PC1D参数设置.doc

PC1DPC1D 模拟软件的优缺点PC1D 模拟软件具有如下优点. 1) 对计算机软、硬件的要求都较低, 能够在个人电脑(只要CPU有内置算术协同处理器就行)上运行, 无需使用专用的服务器. PC1D5.0 版本是32-bit 程序, 运行环境要求是Windows95/Windows NT 或以上的操作系统. 现在的个人电脑几乎都能满足运行PC1D 的要求. 2) 采用对用户友好的Windows 操作界面, 简单、直观、易于使用. 例如Parameter 视图界面左边提供模拟参数列表, 右边提供被模拟器件的结构图, 当改变参数设置时两者实时提供视觉反馈. 3) 可输出多种物理量的关系图, 譬如载流子浓度、电流密度、产生与复合率、电势和场强等物理量与位置的关系曲线、光照I-V特性及功率曲线、量子效率与反射率曲线等, 这对于全面分析太阳电池的性能很有帮助. 4) 更强大的模拟功能、更大的灵活性和更宽的适用性. 可以对最多5 个区组成的太阳电池进行模拟, 每个区可使用不同的材料及参数设置; 支持两次扩散, 杂质分布可选择均匀分布、指数分布、高斯分布、余误差函数分布或者直接使用实测杂质分布数据的外部文件; 可以对电池前、后表面织构、表面蒸镀单层或多层减反射膜等陷光结构进行模拟, 可以设置光在电池内部前、后表面的反射特性(漫反射或镜面反射及两次反射率的值), 可以使用实测的电池表面反射率的外部文件;可以最多设置4 个二极管或并联电阻这样的内部分流元等. 5)更准确的性能预测结果和更快的收敛速度.经过20 多年不断丰富和完善所使用的物理模型、材料特性参数和数值模拟计算方法等, 如今PC1D 对太阳电池性能的模拟既快又准, 特别是对晶体硅太阳电池的模拟具有极高的准确性和可靠性.PC1D 模拟软件的缺点主要表现在: 1) PC1D 没有包含反映氢化非晶硅材料的特性参数和物理模型,因此不能对包含氢化非晶硅材料的太阳电池进行模拟; 2) PC1D 是一维模拟软件, 决定了它不能对具有二维或三维结构不均匀性的太阳电池譬如BPC(backside point contact)电池和EWT (emitter wrapthrough)电池进行精细地数值模拟. 当然, 可使用等价结构或有效参数等方法把它们转化成一维器件,然后利用PC1D 对它们进行数值模拟研究.PC1D 模拟软件进行器件模拟的物理基础PC1D 是通过求解太阳电池中电子和空穴在准一维传输时所满足的如下半导体基本方程进行器件模拟的.PC1D 利用有限元方法求解上述3 个基本方程,从而实现对太阳电池的器件模拟. 具体做法如下: 首先将厚度L 的一维太阳电池分割(或离散)为M个单元.然后在每个长度单元内求解这3 个基本方程. 由于相邻单元在分割点(或节点)位置上的n, p 和y 值相等,这样就把每个长度单元上的3 个基本方程联系(或耦合)在一起. 每个长度单元内的光生载流子的产生率根据材料的光吸收特性和AM1.5G 光谱计算, 复合率则根据直接复合、Auger 复合和通过带隙态的Schockley-Read-Hall 复合的有关公式计算三者的和.除了上述方程以外, 每个边界处还存在3 个分别以电中性条件、偏置电压和表面复合为基础建立的方程,因此, 对于M 个单元, 总共有包含3(M+1)个变量的3(M+1)个方程. PC1D 软件使用迭代法求解这3(M+1)个完全耦合非线性方程构成的方程组. 通过人为给定初始条件, PC1D 软件首先对给定初始条件下的完全耦合非线性方程组求解, 然后以本次n, p 和y 的解构造新的n, p 和y , 再代入到完全耦合非线性方程组;通过重复这种数值迭代过程, 直到所有方程都收敛（或达到自洽), 这样就得到了太阳电池性能的数值模拟解.边界条件是求解微分方程的必要条件，PC1D 模拟软件模拟太阳能电池的三个边界条件如下:( a) 在电池表面无金属接触的位置，扩散和复合平衡，表面钝化很差时，表面少数载流子数目为0;( b) 和金属接触的位置，少数载流子立即复合消失，数目为0;( c) 在耗尽区电场作用下，耗尽区边界处的少数载流子数目为0。我们首先举一个具体的例子来说明PC1D的参数设置，在后面再具体介绍每一项的设置（有些参数设置还不确定对不对，可能理解上有点偏）：第一种结构：材料是单晶硅，衬底为P型，前端N型重掺杂，N型掺杂厚度为0.1049u,电池厚度为200u，其它具体参数如下： Device area 100 cm2Front surface texture depth 3 mExterior front reflectance 5%Facet angle 54 74Base contact 8 07 10 3 Thickness 200 mP-type background doping 1 513 e16 cm 31st front diff N-type 2 87e20 cm 3Emitter junction depth 0 2999 mBulk recombination 13 6 sFront-surface recombination S model Sp = 25000 cm/sRear-surface recombination S model Sn = 1 106 cm/s经计算：填充因子=0.724A、 减反膜厚度，电压电流会有细微变化，厚度增大，则电流和功率会缓慢上升，另外一个与之对应的参数是表面反射率，不同的材料通过反射率来描述（具体材料的反射率还需要查资料），反射率越小，输出特性越好，所以找准材料比较重要，材料的反射率和减反膜厚度应该是对应的，有一个最佳匹配值；B、 接触端的电阻和内部电导率对输出影响也比较大，这两个参数应该电池厚度和掺杂浓度对应的，具体对应关系还需要进一步学习和计算；PC1D软件模拟过程中可以按照个人意愿更改，接触电阻越大，输出电压电流越小，电导越大，也使电压电流变小；C、 还有一些影响因素是体复合时间，时间长代表复合率低，对电池的输出特性有较大好处，我们应该想办法使复合率变低；D、 电池的掺杂浓度也需要注意，比如这一个结构中所掺杂的浓度值算是最佳匹配了，增加或者减小N型或者衬底的掺杂浓度最终都会使电池的输出电压电流变小，主要原因是浓度越高，材料的晶格闪射震动等问题越严重，这对载流子的输运收集不利，浓度低了激发出的电子空穴又少，所以浓度匹配比较重要；在前面的结构上进行优化，增加一个铝背场P + 层，即：1st rear diff:P-type,8e18(根据目前生产情况，一般都取这个掺杂浓度），厚度为5u，（PC1D里面没有直观地将铝反映到电池结构图中，而是根据几组方程计算一个数值，以数值的形式代替实际的材料）P + 层的厚度和浓度的变化会对输出特性有一定程度的影响，这个还没有进行模拟，得到：和前面没有设置背电场相比，电流增大了0.35A，电压增大了0.0113V，功率增大了0.191W，由此可见，增加一个背电场对电池的性能有很大提高。*改变电池厚度输出电压电流也跟着变化，这次模拟的是单晶硅太阳能电池，改变中间层厚度应该不是之前所理解的I层厚度，因为中间层不是本征的，单晶硅一般不说PIN结构的，PIN结构很多在多晶硅和非晶硅电池里面出现。PC1D参数设置1、 front surface texture depth这个可以设置前后表面的膜，首先在相应的项前面打钩，角度一般设置为自然角度54.74，至于厚度，这个是一个可变量，根据电池还有材料等等的不同会有不同的匹配值，至于具体关系我们还没有总结出来，还有一点就是我们弄不清楚怎样自己设置膜材料，貌似软件里面没有这一项，但是很多电池的表面膜材料都是可变的。2、 surface charge这一项的设定得看表面有没有静电荷，表面富集电荷的话会引起能带弯曲，没有就设成neutra，如果有静电荷的话就设成charged 或者barrier，charged是把表面电荷密度当做一个常数，而barrier是把表面电场当做常数，我们前面的模拟中都是直接设成neutra的。3、 exterior front reflectance enable这个对话框设置的是反射率，我觉得front external应该是跟front surface texture有关系的，绒面的材料还有厚度有其相对应的反射率，所以目前有很多研究都是围绕减反膜进行的，减反膜的改进能是一个提高太阳能电池效率的很好的研究方向，至于反射率的确定，就得查找绒面材料的特性参数了；rear external我们不设置，默认为0吧，这个以后仿真还需要查资料改进的；还有就是internal refletcance 我们设置如下：目前一般都是上面这组数据，我们模拟时也是用这一组数据的。5、 emitter contact enable,base contact ,internal conductor电路连接给出的对话框，用来设定器件的emitter、base、collector等部分的电极接触的位置。这里的设置的位置，就是相对于器件表面的距离，如果给出的值大于器件的总厚度，那么系统会自动认为电极接触的位置在器件的背面。如果设定的接触位置在器件中间（不是表面和背面时）某一确定的位置，那么实际电极接触的位置相对于设定值会有一个较小的距离，这是为了使得此接触点处于有限元之间的某一节点位置。缺省设置为：emitter接触位置为0，base接触位置为10000um。在同一个对话空中，也可以设定三种电极接触的internal串联电阻，为了数值计算的需要，串联电阻的值要高于1微欧姆。串联电阻的值会影响器件的IV特性。至于各个电阻值，这个跟掺杂浓度是有关系的，还跟器件的厚度有关系，至于具体关系式，还没有查到，不过一般都是非常小的值，零点几欧姆那样比较正常,如果设置的值过大，对输出特性影响非常明显，因此电池厚度的确定也是很重要的，根据经验可以总结出下面几点：a、串联电阻=体电阻+方阻+接触电阻+电极电阻（包括发射极电阻和基极电阻）；b、体电阻跟原材料有关；c、方阻跟掺杂浓度有关；下面介绍REGION这一块:1、 Thickness：是每一层的厚度（因为具体器件有的不知一层，上面举的例子是一层的）；2、 这个是材料选择，PC1D里面提供了多种半导体材料可供选择（不过具体怎样添加新材料还不知道，尝试了几次都没有添加成功）不过选定材料后下图的这些选项的参数都与选定材料是对应的，就好比是一个固定的模型，材料选定了其他各项特征参数也就确定了：上面这些参数，比如禁带宽度什么的都是可以人为更改的3、这一项是设置衬底浓度和掺杂类型的，由于是一个N+PP+结构的电池，衬底浓度一般为这个值比较合适；4、这一项是设置前表面扩散的，看图可知可以做四种扩散，Peak是峰值掺杂浓度的位置，一般为0，这里默认为0了，depth是深度因子，如果是uniform那么就和结深相等了，其他几种掺杂是不等的；另外可以做两次扩散，但是第二次扩散我们试过很多次都没有效果，目前只会利用第一次扩散，厚度非常小，做重掺杂，相当于电极的作用（但是很多电池都是指定电极材料的，现在还没有找到添加材料的要领，根据对目前的一些PC1D模拟论文的理解，我觉得是每个材料对少子复合率，散射率的影响不同，通过设置不同的少子复合，反射率等参数代表不同的材料）；5、这个是设置后表面扩散的，也可以做两次扩散，情况也和前表面的一样，之前看到的论文后表面重掺杂相当于一个埋层的作用，较前表面扩散要厚一点，上面的例子是属于一个铝背场，铝背场就是在常规的电池背面增加一层P + 层，P + 区掺杂浓度大于衬底P 区的掺杂浓度，P + /P 高低结与常规的P-N 结不同，中间没有一层很窄的高阻区，电压降落在一个较宽的区域内，铝背场对于太阳能电池效率的提高也是有很大帮助的，但是软件里也没有明确指出有铝材料，应该是有默认模型的，属于金属和半导体的欧姆接触，电子复合速度为1e6，从别的论文里也能总结出这个规律，一般像电极或者是埋层等接触，并没有明确指出材料，而是通过电子复合速度来表现是什么接触；6、这几项可以在随意点击三个中的一个，在弹出如下的表中设置即可：里面的值都得根据掺杂情况去设定，不过指定材料后，扩散长度和少子寿命都会有一个范围的，在这个范围里也可以按照自己的意愿去设置更改，以方便比较少子扩散长度还有少子寿命对电池特性的影响对于少子扩散长度和电池厚度还是有很大关系的，电池厚度不应该大于少子扩散长度；PC1D激发模块：以上命令属于激发模块（EXCITATION）。主要负责设置太阳能电池的所处温度与所受光照等参数。下面我们具体解释每一个指令。1. 激发模式 画面中第一个选项是equilibrium（均衡）。选用后点击“OK”，面板上变为。第二个选项是Steady State（平稳状态）。此选项是面板的默认值。第三个选项Transient（暂态）。当选取该选项后有三个数值进入可调状态,如图：Number of time 表示瞬间激发的次数。Time step 表示每一次激发的用时。Time step at 表示在何时激发。2. 环境温度（默认300K）第一个选项为kalvin（开尔文K），以单位K计算温度。第二个选项为Celsius（摄氏度），以单位摄氏度计算温度。3. 基极电路（默认为无）Resistance 为电阻，为别有 “欧姆/平方厘米” 和 “欧姆” 两种单位。右侧Steady 和Transient表示稳态和暂态，但只有更改暂态时面板有变化，如图：4. 集电极电流（默认为无）设置方法与3.Base circuit相同5. 光源照射（默认为无）首先我