1、湖 北 大 学本 科 毕 业 论 文 （设 计）题 目 新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟 姓 名 彭 真 学 号 2006221105220021 专业年级 06 电 科 指导教师 高云 职 称 教授 2010 年 5 月 5 日湖北大学本科毕业论文（设计）I目 录绪论 .11 光伏太阳能电池的原理 .21.1 光电池的电流电压特性.21.2 描述太阳能电池的参数.31.3 影响太阳电池转换效率的因素.42 模拟软件 AMPS-1D 的介绍 .63 单晶硅太阳能电池的设计与模拟 .83.1 单晶硅太阳能电池的研究概况及单晶硅性质.83.2 设计与模拟结果.93.2.1 单晶硅的性能参数
2、.93.2.2 单结型改变厚度 .93.2.3 单结型改变掺杂浓度 .123.2.4 改变结构 .133.3 结论.144 多晶硅太阳能电池的设计与模拟 .154.1 多晶硅太阳能电池的研究概况及多晶硅性质.154.2 设计与模拟结果.154.2.1 多晶硅的性能参数 .154.2.2 单结型改变厚度 .164.2.3 改变掺杂浓度 .194.2.4 改变结构 .204.3 结论.215 非晶硅太阳能电池的设计与模拟 .215.1 非晶硅太阳能电池的研究概况及非晶硅性质.215.2 设计与模拟结果.235.2.1 非晶硅的性能参数 .235.2.2 p-i-n 型设计与模拟.235.2.3 改
3、变结构 .295.3 结论.30总结 .31参考文献 .32湖北大学本科毕业论文（设计）II新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟摘 要 本论文首先介绍了太阳能电池的光伏原理及其发展概况，并采用 AMPS-1D 软件模拟分析了单晶硅、多晶硅、和非晶硅太阳能电池的光伏特性与器件结构的关系。通过采取 PN 结和 PIN 结两种基本结构，改变各层厚度和掺杂浓度，研究厚度和掺杂对太阳能电池转化效率、填充因子、短路电流以及开路电压的影响。通过优化提出最佳电池结构设计。【关键词】硅基太阳能电池 模拟 AMPS-1D湖北大学本科毕业论文（设计）IIITHE MODELLING AND SIMULATION
4、OF NEW-TYPE SILICON-BASED SOLAR CELLABSTRACTThis thesis briefly introduced the basic PV mechanism and the development 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 param
5、eters used in the simulations were obtained from the reported experimental data. The basis structures were 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
6、 were studied. The best conversation efficiencies were obtained by optimizing the device structures.【Key words】 silicon-based solar cell, modelling, AMPS-1D simulation 湖北大学本科毕业论文（设计）1绪论自从 1983 年法国人贝克勒尔发现“光生伏特效应”以来，历经 100 多年的发展，太阳能电池技术已经发展成为了一个相当庞大的学科，同时伴随着产生了一个相当庞大的产业链。从产生技术的成熟度来区分，太阳能电池可以分成： 第一代太阳能
7、电池：晶体硅太阳能电池 第二代太阳能电池：各种薄膜太阳能电池，包括：非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si） 、碲化铬太阳电池（CdTe） 、铜铟镓硒太阳电池（CIGS） 、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池。 第三代太阳电池：各种叠层太阳能电池、热光伏电池（TPV） 、量子阱及量子点的超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转化太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。其中，第一代太阳电池已经进入大规模产业化阶段，有部分种类已经实现量产，但是技术成熟程度还有待提高。第三代太阳电池是向着超高效率的方向努力，具备真正突破现有技术瓶颈的概念，但是目前这种电池还只是
8、停留在概念及理论设计阶段，甚至没有成型的产品问世。太阳电池从所使用的材料来区分，又可区分为：硅基太阳电池：以硅材料为基本材质，其中包括：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、纳米硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、非晶硅/晶体硅异质结太阳电池。-族材料太阳电池：CdTe 太阳电池、CIGS 太阳电池。-族太阳电池：GaAs 系列多结太阳电池、热光伏太阳电池。染料敏化太阳电池：主要利用染料对于太阳电池光谱吸收的可变性，与二氧化钛材料组装在一起，制备成可供多种吸收波段的太阳电池器件。有机材料电池：正在开发使用有机材料制备出类似叶绿素的太阳电池。如果从来料方面来评价太阳电池在未来的地位
9、，人们有理由认为，只有硅基材料的太阳能电池在未来最有可持续性。因为硅在地球上的丰度为 26%，仅次于氧属于世界上第二丰富的材料，相比之下其他电池相关材料的丰度都有限，难以在太阳电池产业中形成支配性的地位。因此，在未来世界太阳电池的主流产品仍旧为硅基太阳电池。目前，由于使用了氮化硅反射膜技术，使得单晶硅太阳电池的效率达到 16.5%。而多晶硅电池使用了表面织构化技术、氮化硅减反射膜和表面钝化技术，其效率达到 14.5%-15%。由于硅基太阳电池和半导体行业的发展使得高纯硅材料的供应空前紧张，因此，主流太阳电池的产业化技术进展主要是进行硅片的超薄化，晶体太阳电池的厚度已经降到了 200-230um
10、，在近几年内还将继续下降到 180um。如此薄的硅片为太阳电池的制备增加了难度，指的制备技术有很大的改进，包括新型水平清洗技术、链式扩散技术、硼背场技术、激光去边技术等等。而且，也要求整条生产线具有更高的自动化水平，出现全自动的生产线，以降低破损率。太阳电池实验室技术也有了很大的进展。澳大利亚华裔科学家赵建华保持了单晶硅太阳能电池的最高纪录：24.7%。在这种太阳能电池技术中使用了倒金字塔结合双层减反射膜以降低表面的反射；采用了硼背场结合背表面钝化技术减少背表面的复合效应；采用了前后电极的选择性扩散以减少以减少欧姆接触。经过这些技术的改进才到达这样高的效率，这种效率已经非常接近晶体硅太阳电池的
11、理论效率。美国的 Sunpower 公司制备了一种将 P 型电极和 N 型电极全部做在背面的太阳能电池，大大提高了太阳电池的效率，使得产业化太阳电池的效率提高到 20%以上。日本的三洋公司用非晶硅的 PECVD 技术与晶体硅衬底相结合的太阳电池技术，制备出了 HIT 太阳电池，其效率达到21%以上，大面积产业化效率达到 19.3%。这种电池可以双面受光，制造成本较低。湖北大学本科毕业论文（设计）2本文主要用 AMPS-1D（A One-Dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Ph
12、otonic Structrues）软件 ,即一维光电子和微电子器件结构分析模拟程序，通过改变各层厚度以及掺杂浓度来分析单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的特性。1 光伏太阳能电池的原理1.1 光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流 IL，在光生电压 V 作用下的 pn 结正向电流 IF，流经外电路的电流 I。I L和 IF都流经 pn 结内部，但方向相反。如图 1.1：图 1.1（a） pn 结各电流示意图图 1.1（b） 光伏效应能带图设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数律下降。因而光生载流子产生率也随光照深入而减少，即产生率 Q 是 x 函数
13、。为了简便起见，用表示在结的扩散长度（Lp+Ln）内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度 Lp 内的空穴和 Ln 内的电子都能扩散到 p-n 结面而进入另一边，这样光生电流 IL应该是：IL=qA（Lp+Ln） (1.2)其中：A 是 p-n 结面积，q 为电子电量。光生电流 IL从 n 区流向 p 区，与 IF相反。如光电池与负载电阻连成通路，通过负载的电流应该是：I=IF-IL= ISexp(qV/kT)-1-IL (1.3)根据 p-n 结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=ISexp(qV/kT)-1 (1.1)其中：V 是光生电压，I S是反向饱和电流。左图分别是无光
14、照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。湖北大学本科毕业论文（设计）3图 1.2 光电池的伏安特性1.2 描述太阳能电池的参数不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用下图所示的电流-电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数图 1.3 光电池的伏安特性曲线（1）开路电压 Voc在 p-n 结开路情况下（R=） ，此时 pn 结两端的电压即为开路电压 Voc。这时，I=0，即：IL=IF。将 I=0 代入光电池的电流电压方程，得开路电压为：(1.4)1lnSLIqkTVoc（2）短路电流 Isc如将 pn 结短路（V=0） ，因而 IF=0,这时所得
15、的电流为短路电流 Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：Isc=IL (1.5)(3)填充因子 FF在光电池的伏安特性曲线任意工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，成为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压 Vop 和最佳工作电流 Iop。填充因子定义为：(1.6)scoscopIVPIFmax它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是 Voc，Isc 和 FF 乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在 0.7-0.85 范围之内。（4）太阳能电池的能量转化效率 Eff表
16、示入射的太阳光能量有多少能转换为有效地电能。即：Eff=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）*100%= （Vop*Iop/Pin*S）*100%湖北大学本科毕业论文（设计）4= Voc*Isc*FF/(Pin*S)其中 Pin 是入射光的能量密度，S 为太阳能电池的面积，当 S 是整个太阳能电池面积时，Eff 成为实际转换效率，当 S 是指电池中的有效发电面积时，Eff 叫本征转换效率。1.3 影响太阳电池转换效率的因素一、禁带亮度Voc 随 Eg 的增大而增大，但另一方面，Jsc 随 Eg 的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的 Eg 随处出现太阳电池效率的峰值。二、温度随温度的增
17、加，效率 Eff 下降。Isc 对温度 T 很敏感，温度还对 Voc 起主要作用。对于 Si，温度每增加 1，Voc 下降室温值的 0.4%，Eff 也因而降低约同样的百分数。例如，一个硅电池在 20时的效率为 20%，当温度升到 120时，效率仅为 12。又如 GaAs 电池，温度每升高 1，Voc 降低 1.7mv 或降低 0.2%。三、复合寿命希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做 Isc 大。在间接带隙半导体材料如 Si中，离结 100um 处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于 1us。在直接带隙材料，如GaAs 或 Gu2S 中，只要 10ns 的复合寿命就已足
18、够长了。长寿命也会减小暗电流并增大 Voc。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行工艺处理，可以使复合中心移走，因而延长寿命。四、光强将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设想光强被浓缩了 X倍，单位电池面积的输入功率和 Jsc 都将增加 X 倍，同时 VOC 也随着增加(kT/q)lnX 倍。因而输出功率的增加将大大超过 X 倍，而且聚光的结果也使转换效率提高了。五、掺杂浓度及剖面分布对 Voc 有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。虽然 Nd 和 Na 出现在 Voc 定义的对数项中，它们的数量级也是很容易改
19、变的。掺杂浓度愈高，Voc 愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的 Nd 和 Na都应以（Nd）eff 和（Na）eff 代替。既然（Nd）eff 和（Na）eff 显现出峰值，那么用很高的 Nd和 Na 不会再有好处，特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。目前，在 Si 太阳电池中，掺杂浓度大约为 1016cm-3，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为1017 cm-3，为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于 1019 cm-3，因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。当 Nd 和 Na 或（Nd）eff 和（Na
20、）eff 不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，因而也改善了 ISC。这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。湖北大学本科毕业论文（设计）5图 1.4 高掺杂效应六、表面复合速率低的表面复合速率有助于提高 Isc，并由于 Is的减小而使 Voc 改善。前表面的复合速率测量起来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表面场（BSF）电池设计为，在沉积金属接触之前，电池的背面先扩散一层 P附加层。图 1.5 表示了这种结构，在 P/P界面图 1.5 背表面场电池 存在一个电子势垒，它容易做到欧姆接触，在这里电子也被复合，
21、在 P/P界面处的复合速率可表示为(1.7)npnanLWDNScoth其中 N+a，Dn和 Ln+分别是 P区中的掺杂浓度、扩散系数和扩散长度。如果 Wp+=0，则 Sn=，正如前面提到的。如果 Wp+与 Ln+能比拟，且 N+aNa，则 Sn 可以估计零，Sn 对 JSC、Voc 和 Eff的影响见图 1.6。当 Sn 很小时，Jsc 和 Eff 都呈现出一个峰。图 1.6 背表面复合速率对电场参数的影响七、串联电阻在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。PN 结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近
22、的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。一如左图，在P/P+结处的电场妨碍电子朝背表面流动湖北大学本科毕业论文（设计）6定的串联电阻 RS 的影响是改变 IV 曲线的位置。八、金属栅和光反射在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使 Isc 最大，金属栅占有的面积应最小。为了使RS 小，一般是使金属栅做成又密又细的形状。因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si 中。裸 Si 表面的反射率约为 40%。使用减反射膜可降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为 1/4 波长、折射率等于 （n 为 Si 的折射率）的涂层能使反射率降为零。对
23、太阳光，采用多层涂层能得到更好的效果。2 模拟软件 AMPS-1D 的介绍AMPS-1D（A One-Dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structrues）软件,即一维光电子和微电子器件结构分析模拟程序，是由美国宾西法尼亚州立大学电子材料工艺研究实验室提供的一维固体器件模拟软件。 AMPS 采用牛顿拉普拉斯方法在一定边界条件下数值求解联立的泊松方程、电子和空穴的连续性方程，可以用来计算光伏电池、光电探测器等器件的结构与输运物理特性。AMPS 的主要目的是研究材料性质（如带隙、亲和势、掺杂浓度、迁移率、体内和表面能带状态缺陷分布）以及材料的设计及结构如何影响器件的物理特性，以及器件对光、偏压、以及温度的响应。AMPS 允许使用者通过发觉和比较能带图，电流分量，载流子的复合、产生，电场分布图，学会器件为什么对给定的条件会有特定的响应。如图 2.1，为 AMPS 的界面：图 2.1（a） AMPS 主界面
