【正文】 () (3)填充因子 FF 在光電池的伏安特性曲線任意工作點上的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，成為最佳工作點，該點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 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，就會建立起一個電場，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了 ISC。湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）5圖 高摻雜效應(yīng)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)計為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴散一層 P＋附加層。如果 Wp+=0，則 Sn=∞，正如前面提到的。當(dāng) Sn 很小時，Jsc 和 Eff 都呈現(xiàn)出一個峰。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴散層。一如左圖，在P/P+結(jié)處的電場妨礙電子朝背表面流動湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）6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。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進(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，可以用來計算光伏電池、光電探測器等器件的結(jié)構(gòu)與輸運物理特性。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，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(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格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，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ⅢA 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ⅤA 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）9 設(shè)計與模擬結(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（cm 3） *1010電子遷移率（cm 2/V/s） 1450空穴遷移率（cm 2/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（cm 3） *1019導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度 Nv（cm 3） *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 ） +19N 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）10020220220220010002468102146182024628302346 Ef Fn:1019cm3p:5*163n=0nwedth of player/nmEf/%singlejunction f cSi with ntoplayer圖 (a) 轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化02022022022001000102030405060 Jsc Von:109cm3p:5*163n=0nwedth of player/nmJsc/(mA/c^2)singlejunction f cSi with ntoplayer0.....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，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、202200nm、2022nm，摻雜濃度分別為 1019cm5*10 16cm10 19cm3。湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）14. 2030405060J/(mA/c^2)Voltage/V doublejunction with p+Ef:%F: singlejunction Ef:%F: betwen doublejunction ad singlejunction f cS圖 （a） 加入背電場雙結(jié)單晶硅 JV 圖0 5010 150206543210Energy/eVpositn /um vacum levl ondting band Feri Eery valnc banddoublejunction with 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，湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）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)計時，為了減小不必要的材料損耗，可以在效率與電池厚度兩個參數(shù)中選取折中。當(dāng)背面加上一層 p+結(jié)時，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，晶界的電活性會進(jìn)一步增強，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，因此可以把每個晶?？闯梢粔K小的單晶體，同時每個小晶粒體內(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，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，晶界垂直于電池表面，而每個柱狀晶粒內(nèi)的光生載流子在電池內(nèi)部的輸運過程中都能通過 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，背面復(fù)合速率考慮為 Sn=1*107cm/s,以便接近更實際的情況。np 區(qū)厚度分別為 100nm、202200nm 時的各項輸出參數(shù)如圖：30405060J/(mA/c^2)Voltage/VEf:%F::^2Vo:圖 (a) 單結(jié)多晶硅最佳值的 JV 曲線0 50 10 150206543210Y Axis Titlepositn/ vacum levl ondting band Feri Eery valnc band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、202200nm，n 區(qū)的摻雜濃度為 1019cm3，所用參數(shù)設(shè)置如下：湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）19表 頂層為 n 型單結(jié)多晶硅太陽能電池濃度改變時電池參數(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） 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 得到的模擬結(jié)果如下：1E7 1E8 1E9283032 Ef Fn=10nm 109cm3p2doping levl of player/cm3Ef/%Fsinglejunctio f pSi圖 (a) 頂層為 n 型單結(jié)多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率與填充因子隨濃度的變化湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）201E7 1E8 1E95455657585960 Jsc Von=10nm 109cm3p2doping levl of player/cm3Jsc(mA/c^2)singlejunction f pSi圖 (b) 頂