太陽(yáng)能電池模擬畢業(yè)論文

1、湖 北 大 學(xué)本 科 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)）題 目新型硅基薄膜太陽(yáng)能電池器件的設(shè)計(jì)與模擬 姓 名 彭 真 學(xué) 號(hào) 2006221105220021 專業(yè)年級(jí) 06 電 科 指導(dǎo)教師 高云 職 稱 教授 2010年 5 月 5 日目 錄 緒論11 光伏太陽(yáng)能電池的原理21.1 光電池的電流電壓特性21.2 描述太陽(yáng)能電池的參數(shù)31.3 影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的因素42 模擬軟件AMPS-1D的介紹63 單晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬83.1 單晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及單晶硅性質(zhì)83.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果93.2.1 單晶硅的性能參數(shù)93.2.2 單結(jié)型改變厚度93.2.3 單結(jié)型改變摻雜濃度12

2、3.2.4 改變結(jié)構(gòu)133.3 結(jié)論144 多晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬154.1 多晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及多晶硅性質(zhì)154.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果154.2.1 多晶硅的性能參數(shù)154.2.2 單結(jié)型改變厚度164.2.3 改變摻雜濃度194.2.4 改變結(jié)構(gòu)204.3 結(jié)論215 非晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬215.1 非晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及非晶硅性質(zhì)215.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果235.2.1 非晶硅的性能參數(shù)235.2.2 p-i-n型設(shè)計(jì)與模擬235.2.3 改變結(jié)構(gòu)295.3 結(jié)論30總結(jié)31參考文獻(xiàn)32新型硅基薄膜太陽(yáng)能電池器件的設(shè)計(jì)與模擬摘 要 本論文首先介紹了太陽(yáng)能電池的光

3、伏原理及其發(fā)展概況，并采用AMPS-1D軟件模擬分析了單晶硅、多晶硅、和非晶硅太陽(yáng)能電池的光伏特性與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系。通過(guò)采取PN結(jié)和PIN結(jié)兩種基本結(jié)構(gòu)，改變各層厚度和摻雜濃度，研究厚度和摻雜對(duì)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率、填充因子、短路電流以及開(kāi)路電壓的影響。通過(guò)優(yōu)化提出最佳電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?！娟P(guān)鍵詞】硅基太陽(yáng)能電池 模擬 AMPS-1DTHE MODELLING AND SIMULATION OF NEW-TYPE SILICON-BASED SOLAR CELLABSTRACTThis thesis briefly introduced the basic PV mechanism and the d

4、evelopment in PV cell. AMPS-1D software was utilized to simulate the photovoltaic property of various device structures for single crystal Si, poly-Si and amorphous Si solar cell. All the parameters used in the simulations were obtained from the reported experimental data. The basis structures were

5、PN and PIN diodes. By varing the thickness and the doping concentration of various layers, the photoelectric conversation efficiency, fill factor, short circuit current and open circuit voltage were studied. The best conversation efficiencies were obtained by optimizing the device structures.【Key wo

6、rds】 silicon-based solar cell, modelling, AMPS-1D simulation 緒論自從1983年法國(guó)人貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效應(yīng)”以來(lái)，歷經(jīng)100多年的發(fā)展，太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為了一個(gè)相當(dāng)龐大的學(xué)科，同時(shí)伴隨著產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。從產(chǎn)生技術(shù)的成熟度來(lái)區(qū)分，太陽(yáng)能電池可以分成：n 第一代太陽(yáng)能電池：晶體硅太陽(yáng)能電池n 第二代太陽(yáng)能電池：各種薄膜太陽(yáng)能電池，包括：非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池（a-Si）、碲化鉻太陽(yáng)電池（CdTe）、銅銦鎵硒太陽(yáng)電池（CIGS）、砷化鎵太陽(yáng)電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽(yáng)能電池。n 第三代太陽(yáng)電池：各種疊層太陽(yáng)能電池、

7、熱光伏電池（TPV）、量子阱及量子點(diǎn)的超晶格太陽(yáng)電池、中間帶太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換太陽(yáng)電池、下轉(zhuǎn)化太陽(yáng)電池、熱載流子太陽(yáng)電池、碰撞離化太陽(yáng)電池等新概念太陽(yáng)電池。其中，第一代太陽(yáng)電池已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，有部分種類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是技術(shù)成熟程度還有待提高。第三代太陽(yáng)電池是向著超高效率的方向努力，具備真正突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的概念，但是目前這種電池還只是停留在概念及理論設(shè)計(jì)階段，甚至沒(méi)有成型的產(chǎn)品問(wèn)世。太陽(yáng)電池從所使用的材料來(lái)區(qū)分，又可區(qū)分為：硅基太陽(yáng)電池：以硅材料為基本材質(zhì)，其中包括：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、納米硅薄膜太陽(yáng)電池、微晶硅薄膜太陽(yáng)電池、非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電

8、池。-族材料太陽(yáng)電池：CdTe太陽(yáng)電池、CIGS太陽(yáng)電池。 -族太陽(yáng)電池：GaAs系列多結(jié)太陽(yáng)電池、熱光伏太陽(yáng)電池。 染料敏化太陽(yáng)電池：主要利用染料對(duì)于太陽(yáng)電池光譜吸收的可變性，與二氧化鈦材料組裝在一起，制備成可供多種吸收波段的太陽(yáng)電池器件。 有機(jī)材料電池：正在開(kāi)發(fā)使用有機(jī)材料制備出類似葉綠素的太陽(yáng)電池。如果從來(lái)料方面來(lái)評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池在未來(lái)的地位，人們有理由認(rèn)為，只有硅基材料的太陽(yáng)能電池在未來(lái)最有可持續(xù)性。因?yàn)楣柙诘厍蛏系呢S度為26%，僅次于氧屬于世界上第二豐富的材料，相比之下其他電池相關(guān)材料的豐度都有限，難以在太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)中形成支配性的地位。因此，在未來(lái)世界太陽(yáng)電池的主流產(chǎn)品仍舊為硅基太陽(yáng)電池

9、。目前，由于使用了氮化硅反射膜技術(shù)，使得單晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)到16.5%。而多晶硅電池使用了表面織構(gòu)化技術(shù)、氮化硅減反射膜和表面鈍化技術(shù)，其效率達(dá)到14.5%-15%。由于硅基太陽(yáng)電池和半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展使得高純硅材料的供應(yīng)空前緊張，因此，主流太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)展主要是進(jìn)行硅片的超薄化，晶體太陽(yáng)電池的厚度已經(jīng)降到了200-230um，在近幾年內(nèi)還將繼續(xù)下降到180um。如此薄的硅片為太陽(yáng)電池的制備增加了難度，指的制備技術(shù)有很大的改進(jìn)，包括新型水平清洗技術(shù)、鏈?zhǔn)綌U(kuò)散技術(shù)、硼背場(chǎng)技術(shù)、激光去邊技術(shù)等等。而且，也要求整條生產(chǎn)線具有更高的自動(dòng)化水平，出現(xiàn)全自動(dòng)的生產(chǎn)線，以降低破損率。太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室

10、技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。澳大利亞華裔科學(xué)家趙建華保持了單晶硅太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄：24.7%。在這種太陽(yáng)能電池技術(shù)中使用了倒金字塔結(jié)合雙層減反射膜以降低表面的反射；采用了硼背場(chǎng)結(jié)合背表面鈍化技術(shù)減少背表面的復(fù)合效應(yīng)；采用了前后電極的選擇性擴(kuò)散以減少以減少歐姆接觸。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。美國(guó)的Sunpower公司制備了一種將P型電極和N型電極全部做在背面的太陽(yáng)能電池，大大提高了太陽(yáng)電池的效率，使得產(chǎn)業(yè)化太陽(yáng)電池的效率提高到20%以上。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)

11、到21%以上，大面積產(chǎn)業(yè)化效率達(dá)到19.3%。這種電池可以雙面受光，制造成本較低。本文主要用AMPS-1D（A One-Dimensional 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，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。1 光伏太陽(yáng)能電池的原理1.1 光電池的電流電壓特性光電池工作時(shí)共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I。IL和IF

12、都流經(jīng)pn結(jié)內(nèi)部，但方向相反。如圖1.1：根據(jù)p-n結(jié)整流方程，在正向偏壓下，通過(guò)結(jié)的正向電流為：IF=ISexp(qV/kT)-1 (1.1)其中：V是光生電壓，IS是反向飽和電流。圖1.1（a） pn結(jié)各電流示意圖圖1.1（b） 光伏效應(yīng)能帶圖設(shè)用一定強(qiáng)度的光照射光電池，因存在吸收，光強(qiáng)度隨著光透入的深度按指數(shù)律下降。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)。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，用<Q>表示在結(jié)的擴(kuò)散長(zhǎng)度（Lp+Ln）內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率，并設(shè)擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp內(nèi)的空穴和Ln內(nèi)的電子都能擴(kuò)散到p-n結(jié)面而進(jìn)入另一邊，這樣光生電流IL應(yīng)該是：IL=q<Q>

13、A（Lp+Ln） (1.2)其中：A是p-n結(jié)面積，q為電子電量。光生電流IL從n區(qū)流向p區(qū)，與IF相反。如光電池與負(fù)載電阻連成通路，通過(guò)負(fù)載的電流應(yīng)該是：I=IF-IL= ISexp(qV/kT)-1-IL (1.3)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。 圖1.2 光電池的伏安特性1.2 描述太陽(yáng)能電池的參數(shù)不論是一般的化學(xué)電池還是太陽(yáng)能電池，其輸出特性一般都是用下圖所示的電流-電壓曲線來(lái)表示。由光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽(yáng)能電池的四個(gè)輸出參數(shù)圖1.3 光電池的伏安特性曲線 （1）開(kāi)路電壓Voc 在p-n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。這

14、時(shí)，I=0，即：IL=IF。將I=0代入光電池的電流電壓方程，得開(kāi)路電壓為： (1.4)（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。顯然，短路電流等于光生電流，即：Isc=IL (1.5) (3)填充因子FF 在光電池的伏安特性曲線任意工作點(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積，其中只有一點(diǎn)是輸出最大功率，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。填充因子定義為： (1.6)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。特性好的太陽(yáng)能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽(yáng)能電池，也就是Voc，Isc和FF

15、乘積較大的電池。對(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng)在0.7-0.85范圍之內(nèi)。 （4）太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率Eff 表示入射的太陽(yáng)光能量有多少能轉(zhuǎn)換為有效地電能。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)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。1.3 影響太陽(yáng)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。結(jié)果是可期望在某一個(gè)

16、確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽(yáng)電池效率的峰值。二、溫度隨溫度的增加，效率Eff下降。Isc對(duì)溫度T很敏感，溫度還對(duì)Voc起主要作用。對(duì)于Si，溫度每增加1，Voc下降室溫值的0.4%，Eff也因而降低約同樣的百分?jǐn)?shù)。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。又如GaAs電池，溫度每升高1，Voc降低1.7mv 或降低0.2%。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。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。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。長(zhǎng)

17、壽命也會(huì)減小暗電流并增大Voc。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。在加工過(guò)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(zhǎng)壽命。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。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(jué)倍，同時(shí)VOC也隨著增加(kT/q)lnX倍。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。五、摻雜濃度及剖面分布對(duì)Voc有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。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。摻雜濃度愈高，Voc愈高。一種稱為重?fù)诫s效

18、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。既然（Nd）eff和（Na）eff顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的Nd和Na不會(huì)再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會(huì)減小。目前，在Si太陽(yáng)電池中，摻雜濃度大約為1016cm-3，在直接帶隙材料制做的太陽(yáng)電池中約為1017 cm-3，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 cm-3，因此重?fù)诫s效應(yīng)在擴(kuò)散區(qū)是較為重要的。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(huì)建立起一個(gè)電場(chǎng)，其方向能有助于光生載流子的收集，

19、因而也改善了ISC。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。圖1.4 高摻雜效應(yīng)六、表面復(fù)合速率如左圖，在P/P+結(jié)處的電場(chǎng)妨礙電子朝背表面流動(dòng)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。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。一種稱為背表面場(chǎng)（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。圖 1.5 表示了這種結(jié)構(gòu)，在P/P界面圖1.5 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 (1.7)其中N+a，Dn和Ln+分別是P區(qū)中的摻雜濃度

20、、擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度。如果Wp+=0，則Sn=，正如前面提到的。如果Wp+與Ln+能比擬，且N+a>>Na，則Sn可以估計(jì)零，Sn對(duì)JSC、Voc和Eff的影響見(jiàn)圖 1.6。當(dāng)Sn很小時(shí)，Jsc和Eff都呈現(xiàn)出一個(gè)峰。 圖1.6 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、金屬接觸柵或電池體電阻。不過(guò)通常情況下，串聯(lián)電阻主要來(lái)自薄擴(kuò)散層。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，這就是一條存在電阻的路線，顯然通過(guò)金屬線的密布可以使串聯(lián)電阻減小。一定的串聯(lián)電阻RS的影響是改變IV曲線的位置。八、金屬柵和光反射

21、在前表面上的金屬柵線不能透過(guò)陽(yáng)光。為了使Isc最大，金屬柵占有的面積應(yīng)最小。為了使RS小，一般是使金屬柵做成又密又細(xì)的形狀。因?yàn)橛刑?yáng)光反射的存在，不是全部光線都能進(jìn)入Si中。裸Si表面的反射率約為40%。使用減反射膜可降低反射率。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為Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。對(duì)太陽(yáng)光，采用多層涂層能得到更好的效果。2 模擬軟件AMPS-1D的介紹AMPS-1D（A One-Dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and

22、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。 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(lái)計(jì)算光伏電池、光電探測(cè)器等器件的結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)物理特性。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)。AMPS允許使用者通過(guò)發(fā)覺(jué)和比較能帶圖，電流分量，載流子的復(fù)合、產(chǎn)生，電場(chǎng)分布圖，學(xué)會(huì)器件為什么對(duì)給定的條

23、件會(huì)有特定的響應(yīng)。如圖2.1，為AMPS的界面：圖2.1（a） AMPS主界面圖2.1（b） 器件各層的參數(shù)設(shè)置界面圖2.1（c） 器件各層的光譜特性 AMPS-1D可以用來(lái)模擬一系列的器件結(jié)構(gòu)，如：n 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n 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)n 多結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)n 多結(jié)微電子結(jié)構(gòu)n 多級(jí)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器和太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)n 多級(jí)結(jié)構(gòu)的微電子結(jié)構(gòu)n 新型微電子、光伏效應(yīng)、光電感應(yīng)器件結(jié)構(gòu)n 具有可選襯底層的肖特基勢(shì)壘器件從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I-V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)

24、算。對(duì)于太陽(yáng)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。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。如先前所給出的，AMPS的多功能性可以用來(lái)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。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。3 單晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬3.1 單晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及單晶硅性質(zhì)硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅大陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。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。現(xiàn)在

25、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(kāi)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。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。在此方面，德國(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。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)。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(guò)改進(jìn)了的電鍍過(guò)程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過(guò)以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過(guò)23%，是大值可達(dá)233。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1944%，國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行

26、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19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm X 5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)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。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

27、粒平行結(jié)合起來(lái)便結(jié)晶成單晶硅。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。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在超純單晶硅中摻入微量的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。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。下圖為單晶硅晶胞結(jié)構(gòu)：圖 3.1 單晶硅的晶胞結(jié)構(gòu)3.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果3.2.1 單晶硅的性能參數(shù)表3.1 單晶硅的性能參數(shù)介電常數(shù)11.9本征載流子濃度（cm-3）1.02*1010電子遷移率（cm2/V/s）14

28、50空穴遷移率（cm2/V/s）500禁帶寬度（eV）（300k）1.12載流子壽命（us）130導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度Nc（cm-3）2.8*1019導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度Nv（cm-3）1.1*1019電子親和能（eV）4.05功函數(shù)（eV）4.60 3.2.2 單結(jié)型改變厚度考慮頂層為N區(qū)的情況（如圖 3.2），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3.2 頂層為n型單結(jié)單晶硅太陽(yáng)能厚度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置前端接觸電勢(shì)PHIBO（eV）0.1前端電子復(fù)合速率SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴復(fù)合速率SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率RF0后端接觸電勢(shì)PHI

29、BL（eV）1后端電子復(fù)合速率SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴復(fù)合速率SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率RB0.6P區(qū)摻雜濃度（cm-3）1.00E+19N區(qū)摻雜濃度（cm-3）1.00E+18圖3.2 np（頂層為n型）型單晶硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖可得到如下結(jié)果：圖 3.3(a) 轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化圖 3.3（b） 短路電流和開(kāi)路電壓隨厚度的變化從圖 3.4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(kāi)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。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

30、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、200000nm處，其效率為：32.331%，F(xiàn)F為：0.839，J-V特性及能帶圖如圖3.4：圖 3.4（a） 單結(jié)單晶硅最佳值J-V特性圖 3.4（b） 單結(jié)單晶硅最佳值能帶圖3.2.3 單結(jié)型改變摻雜濃度當(dāng)n、p區(qū)厚度分別為100nm、200000nm時(shí)，改變n、p區(qū)的摻雜濃度，濃度從1017 cm-3增加到5*1019cm-3,模擬中所用到的參數(shù)如下：表3.3 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）0.1前端電子復(fù)合速率SNO(cm/s)1.00E+

31、07前端空穴復(fù)合速率SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率RF0后端接觸電勢(shì)PHIBL（eV）1后端電子復(fù)合速率SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴復(fù)合速率SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率RB0.6N區(qū)厚度（nm）100P區(qū)厚度（nm）200000 圖 3.5（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圖 3.5（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 3.4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

32、5*1016cm-3但是短路電流卻隨著摻雜濃度的增加而減小,到高摻雜2.5*1019cm-3時(shí)短路電流卻突然增大。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(kāi)路電壓。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1019cm-3。3.2.4 改變結(jié)構(gòu)背面加入一層p+層形成背電場(chǎng)后的轉(zhuǎn)化效率及能帶圖如圖3.6（圖3.6(a) 中黑線為加入背電場(chǎng)后的曲線，為了對(duì)比，紅線為相同厚度單結(jié)單晶硅的曲線），其中n、p、p+層厚度分別為100nm、200000nm、2000nm，摻雜濃度分別為1019cm-3、5*1016cm-3、10

33、19cm-3。轉(zhuǎn)化效率Eff:34.52%，F(xiàn)F:0.838，Jsc：60.961mA/cm2,Voc:0.674V,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。圖3.6（a） 加入背電場(chǎng)雙結(jié)單晶硅J-V圖圖 3.6（b） 加入背電場(chǎng)雙結(jié)單晶硅能帶圖3.3 結(jié)論通過(guò)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)，就已經(jīng)幾乎達(dá)到穩(wěn)定值，所以，在單晶硅太陽(yáng)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

34、厚度兩個(gè)參數(shù)中選取折中。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。當(dāng)背面加上一層p+結(jié)時(shí)，形成一層背面電場(chǎng)，p/p+結(jié)可以有效的阻止少數(shù)載流子電子的通過(guò)，而允許多數(shù)載流子空穴通過(guò)，增加了載流子搜集率，這樣就提高了短路電流和開(kāi)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，p-p+結(jié)有利于多子空穴向電極方向流動(dòng)，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。

35、4 多晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬4.1 多晶硅太陽(yáng)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(wú)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)24.7%，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(yáng)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(yáng)能電池的大規(guī)模應(yīng)用，電池轉(zhuǎn)換效率是最關(guān)鍵的參數(shù)，已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為20.3%。多晶硅太陽(yáng)能電池較單晶硅太陽(yáng)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(jiǎn)稱晶界）。晶界是一個(gè)晶向的晶粒向另一個(gè)晶向的晶粒的過(guò)渡區(qū)，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子呈

36、無(wú)序排列，其厚度通常為幾個(gè)原子層。晶界存在著各種界面態(tài)、界面勢(shì)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(huì)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。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。4.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果4.2.1 多晶硅的性能參數(shù)表4.1 多晶硅的材料性能參數(shù)介電常數(shù)11.9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）1.12電子親

37、和能（eV）4.05導(dǎo)帶狀態(tài)密度Nc（cm-3）2.8E+19價(jià)帶狀態(tài)密度Nv（cm-3）1.04E+19 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。下圖顯示多晶硅電池的兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶粒是任意方向時(shí)，則只有最上層的晶粒對(duì)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(duì)電池的輸出特性沒(méi)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(guò)程中都能通過(guò)p-n結(jié)被收集，不會(huì)通過(guò)晶界產(chǎn)生復(fù)合，因此整個(gè)電池的厚度都對(duì)輸出有貢獻(xiàn)，晶界復(fù)合對(duì)載流子的壽

38、命的影響可以忽略，因此多晶硅太陽(yáng)能電池的性能類似于單晶硅太陽(yáng)能電池。 圖4.1 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)：n 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；n 忽略晶粒結(jié)構(gòu)的其他不完整性；n 晶粒內(nèi)的摻雜濃度均勻，且在室溫下雜質(zhì)全部電離；n 晶粒間界處的摻雜雜質(zhì)全部為非電激活；n 忽略晶界厚度的影響（一般為幾個(gè)原子層厚度）；n 假設(shè)晶界是部分耗盡的；n 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;當(dāng)背面為歐姆接觸時(shí)，背面復(fù)合速

39、率考慮為Sn=1*107cm/s,以便接近更實(shí)際的情況。4.2.2 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4.2 頂層為n型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能厚度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置前端接觸電勢(shì)PHIBO（eV）1.0前端電子復(fù)合速率SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴復(fù)合速率SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率RF0后端接觸電勢(shì)PHIBL（eV）0.2后端電子復(fù)合速率SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴復(fù)合速率SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率RB0.6圖4.2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1019cm-3,p區(qū)摻雜濃度為

40、5*1016cm-3：圖 4.2(a) 頂層為n型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨厚度的變化圖 4.2(b) 頂層為n型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開(kāi)路電壓隨厚度的變化由圖4.2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。np區(qū)厚度分別為100nm、200000nm時(shí)的各項(xiàng)輸出參數(shù)如圖4.3：圖4.3(a) 單結(jié)多晶硅最佳值的J-V曲線圖4.3(b) 單結(jié)多晶硅最佳值的能帶圖4.2.3 改變摻雜濃度 把n、p區(qū)的厚度分別設(shè)為100nm、200000nm，n區(qū)的摻雜濃度為1019cm-3，所用參數(shù)設(shè)置如下：表4.3

41、頂層為n型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能電池濃度改變時(shí)電池參數(shù)設(shè)置前端接觸電勢(shì)PHIBO（eV）1.0前端電子復(fù)合速率SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴復(fù)合速率SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率RF0后端接觸電勢(shì)PHIBL（eV）0.1后端電子復(fù)合速率SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴復(fù)合速率SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率RB0.6得到的模擬結(jié)果如下：圖 4.4(a) 頂層為n型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率與填充因子隨濃度的變化圖 4.4(b) 頂層為p型單結(jié)多晶硅太陽(yáng)能電池短路電流與開(kāi)路電壓隨濃度的變化由上圖可知：隨著p區(qū)摻雜濃度的增加，電池各項(xiàng)因子都先有稍微增長(zhǎng)，

42、隨后基本不變，所以為了減小摻雜所帶來(lái)的缺陷，可以將p區(qū)濃度設(shè)置為5*1016cm-3。4.2.4 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、20000nm、2000nm，摻雜濃度分別為1019cm-3、1018cm-3、1019cm-3,其J-V曲線（圖4.5（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：圖4.5(a) 單結(jié)型多晶硅與雙結(jié)型多晶硅的I-V曲線比較圖4.5(b) 加入背電場(chǎng)的能帶圖4.3 結(jié)論通過(guò)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

43、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)。隨濃度的變化關(guān)系也與單晶硅類似。加入背面電場(chǎng)后，轉(zhuǎn)化效率也同樣有稍微增加。但是如上所說(shuō)，本文中所模擬的多晶硅是一種理想狀況，即假設(shè)多晶硅的晶粒是柱狀的，并且垂直與受光面，這樣不必考慮晶粒間的載流子輸運(yùn)問(wèn)題。要制造出高效率的多晶硅太陽(yáng)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。5 非晶硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與模擬5.1 非晶硅太陽(yáng)能電池的研究概況及非晶硅性質(zhì)非晶硅由于高的吸收吸收，所以易制成薄膜電池，為了降低太陽(yáng)能電池單元的制造成本，首先，要減少材料消耗。結(jié)晶型太陽(yáng)能電池用厚度為0.

44、13mm0.15mm的單晶硅或多晶硅片，進(jìn)一步減薄受到強(qiáng)度的限制。而薄膜型太陽(yáng)能電池可用廉價(jià)的玻璃基片或柔性材料作基片，吸收層厚度為微米級(jí)；其次，能減少制造過(guò)程中的能耗。單晶硅或多晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池用等離子體薄膜工藝只要300左右的溫度。還有，薄膜電池適合采用更大面積的基片。非晶硅太陽(yáng)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a-Si: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(kāi)始得到應(yīng)用。圖5.1 非晶硅結(jié)構(gòu)CRN模型圖5.2 某些半導(dǎo)體材料的光吸

45、收系數(shù)非晶硅太陽(yáng)能電池之所以受到人們關(guān)注和重視，是因?yàn)橐幌聝?yōu)點(diǎn)：1.非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)（如圖5.2）。特別是在0.3-0.75um的可見(jiàn)光波段，它的吸收系數(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)。因而他比單晶硅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率要高40被左右，用很薄的非晶硅膜（約1um厚）就能吸收90%有用的太陽(yáng)能。2.非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5eV-2.0eV的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓高。3.制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，沉積溫度低，時(shí)間短，適于大批生產(chǎn)。制作單晶硅電

46、池一般需1000以上的高溫，而非晶硅的制作僅需200左右。4.由于非晶硅沒(méi)有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底的晶格失配問(wèn)題。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。5.制備非晶硅太陽(yáng)能電池能耗少，約100千瓦小時(shí)，能好的回收年數(shù)比單晶硅太陽(yáng)能電池短得多。5.2 設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果5.2.1 非晶硅的性能參數(shù) 非晶硅的各個(gè)參數(shù)如下：表5.1 非晶硅材料的性能參數(shù)介電常數(shù)11.9電子遷移率（I層）（cm2/V/s）20空穴遷移率（I層）（cm2/V/s）2電子遷移率（摻雜層）（cm2/V/s）10空穴遷移率（摻雜層）(cm2/V/s

47、)1禁帶寬度（eV）（300k）1.8電子親和能（eV）4.00導(dǎo)帶狀態(tài)密度Nc2.5E+20價(jià)帶狀態(tài)密度Nv2.5E+20 在以下的模擬中，若無(wú)特別說(shuō)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5.2 各層中加入的高斯缺陷施主型受主型NDG(cm-3)9.50E+18NAG(cm-3)9.50E+18EDONG(eV)1.12EACPG(eV)1.02WDSDG(eV)0.15WDSAG(eV)0.15GSIG/NG(cm2)1.00E-14GSIS/NA(cm2)1.00E-15GSIG/PD(cm2)1.00E-15GSIS/PA(cm2)1.00E-145

48、.2.2 p-i-n型設(shè)計(jì)與模擬5.2.2.1 p-i-n型改變厚度考慮雙結(jié)結(jié)構(gòu)（即p-i-n結(jié)）如圖 5.3，頂層為P層，與討論單晶硅同樣的方法，先改變各層的厚度。圖5.3 典型非晶硅太陽(yáng)能電池的p-i-n結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)P層、N層厚度相同，只改變I層的厚度，模擬所用參數(shù)如下：表5.3 p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池厚度改變時(shí)參數(shù)設(shè)置前端接觸電勢(shì)PHIBO（eV）1.54前端電子復(fù)合速率SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴復(fù)合速率SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率RF0后端接觸電勢(shì)PHIBL（eV）0.2后端電子復(fù)合速率SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴復(fù)合速率SPL(cm

49、/s)1.00E+07后端反射率RB0.6P區(qū)摻雜濃度（cm-3）1.00E+19N區(qū)摻雜濃度（cm-3）1.00E+19固定p區(qū)n區(qū)的厚度，增加i區(qū)厚度，所得模擬結(jié)果圖5.4：圖 5.4(a) p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨電池厚度的變化圖 5.4(b) p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開(kāi)路電壓隨電池厚度的變化如圖5.4所示，與單晶硅、多晶硅及非晶硅單結(jié)時(shí)不同，四項(xiàng)電池輸出參量隨厚度的增加，都有一個(gè)峰值，這個(gè)峰值在i層厚度在200nm左右時(shí)取得。其中對(duì)于填充因子來(lái)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

50、斷減少。對(duì)于開(kāi)路電壓來(lái)講,剛開(kāi)始50nm時(shí),有一個(gè)峰值,可能是由于此時(shí)i層阻礙了空穴電子的復(fù)合,使得開(kāi)路電壓有所增大。而后，開(kāi)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。與單晶硅與多晶硅相比，也可以得知，禁帶寬度直接影響最大光生電流即短路電流的大小。由于太陽(yáng)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導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，從而形成光生電流。所以材料禁帶寬度小，小于它的光子數(shù)量就多，獲得的短路電流就大。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。其次，禁帶寬度又直接影響開(kāi)路

51、電壓的大小。開(kāi)路電壓的大小和P-N結(jié)反響飽和電流的大小成反比。禁帶寬度越大，反向飽和電流越小，開(kāi)路電壓越高。200nm以后，各項(xiàng)參數(shù)值都下降。所得效率最大一組值是p、i、n層厚度分別為5nm、200nm、5nm時(shí)：Eff(%)15.942Jsc(mA/cm2)24.686FF0.696Voc(V)0.927非晶硅p-i-n型太陽(yáng)能電池的J-V曲線及能帶圖如圖5.5:圖5.5(a) 非晶硅單結(jié)型與p-i-n型J-V曲線的比較圖5.5(b) 非晶硅p-i-n型能帶圖5.2.2.2 p-i-n雙結(jié)型改變摻雜濃度所用參數(shù)如表5.4所示：表5.4 p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池濃度改變時(shí)參數(shù)設(shè)置前端接觸電

52、勢(shì)PHIBO（eV）1.54前端電子復(fù)合速率SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴復(fù)合速率SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率RF0后端接觸電勢(shì)PHIBL（eV）0.2后端電子復(fù)合速率SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴復(fù)合速率SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率RB0.6P區(qū)厚度（nm）5i區(qū)厚度（nm）200N區(qū)厚度（nm）5 以下分兩種情況來(lái)討論摻雜濃度變化對(duì)其各項(xiàng)因子的影響，即改變n型基區(qū)濃度與改變p型頂區(qū)(即發(fā)射區(qū))濃度： 一、固定各層厚度,固定p區(qū)濃度為1019cm-3,改變n區(qū)濃度, 所得模擬結(jié)果見(jiàn)圖5.6 ：圖 5.6(a) p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電

53、池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨n區(qū)摻雜濃度的變化圖 5.6(b) p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開(kāi)路電壓隨n區(qū)摻雜濃度的變化如圖5.7所示,轉(zhuǎn)化效率、填充因子以及開(kāi)路電壓都隨著p、n層摻雜濃度的增加而增大，最后增加趨致緩慢。而短路電流先隨著摻雜濃度增加而減小，在大概1*1019cm-3時(shí)，有最小值，而隨后又開(kāi)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。隨著摻雜濃度的增加，p-i結(jié)、i-n結(jié)形成的內(nèi)建電勢(shì)會(huì)比較大，所以開(kāi)路電壓就會(huì)比較高，同時(shí)由于摻雜濃度提高，自由載流子的數(shù)目也會(huì)增多，費(fèi)米能級(jí)距導(dǎo)帶就會(huì)越近，所以可以更充分的吸收光子，增大轉(zhuǎn)化效率。二、固定各層厚度為5nm、200nm、5nm，固定n區(qū)濃度為1019cm-3，只改變p區(qū)濃度，所得模擬結(jié)果如下：圖 5.7(a) p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率及填充因子隨p區(qū)摻雜濃度的變化圖 5.7(b) p-i-n型非晶硅太陽(yáng)能電池短路電流及開(kāi)路電壓隨p區(qū)摻雜濃度的變化如圖5.7所示，電池的轉(zhuǎn)化效率及填充因子都隨著頂區(qū)摻