新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟毕业论文

1、湖湖 北北 大大 学学本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 （设（设 计）计）题题 目目新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟 姓姓 名名 真真 学学 号号 2002120021 专业年级专业年级 0606 电电 科科 指导教师指导教师 高云高云 职职 称称 教授教授 20102010 年年 5 5 月月 5 5 日日I / 38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

2、硅太阳能电池的研究概况与单晶硅性质 83.2 设计与模拟结果 93.2.1 单晶硅的性能参数 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与多晶硅性质 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与非晶硅性质 215.2 设计与模拟结果 235.2.1 非晶硅

3、的性能参数 235.2.2 p-i-n 型设计与模拟 235.2.3 改变结构 295.3 结论 30总结 31参考文献 32新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟摘 要 II / 38本论文首先介绍了太阳能电池的光伏原理与其发展概况，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、短路电流以与开路电压的影响。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-1DTHETHE MODELLINGMODELLIN

4、G ANDAND SIMULATIONSIMULATION OFOF NEW-TYPENEW-TYPE SILICON-BASEDSILICON-BASED SOLARSOLAR CELLCELLIII / 38ABSTRACTABSTRACTThis 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 struct

5、ures 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 PN and PIN diodes. By varing the thickness and the doping concentration of various layers, the photoelectric conver

6、sation efficiency, fill factor, short circuit current and open circuit voltage were studied. The best conversation efficiencies were obtained by optimizing the device structures.KeyKey wordswordssilicon-based solar cell, modelling, AMPS-1D simulation 1 / 38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

7、，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） 、量子阱与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

8、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停留在概念与理论设计阶段，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

9、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，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

10、行业的发展使得高纯硅材料的供应空前紧，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，在近几年还将继续下降到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

11、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。2 / 38本文主要用 AMPS-1D（A One-Dimensional Device

12、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，通过改变各层厚度以与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。IL和 IF都流经 pn 结部，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

13、，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。为了简便起见，用表示在结的扩散长度（Lp+Ln）非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度 Lp 的空穴和 Ln 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

14、流为：IF=ISexp(qV/kT)-1 (1.1)其中：V 是光生电压，IS是反向饱和电流。左图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。3 / 38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)1ln

15、SLIIqkTVoc（2）短路电流 Isc 如将 pn 结短路（V=0） ，因而 IF=0,这时所得的电流为短路电流 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)scocscocppIVPIVVIFFmaxoo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

16、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 围之。 （4）太阳能电池的能量转化效率 Eff 表示入射的太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/入射的太功率）*100% = （Vop*Iop/Pin*S）*100%4 / 38 = 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

17、 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

18、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、掺杂浓度与剖面分布对 Voc 有明显的影响

19、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，由于能带结构变形与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 1

20、019 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）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，在电池基区常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。5 / 38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

21、.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，在 P/P界面处的复合速率可表示为(1.7)npnnaanLWLDNNScoth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。

22、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6 / 38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。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、

23、折射率等于（n 为 Si 的折射率）的涂层能使反射率降为零。对太，采用多n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

24、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、体和表面能带状态缺陷分布）以与材料的设计与结构如何影响器件的物理特性，以与器件对光、偏压、以与温度的响应。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7 / 38图 2.1（b） 器件各层的参数设置界面图 2.1（c） 器件各层的光谱特性 AMPS-1D 可以用来模拟一系列的器件结构，如：同质、异质 pn 结、pin 结的太阳能电池以与探测

25、器同质、异质 pn 结、pin 结、nin 结与 pip 结的微电子结构多结太阳能电池结构多结微电子结构多级结构的探测器和太阳能电池结构多级结构的微电子结构新型微电子、光伏效应、光电感应器件结构具有可选衬底层的肖特基势垒器件8 / 38从 AMPS 提供的解决方案来看，输出比如黑暗环境或光照条件下的 I-V 特性都可以得到，这些可以被当做温度的函数来计算。对于太阳能电池和二极管结构，作为偏压、光照以与温度函数的收集效率也能够得到。另外，如作为位置函数的电场分布、自由和束缚载流子浓度、复合特性、单独的载流子流密度也可以能从 AMPS 中得到。如先前所给出的，AMPS 的多功能性可以用来分析大量不

26、同种类器件的输运特性，比如单晶硅、多晶硅或非晶硅层的器件。AMPS 是设计用来分析设计优化器件结构，比如微电子结构、光电子结构和光电器件。3 单晶硅太阳能电池的设计与模拟3.1 单晶硅太阳能电池的研究概况与单晶硅性质硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系

27、统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把 13nm 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过 23%，是大值可达 233。Kyocera 公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为 1944%，国太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到 19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达 8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生

28、产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格与相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表单晶硅特性：熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向一样的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的A 族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成 p 型硅半导体

29、；如掺入微量的A 族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成 n 型硅半导体。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。下图为单晶硅晶胞结构：图 3.1 单晶硅的晶胞结构9 / 383.2 设计与模拟结果3.2.1 单晶硅的性能参数表 3.1 单晶硅的性能参数介电常数11.9本征载流子浓度（cm-3）1.02*1010电子迁移率（cm2/V/s）1450空穴迁移率（cm2/V/s）500禁带宽度（eV） （300k）1.12载流子寿命（us）130导带有效状态密度 Nc（cm-3）2.8*1019导带有效状态密度 Nv（cm-3）1.1*1019电

30、子亲和能（eV）4.05功函数（eV）4.603.2.2 单结型改变厚度考虑顶层为 N 区的情况（如图 3.2） ，固定 N 区厚度，P 区厚度从小到大，依次增加，模拟中，所用参数如下：表 3.2 顶层为 n 型单结单晶硅太阳能厚度改变时电池参数设置前端接触电势 PHIBO（eV）0.1前端电子复合速率 SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴复合速率 SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率 RF0后端接触电势 PHIBL（eV）1后端电子复合速率 SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴复合速率 SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率 RB0.6P 区掺杂浓度（cm-3）1.

31、00E+19N 区掺杂浓度（cm-3）1.00E+1810 / 38图 3.2 np（顶层为 n 型）型单晶硅太阳能电池结构示意图可得到如下结果：02000004000006000008000001000000024681012141618202224262830323436 Eff FFn:1019cm-3p:5*1016cm-3n=100nmwedth of p-layer/nmEff/%single-junction of c-Si with n-top-layer0.760.770.780.790.800.810.820.830.840.850.860.870.880.890.90FF

32、图 3.3(a) 转化效率与填充因子随厚度的变化020000040000060000080000010000000102030405060 Jsc Vocn:1019cm-3p:5*1016cm-3n=100nmwedth of p-layer/nmJsc/(mA/cm2)single-junction of c-Si with n-top-layer0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.90Voc/V图 3.3（b） 短路电流和开路电压随厚度的变化11 / 38从图 3.4 中，可以

33、得知，当固定 N 区厚度，P 区厚度依次增加时，转化效率、短路电流、填充因子以与开路电压都随着 P 区厚度增加而增加，在 200um 以后，即达到一稳定值。经过多次改变厚度参数后可以发现，当 N 区取 100nm 时，P 区大概 1000000nm 左右时，转化效率有最优值,综合考虑厚度值后,最佳值取在 n 区 100nm、200000nm 处，其效率为：32.331%，FF 为：0.839，J-V 特性与能带图如图 3.4：-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.20102030405060J/(mA/cm2)voltage/VEff:32.331%FF:0.

34、839Jsc:58.336mA/cm2Voc:0.661VJ-V curve of c-Si of p-n structure图 3.4（a） 单结单晶硅最佳值 J-V 特性12 / 38050100150200-6-5-4-3-2-10Energy/eVposition/um vacuum level conducting band valence band Fermi Energyc-Si of single-junction with n-top-layer图 3.4（b） 单结单晶硅最佳值能带图3.2.3 单结型改变掺杂浓度当 n、p 区厚度分别为 100nm、200000nm 时，改

35、变 n、p 区的掺杂浓度，浓度从 1017 cm-3增加到 5*1019cm-3,模拟中所用到的参数如下：表 3.3 顶层为 n 型单结单晶硅太阳能掺杂浓度改变时电池参数设置前端接触电势 PHIBO（eV）0.1前端电子复合速率 SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴复合速率 SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率 RF0后端接触电势 PHIBL（eV）1后端电子复合速率 SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴复合速率 SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率 RB0.6N 区厚度（nm）100P 区厚度（nm）20000013 / 38 1E171E181E19262830

36、3234363840 Eff FFn=100nm 1019cm-3p=200000nmdopping level of p-layer/nmEff/%single-junction of c-Si with n-top-layer0.8100.8150.8200.8250.8300.8350.8400.845FF图 3.5（a） 顶层为 n 型单结单晶硅太阳能转化效率与填充因子随掺杂浓度的变化1E171E181E1957585960 Jsc Vocn=100nm 1019cm-3p=200000nmJsc/(mA/cm2)dopping level of p-layer/cm-30.560.5

37、80.600.620.640.660.68Voc/Vsingle-junction of c-Si with n-top-layer图 3.5（b） 顶层为 n 型单结单晶硅太阳能短路电流与开路电压随掺杂浓度的变化从图 3.4 中，可以看出：随着掺杂浓度的增加，转化效率、填充因子以与开路电压都随着 p区的掺杂浓度增加而只有很小的增长，所以为了减小掺杂所带来的缺陷,p 区掺杂浓度最佳值选在14 / 385*1016cm-3但是短路电流却随着掺杂浓度的增加而减小,到高掺杂 2.5*1019cm-3时短路电流却突然增大。顶区重掺杂是由于其一可以减小顶区薄层电阻，其二可以降低反向饱和电流，即提高开路电

38、压。但是考虑到“死层”以与禁带变窄效应会使有效掺杂浓度降低，所以顶层重掺杂的上限浓度应设为1019cm-3。3.2.4 改变结构背面加入一层 p+层形成背电场后的转化效率与能带图如图 3.6（图 3.6(a) 中黑线为加入背电场后的曲线，为了对比，红线为一样厚度单结单晶硅的曲线） ，其中 n、p、p+层厚度分别为 100nm、200000nm、2000nm，掺杂浓度分别为 1019cm-3、5*1016cm-3、1019cm-3。转化效率Eff:34.52%，FF:0.838，Jsc：60.961mA/cm2,Voc:0.674V,比一样厚度下的单结单晶硅效率稍微大一点，与单结时相比，说明当加

39、入 p+层后，对电池的开路电压和短路电流都有所提高。-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40102030405060J/(mA/cm2)Voltage/V double-junction with p+Eff:34.52%FF:0.84 single-junction Eff:32.352%FF:0.839comparison between double-junction and single-junction of c-S-图 3.6（a） 加入背电场双结单晶硅 J-V 图15 / 38050100150200-6-5-4-3-2-10Energy/eVposition /um

40、 vacuum level conducting band Fermi Energy valence banddouble-junction with 图 3.6（b） 加入背电场双结单晶硅能带图3.3 结论通过比较单结晶单结型厚度的变化、浓度的变化、以与与双结型做比较，可以得知：由于单晶硅迁移率比较大，所以在可以模拟的围，其转化效率都是随着厚度的增加而增加，在 200um 时，就已经几乎达到稳定值，所以，在单晶硅太阳能电池设计时，为了减小不必要的材料损耗，可以在效率与电池厚度两个参数中选取折中。当改变 p 型基区掺杂浓度时，四项物理特性参量（Eff、FF、Jsc 和 Voc）都随浓度变化关系

41、不大，其中短路电流是先减小后有增大，考虑到效率增加的不多，所以为了避免掺杂带来不必要的缺陷，可以将基区掺杂浓度设置的低一些。当背面加上一层 p+结时，形成一层背面电场，p/p+结可以有效的阻止少数载流子电子的通过，而允许多数载流子空穴通过，增加了载流子搜集率，这样就提高了短路电流和开路电压，因而可以有效的提高效率；同时也更便于制作成欧姆接触，减小了接触电阻；从能带图上看，p-p+结有利于多子空穴向电极方向流动，因而降低了体电阻和接触电阻所引起的串联电阻，从而使电池的填充因子得到改善。4 多晶硅太阳能电池的设计与模拟4.1 多晶硅太阳能电池的研究概况与多晶硅性质以上讨论中，单晶硅由于其无位错、少

42、子寿命长和少子扩散长度较长，因此电池的转化效率较其他硅材料高，实验室最高转换效率已达 24.7%，但其制备较复杂、成本较高、因此制造成本较低和转换效率较高的多晶硅太阳能电池成为国际光伏界的研究热点，为了实现多晶硅太阳能电池的大规模应用，电池转换效率是最关键的参数，已报道的实验室最高转换效率为 20.3%。多晶硅太阳能电池较单晶硅太阳能电池的光电转换效率低的一个最重要的原因是多晶硅中存在较多的晶粒与其晶粒间界（简称晶界） 。晶界是一个晶向的晶粒向另一个晶向的晶粒的过渡区，它的结构复杂，原子呈无序排列，其厚度通常为几个原子层。晶界存在着各种界面态、界面势垒、悬挂键和缺陷态，形成了高密度的陷阱，其本

43、身具有电活性，当杂质偏聚或沉淀于此时，晶界的电活性会进一步增强，而成为少数载流子的复合中心，导致载流子的收集几率下降，短路电流降低，暗电流增加，最终影响转换效率。因此，转换效率除了受到少子寿命、表面复合速率、电池厚度等因16 / 38素的影响外，最主要的是受到晶粒尺寸和形状的影响。4.2 设计与模拟结果4.2.1 多晶硅的性能参数表 4.1 多晶硅的材料性能参数多晶硅材料是由许多小晶粒组成，在晶粒部原子周期性地有序排列，因此可以把每个晶粒看成一块小的单晶体，同时每个小晶粒体部的掺杂浓度、迁移率等的分布均匀。下图显示多晶硅电池的两种结构。当晶粒是任意方向时，则只有最上层的晶粒对电池的输出特性有贡

44、献，而下层的晶粒则被晶界隔离从而对电池的输出特性没有贡献；当多晶硅的晶粒是柱状时，晶界垂直于电池表面，而每个柱状晶粒的光生载流子在电池部的输运过程中都能通过 p-n 结被收集，不会通过晶界产生复合，因此整个电池的厚度都对输出有贡献，晶界复合对载流子的寿命的影响可以忽略，因此多晶硅太阳能电池的性能类似于单晶硅太阳能电池。 图 4.1 多晶硅晶粒结构在这里模拟中，所取的是多晶硅的理想状况，即假设：假设多晶粒中所包含的所有晶粒都是柱状的，且晶粒垂直于结面，每个晶粒大小、形状、电学性质（掺杂浓度、少子迁移率和扩散长度）和光学性质（表面反射、受光照情况）一致；忽略晶粒结构的其他不完整性；晶粒的掺杂浓度均

45、匀，且在室温下杂质全部电离；晶粒间界处的掺杂杂质全部为非电激活；忽略晶界厚度的影响（一般为几个原子层厚度） ；假设晶界是部分耗尽的；电池具有背面电场时，背面复合速率考虑为 Sn=1*103cm/s;当背面为欧姆接触时，背面复合速率考虑为 Sn=1*107cm/s,以便接近更实际的情况。4.2.2 单结型改变厚度考虑顶层为 n 区，模拟中所用参数如下：表 4.2 顶层为 n 型单结多晶硅太阳能厚度改变时电池参数设置前端接触电势 PHIBO（eV）1.0介电常数11.9电子迁移率（掺杂层）（cm2/V/s）750空穴迁移率（掺杂层）(cm2/V/s)250禁带宽度（eV）（300k）1.12电子亲

46、和能（eV）4.05导带状态密度 Nc（cm-3）2.8E+19价带状态密度 Nv（cm-3）1.04E+1917 / 38前端电子复合速率 SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴复合速率 SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率 RF0后端接触电势 PHIBL（eV）0.2后端电子复合速率 SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴复合速率 SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率 RB0.6图 4.2 给出的是 n 区厚度为 100nm 时 p 区厚度从小到大变化的情况，其中 n 区掺杂浓度为1019cm-3,p 区掺杂浓度为 5*1016cm-3：02000004000006

47、0000080000010000000246810121416182022242628303234 Eff FFn=100nmn:1019cm-3 p:5*1016cm-3wedth of p-layer/nmEff/%single-junction of p-Si with n-top-layer0.760.770.780.790.800.810.820.830.840.850.860.870.880.890.90FF图 4.2(a) 顶层为 n 型单结多晶硅太阳能电池转化效率与填充因子随厚度的变化18 / 380200000400000600000800000100000001020304

48、05060 Jsc Vocn=100nmn:1019cm-3 p:5*1016cm-3wedth of p-layer/nmJsc/(mA/cm2)0.400.450.500.550.600.650.700.75Voc/Vsingle-junction of p-Si with n-top-layer图 4.2(b) 顶层为 n 型单结多晶硅太阳能电池短路电流与开路电压随厚度的变化由图 4.2 可以看出：当 p 区厚度为 200um 时,多晶硅电池的转化效率已经基本达到稳定值,而其他各项参数随厚度的变化关系都一样。np 区厚度分别为 100nm、200000nm 时的各项输出参数如图4.3：-

49、0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.20102030405060J/(mA/cm2)Voltage/VEff:31.143%FF:0.836Jsc:51.139mA/cm2Voc:0.652V图 4.3(a) 单结多晶硅最佳值的 J-V 曲线19 / 38050100150200-6-5-4-3-2-10Y Axis Titleposition/ vacuum level conducting band Fermi Energy valence band图 4.3(b) 单结多晶硅最佳值的能带图4.2.3 改变掺杂浓度把 n、p 区的厚度分别设为 100nm、

50、200000nm，n 区的掺杂浓度为 1019cm-3，所用参数设置如下：表 4.3 顶层为 n 型单结多晶硅太阳能电池浓度改变时电池参数设置前端接触电势 PHIBO（eV）1.0前端电子复合速率 SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴复合速率 SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率 RF0后端接触电势 PHIBL（eV）0.1后端电子复合速率 SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴复合速率 SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率 RB0.6得到的模拟结果如下：20 / 381E171E181E19283032 Eff FFn=100nm 1019cm-3p=200000n

51、mdopping level of p-layer/cm-3Eff/%0.8200.8250.8300.8350.8400.8450.8500.8550.860FFsingle-junction of p-Si图 4.4(a) 顶层为 n 型单结多晶硅太阳能电池转化效率与填充因子随浓度的变化1E171E181E1954555657585960 Jsc Vocn=100nm 1019cm-3p=200000nmdopping level of p-layer/cm-3Jsc(mA/cm2)single-junction of p-Si0.560.580.600.620.640.66Voc/V图

52、4.4(b) 顶层为 p 型单结多晶硅太阳能电池短路电流与开路电压随浓度的变化由上图可知：随着 p 区掺杂浓度的增加，电池各项因子都先有稍微增长，随后基本不变，所以为了减小掺杂所带来的缺陷，可以将 p 区浓度设置为 5*1016cm-3。4.2.4 改变结构加入 p+层，形成背电场后，其中 n、p、p+层厚度分别为 100nm、20000nm、2000nm，掺杂浓度分别为 1019cm-3、1018cm-3、1019cm-3,其 J-V 曲线（图 4.5（a）中实线所示）与能带图如图,由图中可以看出，如同单晶硅一样，加入背电场后，在同样厚度与浓度情况下，效率有所增加：21 / 38-0.6-0

53、.4-0.20.00.20.40102030405060J/(mA/cm2)voltage/V double-junctionEff:31.679%FF:0.837 single-junctionEff:31.143%FF:0.836comparison single-junction and double-junction of p-Si图 4.5(a) 单结型多晶硅与双结型多晶硅的 I-V 曲线比较图 4.5(b) 加入背电场的能带图4.3 结论通过以上模拟多晶硅改变厚度与掺杂浓度时的结果可知：由于在本实验模拟中，各项参数都跟单晶硅的几乎一样，所以模拟结果同单晶硅一样，在可模拟围，转化效率

54、都随厚度增加而增加，到一定厚度后，就趋于平稳。随浓度的变化关系也与单晶硅类似。加入背面电场后，转化效率也同样有稍微增加。但是如上所说，本文中所模拟的多晶硅是一种理想状况，即假设多晶硅的晶粒是柱状050100150200-6-5-4-3-2-10Energy/eVposition/um vacuum level conducting band Fermi Level valence banddouble-junction of p-Si with p+ layer22 / 38的，并且垂直与受光面，这样不必考虑晶粒间的载流子输运问题。要制造出高效率的多晶硅太阳能电池，也同样要考虑成本与效率以与制

55、造工艺的多重关系。5 非晶硅太阳能电池的设计与模拟5.1 非晶硅太阳能电池的研究概况与非晶硅性质非晶硅由于高的吸收吸收，所以易制成薄膜电池，为了降低太阳能电池单元的制造成本，首先，要减少材料消耗。结晶型太阳能电池用厚度为 0.13mm0.15mm 的单晶硅或多晶硅片，进一步减薄受到强度的限制。而薄膜型太阳能电池可用廉价的玻璃基片或柔性材料作基片，吸收层厚度为微米级；其次，能减少制造过程中的能耗。单晶硅或多晶硅太阳能电池的制造要用 1000高温扩散和 850烧结烘烤，电阻加热炉需消耗大量电力，非晶硅太阳能电池用等离子体薄膜工艺只要 300左右的温度。还有，薄膜电池适合采用更大面积的基片。非晶硅太

56、阳能电池的发展：1975 年 Spear 等人利用硅烷的直流辉光放电技术制备出 a-Si:H 材料，即用氢原子补偿了悬挂键等缺陷态，才实现了对非晶硅材料的掺杂，非晶硅材料开始得到应用。图 5.1 非晶硅结构 CRN 模型23 / 38图 5.2 某些半导体材料的光吸收系数非晶硅太阳能电池之所以受到人们关注和重视，是因为一下优点：1.非晶硅具有较高的光吸收系数（如图 5.2） 。特别是在 0.3-0.75um 的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级(由于其为直接带隙半导体,因此光子激发电子到导带,不需要声子的帮组,直接在电场下就可以形成电流)。因而他比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高

57、40 被左右，用很薄的非晶硅膜（约 1um 厚）就能吸收 90%有用的太阳能。2.非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在 1.5eV-2.0eV 的围变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3.制备非晶硅的工艺和设备简单，沉积温度低，时间短，适于大批生产。制作单晶硅电池一般需 1000以上的高温，而非晶硅的制作仅需 200左右。4.由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底的晶格失配问题。因而它几乎可以沉积在任何衬底上，包括廉价的玻璃存底，并且易于实现大面积化。5.制备非晶硅太阳能电池能耗少，约 100 千瓦小时，能好的回收年数比单晶硅太

58、阳能电池短得多。5.2 设计与模拟结果5.2.1 非晶硅的性能参数 非晶硅的各个参数如下：表 5.1 非晶硅材料的性能参数介电常数11.924 / 38在以下的模拟中，若无特别说明，所有 p 型、i 层、n 型非晶硅层都加入同样的两个高斯缺陷，如下表所示： 表 5.2 各层中加入的高斯缺陷5.2.2 p-i-n 型设计与模拟5.2.2.1 p-i-n 型改变厚度考虑双结结构（即 p-i-n 结）如图 5.3，顶层为 P 层，与讨论单晶硅同样的方法，先改变各层的厚度。图 5.3 典型非晶硅太阳能电池的 p-i-n 结构示意图设 P 层、N 层厚度一样，只改变 I 层的厚度，模拟所用参数如下：表

59、5.3 p-i-n 型非晶硅太阳能电池厚度改变时参数设置前端接触电势 PHIBO（eV）1.54前端电子复合速率 SNO(cm/s)1.00E+07前端空穴复合速率 SPO(cm/s)1.00E+07前端反射率 RF0电子迁移率（I 层） （cm2/V/s）20空穴迁移率（I 层） （cm2/V/s）2电子迁移率（掺杂层）（cm2/V/s）10空穴迁移率（掺杂层）(cm2/V/s)1禁带宽度（eV） （300k）1.8电子亲和能（eV）4.00导带状态密度 Nc2.5E+20价带状态密度 Nv2.5E+20施主型受主型NDG(cm-3)9.50E+18NAG(cm-3)9.50E+18EDON

60、G(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-1425 / 38后端接触电势 PHIBL（eV）0.2后端电子复合速率 SNL(cm/s)1.00E+07后端空穴复合速率 SPL(cm/s)1.00E+07后端反射率 RB0.6P 区掺杂浓度（cm-3）1.00E+19N 区掺杂浓度（cm-3）1.00E+19固定 p 区 n 区的厚度，增加 i 区厚度，所得模拟结果图 5.4：010020