异质结太阳能电池课程设计报告

1、武汉理工大学专业课程设计3（半导体物理）课程设计说明书目录1 技术指标12 基本原理12.1 背场的概念及作用12.2 异质结太阳能电池的结构及原理12.3 利用afors-het对微晶硅背场的模拟及优化43 参数描述43.1 电池固定参数53.2 电池可调参数53.3 电池性能参数54 调试过程及结论64.1 对afors-het数值模拟软件进行必要的了解64.2 np型异质结太阳能电池的模拟及优化64.2.1太阳能电池参数的设置以及模拟结果的观察记录64.2.2 系统的优化及比对记录74.2.3 数据的汇总分析及得出相应的结论74.3 pn型异质结太阳能电池的模拟及优化134.3.1太阳能

2、电池参数的设置以及模拟结果的观察记录134.3.2 系统的优化及比对记录144.3.3 数据的汇总分析及得出相应的结论154.4 np型与pn型异质结太阳能电池的比对及结论205 心得体会205.1 明确模拟与实际的区别205.2 对相关技术的深入认知205.3 个人的课设总结及感受206 参考文献20异质结太阳能电池微晶硅背场的模拟与优化1 技术指标设计a-si/c-si/uc-si太阳能电池，分析背场参数对异质结太阳能电池效率的影响。包括以下要求背场厚度对太阳能电池效率的影响；背场掺杂浓度对太阳能电池效率的影响；背场带隙对太阳能电池效率的影响；采用afors-het来进行模拟。 2 基本原

3、理采用afors-het数值模拟软件，对不同带隙的薄膜硅材料a-si（n）/c-si（p）及a-si（p）/c-si（n）异质结太阳电池上的背场效果进行模拟，分析影响背场效果的原因。2.1 背场的概念及作用背场是提高太阳电池效率的有效手段之一，通常是靠一层与吸收区掺杂类型相同，但掺杂浓度更高的掺杂层来实现。指可对光生少子产生势垒效果的区域，从而减少光生少子在背表面的复合。它不但可以提高光生电流，还可以在一定程度上提高光电压，因此说背场的选择对太阳电池的性能影响很大。2.2 异质结太阳能电池的结构及原理以np型为例，如下图1所示图1 np型异质结太阳能电池的结构图a-si/c-si异质结太阳电池

4、的基本结构是发射区/单晶硅基区/背场区，太阳光从发射区前面入射，进入单晶硅基区后被吸收，光生电子和空穴靠扩散输运到前面pn结区和背面高低结区，在结区空间电场的作用下分别向发射区和背场区漂移。在实际制作过程中，需要发射区尽可能具有高的导电率，低的光吸收，在保证pn结性能的情况下发射区尽可能薄，从而使光尽可能多的进入到单晶硅基区中，并在那里被吸收；对背场而言，希望利用的是高低结区对光生少子的背反作用，而这种作用主要取决于两边材料的能带匹配和掺杂浓度。尽管薄膜硅结构变化，其光电特性，如缺陷态密度，迁移率等也会变化，但由于在异质结太阳能电池上用作背场时，薄膜硅并不起光吸收的作用，所需的材料厚度也很小，

5、模拟结果表明这些性能的变化只对太阳电池性能有较弱的影响。影响异质结太阳能电池性能的最主要因素还是单晶硅基区的光电性质和前后两个结区的能带结构。从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在n型硅和p型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得n侧的电子越来越难以抵达p侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。如下图2所示图2 光伏电池中的电场效应 这个电场相当于一个二极管，允许

6、（甚至推动）电子从p侧流向n侧，而不是相反。它就像一座山电子可以轻松地滑下山头（到达n侧），却不能向上攀升（到达p侧）。这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到n侧，将空穴送到p侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（p侧），在那

7、里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。如下图3所示图3 光伏电池的工作原理 我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率会这么低？可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。但其他一些光子

8、的能量却很强。只有达到一定的能量单位为电子伏特（ev），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1ev）决定才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。2.3 利用afors-het对微晶硅背场的模拟及优化afors-het软件是德国一个研究所针对异质结电池专门研发的模拟软件，可以数值模拟各种结构因素对太阳能电池性能的影响。采用afors-het数值模拟软件，在已研究的异质结太阳能电池的基础上，加入一微晶硅背场，

9、来模拟微晶硅背场厚度，带隙和掺杂浓度对异质结太阳电池性能的影响，寻找微晶硅背场的最佳参数。文中采用微晶硅薄膜做背场的理由是，微晶硅是纳米晶硅，晶粒边界，空洞和非晶硅共存的混合相，具有掺杂效率高，电导率高，载流子迁移率大等特点，它既具有非晶硅的高吸收系数，同时又具有单晶硅稳定的光学性质，而且微晶硅的禁带宽度是可以随着晶相比变化连续可调，很容易得到与最高转化效率相对应的参数。3 参数描述在模拟优化过程中，有些参数是默认不变的，有些是通过设置为固定的数值来评判的，而有些参数是可调的，有些参数是通过模拟仿真得到的。总的来说，这些参数基本上可以分三大类：电池固定参数、电池可调参数及电池性能参数。3.1

10、电池固定参数默认的外观参数有光照条件am1.5，100mw/cm2; 有效光波波段为0.31.1um；太阳电池表面的理想反射率为0；a-si（n）层参数如下：层厚为5nm，介电常数为11.9，电子亲和势为4ev，带隙为1.74ev，有效导带密度为1e20cm-3，有效价带密度为1e20cm-3，电子迁移率为5cm2v-1s-1，空穴迁移率为1 cm2v-1s-1，受主掺杂浓度为0cm-3，施主掺杂浓度为2.5e19 cm-3，电子热速度为1e7cm*s-1，空穴热速度为1e7cm*s-1，层密度为2.328g*cm-3，电子俄歇复合系数为0cm6s-1，空穴俄歇复合系数为0cm6s-1，带间复

11、合系数为0cm3s-1，c-si（p）层参数如下：层厚为3e5nm，介电常数为11.9，电子亲和势为4ev，带隙为1.12ev，有效导带密度为2.8e19cm-3，有效价带密度为1.04e19cm-3，电子迁移率为1041cm2v-1s-1，空穴迁移率为412 cm2v-1s-1，受主掺杂浓度为1.5e16cm-3，施主掺杂浓度为0cm-3，电子热速度为1e7cm*s-1，空穴热速度为1e7cm*s-1，层密度为2.328g*cm-3，电子俄歇复合系数为2.2e-31cm6s-1，空穴俄歇复合系数为9.9e-32cm6s-1，带间复合系数为0cm3s-1，a-si（p+）的部分参数为：介电常数

12、为11.9，电子亲和势为4ev，有效导带密度为1e20cm-3，有效价带密度为1e20cm-3，电子迁移率为5cm2v-1s-1，空穴迁移率为1 cm2v-1s-1，施主掺杂浓度为0cm-3，电子热速度为1e7cm*s-1，空穴热速度为1e7cm*s-1，层密度为2.328g*cm-3，电子俄歇复合系数为0cm6s-1，空穴俄歇复合系数为0cm6s-1，带间复合系数为0cm3s-13.2 电池可调参数基于模拟仿真优化要接近实际的考虑，系统的每个参数都有一定的范围，该系统涉及的可调参数主要有三种：薄膜背场层厚5nm20nm；薄膜背场带隙宽度1.11.8ev；薄膜背场掺杂浓度1e22 cm-3；3

13、.3 电池性能参数电池性能参数依电池的基本参数设置的不同而变化，主要有四种反映电池性能的参数开路电压voc(mv)；短路电流jsc(ma/c)；填充因子ff(%)；转化效率(%)。4 调试过程及结论基于对afors-het数值模拟软件的完全陌生，整个过程主要分为四个阶段4.1 对afors-het数值模拟软件进行必要的了解afors-het软件是针对异质结电池专门研发的模拟软件，网络、书籍没有多少可以参考的内容作为依据。我首先对软件的外围按钮，标示性词汇进行了翻译、理解。然后对电池的各参数做了分析，理解其物理意义。最后找出设置电池参数的模块及模块各对话框对应的含义。4.2 np型异质结太阳能电

14、池的模拟及优化4.2.1太阳能电池参数的设置以及模拟结果的观察记录以两个pdf文档为主要依据，对发射区、吸收区的参数进行了设置，并根据自己的理解对某些参数做了必要的修改，设置的参数具体如下：然后进行模拟，记录仿真结果。得到如下结果：开路电压voc=647.7mv；短路电流jsc=35.96ma/ cm2；填充因子ff=82.74%；转化效率eff=19.27%。如下图4所示图4 a-si（n）/c-si（p）电池的iv曲线图4.2.2 系统的优化及比对记录增加背场，合理设置背场参数，其中背场厚度设置为10nm，背场带隙设置为1.4ev，背场掺杂浓度设置为5e19cm-3，得到如下结果：开路电压

15、voc=677.3mv；短路电流jsc=38.12ma/cm2；填充因子ff=83.97%；转化效率eff=21.68%。如下图5所示图5 加背场后a-si（n）/c-si（p）电池的iv曲线图然后设置三个可调参数中的两个不变，在合理范围内改变另一参数，如下所示表1 背场掺杂浓度的变化对太阳能电池性能的影响表2 背场带隙的变化对太阳能电池性能的影响表3 背场厚度的变化对太阳能电池性能的影响4.2.3 数据的汇总分析及得出相应的结论将太阳能电池加背场前后的性能指标做下汇总得到如下表4所示表4 加背场前后太阳能电池的性能参数比对从表中可以看出，相比未加背场的情况，加背场后反映电池性能的四个参数均有

16、所增加，优化后的最高转化效率是21.68%。将太阳能电池加背场前后的iv曲线做下对比，可以得到如下图6所示图6 加背场前后的iv曲线比对从图中可以直观的看到，相比于未加背场，加背场后电池的iv曲线更接近矩形，可以直观的看到加了背场后电池的填充因子变大，这说明电池的转化效率也随之增大。将三个可调参数中的背场厚度及背场掺杂浓度保持不变，在合理范围内改变背场带隙宽度参数，根据记录的数据，得到下图图7 背场带隙宽度对电池voc的影响曲线图8 背场带隙宽度对电池jsc的影响曲线图9 背场带隙宽度对电池ff的影响曲线图10 背场带隙宽度对电池eff的影响曲线由以上四图可以看出：随着背场带隙宽度的增加，电池

17、的四个性能指标开路电压voc，短路电流jsc，填充因子ff，转化效率eff均随之增加，当带隙宽度为1.35ev时，电池转化效率最高，达到21.68%。将三个可调参数中的背场厚度及背场带隙宽度保持不变，在合理范围内改变背场掺杂浓度参数，根据记录的数据，得到如下所示图12 背场掺杂浓度对电池voc的影响曲线图13 背场掺杂浓度对电池jsc的影响曲线图14 背场掺杂浓度对电池ff的影响曲线图15 背场掺杂浓度对电池eff的影响曲线由以上四图可以看出：随着背场掺杂浓度的增加，电池的四个性能指标开路电压voc，短路电流jsc，填充因子ff，转化效率eff均随之增加，当掺杂浓度的为5.00e+18cm-3

18、时，电池转化效率最高，达到21.68%。在掺杂浓度较低时，背反的作用还不明显，填充因子较低，通过提高掺杂浓度，可以实现良好的背场效果。将三个可调参数中的背场厚度及背场掺杂浓度保持不变，在合理范围内改变背场带隙宽度参数，根据记录的数据，得到如下所示图16 背场厚度对电池voc的影响曲线图17 背场厚度对电池jsc的影响曲线图18 背场厚度对电池ff的影响曲线图19 背场厚度对电池eff的影响曲线由以上四图可以看出：随着背场厚度的增加，开路电压、短路电流几乎没有变化，但电池效率逐渐降低，这主要是由于厚度增加，引起上下电极与太阳电池之间的体电阻增加，进而引起电池串联电阻增加，导致填充因子减小，电池效

19、率降低。当背场厚度为10nm时，电池转化效率最高，达到21.68%。4.3 pn型异质结太阳能电池的模拟及优化4.3.1太阳能电池参数的设置以及模拟结果的观察记录以两个pdf文档为主要依据，对发射区、吸收区的参数进行了设置，并根据自己的理解对某些参数做了必要的修改，设置的参数具体如下：然后进行模拟，记录仿真结果。得到如下结果：开路电压voc=622.7mv；短路电流jsc=-35.49ma/ cm2；填充因子ff=60.84%；转化效率eff=13.44%。如下图20所示图20 a-si（p）/c-si（n）电池的iv曲线图4.3.2 系统的优化及比对记录增加背场，合理设置背场参数，其中背场厚

20、度设置为5nm，背场带隙设置为1.7ev，背场掺杂浓度设置为2.5e19cm-3，得到如下结果：开路电压voc=663.9mv；短路电流jsc=-37.50ma/cm2；填充因子ff=79.83%；转化效率eff=18.69%。如下图21所示图21 加背场后a-si（n）/c-si（p）电池的iv曲线图然后设置三个可调参数中的两个不变，在合理范围内改变另一参数，如下所示表5 背场掺杂浓度的变化对太阳能电池性能的影响表6 背场带隙的变化对太阳能电池性能的影响表7 背场厚度的变化对太阳能电池性能的影响4.3.3 数据的汇总分析及得出相应的结论将太阳能电池加背场前后的性能指标做下汇总得到如下表8 加

21、背场前后电池性能的比对从表中可以看出，相比未加背场的情况，加背场后反映电池性能的四个参数数值大小均有所增加，优化后的最高转化效率是18.69%。将太阳能电池加背场前后的iv曲线做下对比，可以得到如下图22所示图22 加背场前后的iv曲线比对从图中可以直观的看到，相比于未加背场，加背场后电池的iv曲线更接近矩形，可以直观的看到加了背场后电池的填充因子变大，这说明电池的转化效率也随之增大。将三个可调参数中的背场厚度及背场掺杂浓度保持不变，在合理范围内改变背场带隙宽度参数，根据记录的数据，得到如下图23所示图23 背场带隙宽度对电池voc的影响曲线图24 背场带隙宽度对电池jsc的影响曲线图25 背

22、场带隙宽度对电池ff的影响曲线图26 背场带隙宽度对电池eff的影响曲线由以上四图可以看出：随着背场带隙宽度的增加，电池的四个性能指标开路电压voc，短路电流jsc，转化效率eff均随之增加，填充因子ff随之减小。当带隙宽度为1.5ev时，电池转化效率最高，达到18.69%。将三个可调参数中的背场厚度及背场带隙宽度保持不变，在合理范围内改变背场掺杂浓度参数，根据记录的数据，得到如下所示图27 背场掺杂浓度对电池voc的影响曲线图28 背场掺杂浓度对电池jsc的影响曲线图29 背场掺杂浓度对电池ff的影响曲线图30 背场掺杂浓度对电池eff的影响曲线由以上四图可以看出：随着背场掺杂浓度的增加，电

23、池的四个性能指标开路电压voc随之增加，短路电流jsc先下降后上升，填充因子ff随之先上升后下降再上升，转化效率eff随之增加，当掺杂浓度的为2.5e+19cm-3时，电池转化效率最高，达到18.69%。在掺杂浓度较低时，背反的作用还不明显，通过提高掺杂浓度，可以实现良好的背场效果。将三个可调参数中的背场厚度及背场掺杂浓度保持不变，在合理范围内改变背场带隙宽度参数，根据记录的数据，得到如下所示图31 背场厚度对电池voc的影响曲线图32 背场厚度对电池jsc的影响曲线图33 背场厚度对电池ff的影响曲线图34 背场厚度对电池eff的影响曲线由以上四图可以看出：随着背场厚度的增加，开路电压、短路

24、电流几乎没有变化，但电池效率先升高后又下降，这主要是由于厚度增加，引起上下电极与太阳电池之间的体电阻增加，进而引起电池串联电阻增加，导致填充因子减小，电池效率降低。当背场厚度为10nm时，电池转化效率最高，达到18.69%。4.4 np型与pn型异质结太阳能电池的比对及结论通过以上的数据及图形可以得到如下结论：相比之下np型太阳能电池比pn型具有更高的转化效率，因此现在实际应用的异质结太阳能电池多采用np型的。5 心得体会基于对软件和太阳能电池的理解，及对现在相关技术、产品的了解。总结得出经验教训及个人感受如下5.1 明确模拟与实际的区别afors-het数值模拟软件只是对异质结太阳能电池上的背场效果的模拟，但实际的太阳能电池需考虑更多的因素，掺杂各种影响。虽然模拟的np型转化效率可以较为容易达到23%以上，但实际生产的太阳能电池却很难达到这个数值，所以模拟时应尽可能的考虑更多的因素，以便更接近于实