（ Na） eff顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的 Nd和Na不會再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會減小。 當(dāng) Nd和 Na或（ Nd） eff和（ Na） eff不均勻且朝著結(jié)的方向降低時(shí)，就會建立起一個(gè)電場，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了 ISC。 圖 高摻雜效應(yīng) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 六、表面復(fù)合速率 低的表面復(fù)合速率有助于提高 Isc，并由于 Is的減小而使 Voc 改善。一種稱為背表面場（ BSF）電池設(shè)計(jì)為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴(kuò)散一層 P＋附加層。如果 Wp+=0，則 Sn=∞，正如前面提到的。當(dāng) Sn很小時(shí)， Jsc和 Eff都呈現(xiàn)出一個(gè)峰。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴(kuò)散層。一定的串聯(lián)電阻 RS的影響是改變 I－ V曲線的位置。為了使 Isc最大，金屬柵占有的面積應(yīng)最小。因?yàn)橛刑柟夥瓷涞拇嬖冢皇侨抗饩€都能進(jìn)入 Si中。使用減反射膜可降低反射率。對太陽光，采用多層涂層能得到更好的效果。 AMPS 采用牛頓－拉普拉斯方法在一定邊界條件下數(shù)值求解聯(lián)立的泊松方程、電子和空穴的連續(xù)性方程，可以用來計(jì)算光伏電池、光電探測器等器件的結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)物理特性。 AMPS允許使用者通過發(fā)覺和比較能帶圖，電流分量，載流子的復(fù)合、產(chǎn)生，電場分布圖，學(xué)會器件為什么對給定的條件會有特定的響應(yīng)。對于太陽能電池和二極管結(jié)構(gòu)，作為偏壓、光照以及溫度函數(shù)的收集效率也能夠得到。如先前所給出的， AMPS 的多功能性可以用來分析大量不同種類器件的輸運(yùn)特性，比如單晶硅、多晶硅或非晶硅層的器件 。 3 單晶硅太陽能電池的設(shè)計(jì)與模擬 單晶硅太陽能電池的研究概況及單晶硅性質(zhì) 硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟?，F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。在此方面，德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。并在表面把 13nm 厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合．通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過 23%，是大值可達(dá) 23． 3％。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。在超純單晶硅中摻入微量的Ⅲ A 族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成 p 型硅半導(dǎo)體；如摻入微量的Ⅴ A 族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成 n 型硅半導(dǎo)體。下圖為單晶硅晶胞結(jié)構(gòu)： 圖 單晶硅的晶胞結(jié)構(gòu) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 單晶硅的性能參數(shù) 表 單 晶硅的性能參數(shù) 介電常數(shù) 本征載流子濃度（ cm3） *1010 電子遷移率（ cm2/V/s） 1450 空穴遷移率（ cm2/V/s） 500 禁帶寬度（ eV）（ 300k） 載流子壽命（ us） ≈ 130 導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度 Nc（ cm3） *1019 導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度 Nv（ cm3） *1019 電子親和能（ eV） 功函數(shù)（ eV） 單結(jié)型改變厚度 考慮頂層為 N區(qū)的情況（如 圖 ），固定 N區(qū)厚度， P 區(qū)厚度從小到大，依次增加，模擬中，所用參數(shù)如下： 表 頂層為 n型單結(jié)單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 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 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 P 區(qū)摻雜濃度（ cm3） +19 N 區(qū)摻雜濃度（ cm3） +18 圖 np（頂層為 n型）型單晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖 可得到如下結(jié)果： 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 0 202000 400000 600000 800000 1000000024681012141618202224262830323436 Ef f FFn : 1 019cm3p : 5 * 1 016cm3n =10 0 n mw 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 cSi 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) 轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化 0 202000 400000 600000 800000 10000000102030405060 Jsc Vocn : 1 019cm3p : 5 * 1 016cm3n =10 0 n mw e d t h o f p l a y e r/ n mJsc/(mA/cm^2)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 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 50 .3 00 .3 50 .4 00 .4 50 .5 00 .5 50 .6 00 .6 50 .7 00 .7 50 .8 00 .8 50 .9 0Voc/V 圖 （ b） 短路電流和開路電壓隨厚度的變化 從圖 中，可以得知，當(dāng)固定 N 區(qū)厚度， P 區(qū)厚度依次增加時(shí)，轉(zhuǎn)化效率、短路電流、填充因子以及開路電壓都隨著 P 區(qū)厚度增 加而增加，在 200um 以后，即達(dá)到一穩(wěn)定值。頂區(qū)重?fù)诫s是由于其一可以減小頂區(qū)薄層電阻，其二可以降低反向飽和電流，即提高開路電壓。 改變結(jié)構(gòu) 背面加入一層 p+層形成背電場后的轉(zhuǎn)化效率及能帶圖如圖 （圖 (a) 中黑線為加入背電場后的Ｊ－Ｖ曲線，為了對比，紅線為相同厚度單結(jié)單晶硅的Ｊ－Ｖ曲線），其中 n、 p、 p+層厚度分別為 100nm、 202000nm、 2020nm，摻雜濃度分別為 1019cm 5*1016cm 1019cm3。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .40102030405060J/(mA/cm^2)Vo l t a g e / V d o u b l e j u n ct i o n w i t h p +Ef f : 3 4 . 5 2 %F F : 0 . 8 4 si n g l e j u n ct i o n Ef f : 3 2 . 3 5 2 %F F : 0 . 8 3 9co m p a ri so n b e t w e e n d o u b l e j u n ct i o n a n d si n g l e j u n ct i o n o f cS 圖 （ a） 加入背電場雙結(jié)單晶硅 JV圖 0 50 100 150 2006543210Energy/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 w i t h 圖 （ b） 加入背電場雙結(jié)單晶硅能帶圖 結(jié)論 通過比較單結(jié)晶單結(jié)型厚度的變化、濃度的變化、以及與雙結(jié)型做比較，可以得知：由于單晶硅遷移率比較大，所以在可以模擬的范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)化效率都是隨著厚度的增加而增加，在 200um時(shí)，湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 就已經(jīng)幾乎達(dá)到穩(wěn)定值，所以，在單晶硅太陽能電池設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小不必要的材料損耗，可以在效率與電 池厚度兩個(gè)參數(shù)中選取折中。當(dāng)背面加上一層 p+結(jié)時(shí)，形成一層背面電場， p/p+結(jié)可以有效的阻止少數(shù)載流子電子的通過，而允許多數(shù)載流子空穴通過，增加了載流子搜集率，這樣就提高了短路電流和開路電壓，因而可以有效的提高效率；同時(shí)也更便于制作成歐姆接觸，減小了接觸電阻；從能帶圖上看， pp+結(jié)有利于多子空穴 向電極方向流動，因而降低了體電阻和接觸電阻所引起的串聯(lián)電阻，從而使電池的填充因子得到改善。 多晶硅太陽能電池較單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低的一個(gè)最重要的原因是多晶硅中存在較多的晶粒及其晶粒間界（簡稱晶界）。晶界存在著各種界面態(tài)、界面勢壘、懸掛鍵和缺陷態(tài)，形成了高密度的陷阱，其本身具有電活性，當(dāng)雜質(zhì)偏聚或沉淀于此時(shí)，晶界的電活性會進(jìn)一步增強(qiáng)，而成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致載流子的收集幾率下降，短路電流降低，暗電流增加，最終影響轉(zhuǎn)換效率。 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果 多晶硅的性能參數(shù) 表 多晶硅的材料性能參數(shù) 多晶硅材料是由許多小晶粒組成，在晶粒內(nèi)部原子周期性 地有序排列，因此可以把每個(gè)晶粒看成一塊小的單晶體，同時(shí)每個(gè)小晶粒體內(nèi)部的摻雜濃度、遷移率等的分布均勻。當(dāng)晶粒是任意方向時(shí)，則只有最上層的晶粒對電池的輸出特性有貢獻(xiàn)，而下層的晶粒則被晶界隔離從而對電池的輸出特性沒有貢獻(xiàn)；當(dāng)多晶硅的晶粒是柱狀時(shí)，晶界垂直于電池表面，而每個(gè)柱狀晶粒內(nèi)的光生載流子在電池內(nèi)部的輸運(yùn)過程中都能通過 pn 結(jié)被收集，不會通過晶界產(chǎn)生復(fù)合，因此整個(gè)電池的厚度都對輸出有貢獻(xiàn)，晶界復(fù)合對載流子的壽命的影響可以忽略，因此多晶硅太陽能電池的性能類似于單晶硅太陽能電池。當(dāng)背面為歐姆接觸時(shí)，背面復(fù)合速率考慮為 Sn=1*107cm/s,以便接近更實(shí)際的情況。 np區(qū)厚度分別為 100nm、 202000nm時(shí)的各項(xiàng)輸出參數(shù)如圖 ： 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)Vo l t a g e / VEf f : 3 1 . 1 4 3 %F F : 0 . 8 3 6Jsc: 5 1 . 1 3 9 m A/ cm ^ 2Vo c: 0 . 6 5 2 V 圖 (a) 單結(jié)多晶硅最佳值的 JV曲線 0 50 100 150 2006543210Y Axis Titlep o si t i o n / 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 d 圖 (b) 單結(jié)多晶硅最佳值的能帶圖 改變摻雜濃度 把 n、 p區(qū)的厚度分別設(shè)為 100nm、 202000n