晶硅太阳能电池i层厚度优化的数值模拟

1、Experiment 第2 4卷第Experiment 第2 4卷第12期2 0 V01.24 No.2期20al Technology0 7年12月12 Dee.2 0 0 7晶硅太阳能电池i层厚度优化的数值模拟.txt这是一个禁忌相继崩溃的时代，没人拦得着你， 只有你自己拦着自己，你的禁忌越多成就就越少。自卑有多种档次，最高档次的自卑表现为 吹嘘自己干什么都是天才。本文由啊呀娃娃chen贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。堡堕！Q丝二塑堑CNI12034/T实验技术与管理andManagement非晶硅太阳能电池i层厚度优化的数值模拟姚若

2、河，郑佳华(华南理工大学物理科学与技术学院，广东广州5 1 0 6 4 0 )摘要：应用AMPS1D软件对非晶硅太阳能电池的一，一1，特性进行了模拟研究， 重点模拟分析了1层厚度对Pin结构非晶硅太阳能电池特性参数的影响。关键词： 太阳能电池；非晶硅；数值模拟中图分类号：TP3 9文献标识码：B文章编号：10 0 24956(2007)12006702Numerical simulation of i layers thickneon a 一 Si：H P一 in solar cell devices YAO Ruo he，Zheng Jia hua (Schoolof Physics，Sou

3、th China University of Tech nology，Guangzhou510640，China)Abstract：The AMPS1 D(analysis of microe lectronic and photonic characteristics structures)was used on to module the light JV of a Si：H P in solar cell devices.The ef fects of the i layers thickness the light JV characteris tics have been exami

4、ned. Key words：solar c ell；aSi：H；numericM simulation太阳能是一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，将太阳能转换为电能是大 规模利用 太阳能的重要技术基础。半导体太阳能电池利用半导体的光生伏特效应直接将太阳能转化为电能，技术比较成熟。在硅系列电池中，由于非晶硅对阳光的吸收系数高，活 性层只需lm厚，材料的需求量大大减少；沉积温度低，可直接沉积在玻璃、不锈钢和 塑料膜等廉价的衬底材料上；生产成本低，具有单片电池面积大、适于工业化大规模生产等 优点而受到重视。形成Pin结构。图1中，衬底为n型非晶硅，顶层为P型的非晶SiC材料，中 间缓冲层

5、为本征非晶硅，主要结构参数和模拟参数见表1。图1Pi 11结构非晶硅太阳能电池结构示意图Pin结构非晶硅太阳能电池的模 型参数参数 P层(a _ SiC) i层(a si)801.724.009表11模型结构与模拟原理1.1器件结构典型的非晶硅太阳能电池结构如图1所示。非晶硅中由于原子排列缺 少结晶硅的规则性，缺陷多，因此，要在P层与n层之间加入本征层i层，收稿日期：2 0 0 7 0 2 2 8作者简介：姚若河(1961)，男，广东省揭阳 市人。博士，教授。从事半导体器件及物理的教学和科研工作.n层(a Si)1.80迁移率带隙/eV光学带隙/eV电子亲和能/eV相对介电常数占有效态密度N

6、c/(cm3eV) Nv/(cm3eV1)1.961.903.9211.91.7 24.00 11.9 2.5X1020 2.5X10202.5 X102 0 2.5 X 1 0 2 02.5X102 0 2.5 X 1 0 2 0万 方数据实验技术与管理续表参数 电子迁移率p0/(cm2V18 一 1)空穴迁移率/.z/(cm 2V一8 1)价带尾态特征能量迁移率ED/eV导带尾态特征能量迁移率E/e V 掺杂浓度 /cm q Gdo/(cm3eV1) G/(cm3eV1)EooN/eV 0.2其中，1为电子的电流密度，有L (菇)=ni层(a Si) n层(a Si)P层(a SiC)f兰

7、孕1，E州为电子的准费米能级；矗为空穴的电0.521流密度，Jp(石)=舭，凡(警)，EEp.为空穴的准费米能级；Go,(茗)为电子空穴对的光生效率，为位置菇的函数。运用数值计算方法求解方程(1)、(2)、(3)中的砂(茗)、p(x)、n(x )进而求出各特性参数。0.050.050.070.0 30.0 32模拟结果分析N人=3X10”1.0X101910X10191.24 1.143X10TM1.0X101910X1019ND1X1019 1.0X101910X1019 1.12 1.023X10Is对Pi.n结构非晶硅太阳能电池模拟时，光照条件为AMl.5,100 mW/ cm2,光从P

8、型非晶硅层入射到器件中。为了研究i层厚度对器件性能的影响，将P层和 n层的厚度分别固定为8 am和15 nm, i层厚度分别取10am、50 nm、100 nm、200 n/ll、300Rill、1.1 2 1.0 2 5 X 1 0 1 6EAce/eV隙问定域态分：砟/cm31.2模拟原理模拟在态密度（DOS）模式下进行。对于非晶硅来说，带尾定域态 相当重要，使用指数函数来模拟，用高斯分布来描述非晶硅的悬挂键。对Pin结构 非晶硅太阳能电池，若给出各层半导体材料的能带结构、电子态密度分布、空穴态密度分布 和电子亲和能等，根据半导体器件3个基本方程：泊松方程，电子连续性方程和空穴连续 性方程

9、，在适当的边界条件下即可求解出器件的特性。泊松方程把材料体系中的自由载流 子数目，受陷电子和受陷空穴数目，离化杂质数目等和静电场联系起来。泊松方程表示为4 0 0 am、5 0 0 nm、6 0 0 am、700nm。模拟不同i层厚度条件下光电池的开路电压、短路电流氏、填充因子FF和光电转换效率卵随i层厚度变化的情况，模拟结果如图2所示。由图2可见，随着i层厚度的增加。、氏、FF和叼都先增大，到达一最大值后又随i层厚度的进一步增加而减小。对短路电流， 一般可表示为k=矗一州exp学一1】（4）当i层厚度比较薄时，随着i层厚度的增大，光生载流子增加，光生电流密度以增大，反向饱和电期占（茗）警=q

10、Xp （髫）一n（石）+瞒（石）一W二（石）+p（菇）一n（W），（1）其中，沙为器件中石点单位正电荷电势；P （石），流密度不变的情况下氏增大。当i层厚度增加到一定程度时，使内建电场强度分布明显受影响，光生载流子得不到有效的收集，从而使如下降。对0和FF有：n（x ）分别为自由空穴和自由电子的浓度；W；（髫），N2（石）分别为电离施主浓度和电离受主浓度；P。（x），ilt （髫）分别为受陷 空穴和受陷电子浓度；gA（E）为带隙中单位体积单位能量的类受主态密度连续分布函 数；(E)为能量为E的能态被一个电FF一 ，一In,LJ.,：o 一器)H1律也应是先增大后减小。(下转第7 3页)%0 =

11、弘(鲁)叫，(5)(6)子占据的概率；gD(E)为带隙中单位体积单位能量的类施主态密度连续分布函数；(E)为能量为E的能态被一个空穴占据的概率。可知，。正比于氏，所以其变化规律与氏相似。对于，7,有叼：TPsp/A，PmP：，m比为最佳功率在稳态条件下，若自由载流子的浓度不随时间变化，则自由电子和自由空穴的连续性方程分别为输出，A为电池正面曝光面积(cm2)，P。为每cm2的光照功率输入，所以P。 不变，叼的变化规：(警1_一G。(菇)+尺(石)，q、似，(2)(3)if学 1=G。，(戈)一R(茹)，万 方数据聂伟，等：基于SOP (:的Turbo码实验平台设计73Builder中定制生成的

12、Nios I I软核处理器实现了基于SOP(:的Tu rbo码实验平台。其中MCU控制、键盘扫描及液晶显示模块的程序在NiosII IDE寇艳红，杨枫，陈雁.通信原理开放性实验项目设计】J.实验技术与管理，0 0 5，22(11)： 1 0 5 1 0 7. E2BERROU C，GLAVIEUX A， THITIMAJSHlMAlimiE3torcorrectingP.NearShannon6.0中coding anddecoding：turbocodesc.Proc用C语言实现，FPGA用户逻辑部分的程序用VHDL硬件描述语言编写并在Qua rtusIIICC93，Geneva，Switz

13、erland，May 1 9 9 3.6.0环境3张庆治，刘巧艳.基于FPGA的Turbo码译码器设计与实现J.北京 电子科技学院学报，2004，12(4)4751. 4刘小同，万国春，陈岚.基 于Max LogMAP算法的Turbo码的硬件设计与实现】J.江西科技师范学 院学报，2 0 0 5，8(4)：8.16.下完成了仿真、综合及下载。通过在液晶上实时显示实验过程中Turbo编译码器的 工作参数及接收到误码的信息帧的数目，使学生能够清楚地理解Tur-b。编译码器各个环节的作用及整个实验的数据流程。SOPC的实现技术使得学生可 以很容易地修改各模块的程序代码，从而实现对Turbo编译码算法

14、的研究和改进。参 考文献(References)：5刘东华.Turbo码原理与应用技术】M.北京：电子工业出版 社。2004.6袁东风，张海霞.宽带移动通信中的先进信道编码技术M北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 4.7潘松，黄继业.曾毓.SOPC技术实用教程M北京: 清华大学出版社，2 0 0 5.(上接第6 8页)6 5 4 3 2毒1098785432暑毫鼍罩ilayer thickness/nm图2Voc,Jsc。耶和呀随i层厚度的变化1 0 9 4 1 0 9 8.3结论本文用AMPS1D对Pin结构非晶硅太阳能电池的，一y特性进行模拟，研究了1层厚度对非R Martins， gi

15、neering of a.vice stability by suitable design of int Energy研究了1层厚度对非R Martins， gineering of a.vice stability by suitable design of int EnergyMater&SolarC 廖显伯，曾湘波，等.纳米硅( 数值模拟分析J.物理学报，I Ferreira，V S si：H de 一erfaceJ.solaells，2002(73)nc Si：H)/晶体硅(2003，52(1)：21ilva，et a1.Enr9 4 9.3胡志华，c.Si )异质结太阳电池的 7

16、- 2 2 4.4胡志华，廖显伯，刁宏伟，等.非晶硅太阳电池光照JV特性的AMPS模拟】J.物理学报，2005，54(5)：2302 2306.5刘瑶，姚若河.扩散P n结内建电场的数值分析J.广西物理，2 0 0 5，26(1)：16 21.6刘恩科，朱秉升，罗晋生，等.半导体物理学M北京：国防工业出版社，1 9 9 4.7仓田衡.半导体器件的数值分析M.北京：电子工业出版社，1 9 8 5.晶硅太阳能电池特性参数的影响。从模拟结果看，y&，氏，FF和叼的理论最大值处在i层厚度为5 04 0 0nm范围内，且对应于不同的i层厚度。为了获得最优的电池性能，应综合考虑，k，FF和叼的取值。参考文

17、献(References)：1R Martins， I Ferreira，A Cabrita， et a1.I mprovement of aSi：Hdevice stability and performances byproperdesignOf interfacesJ.JournalofNonCrystallineSolids,2000 (266 )：万 方数据1本文由啊呀娃娃chen贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。 堡堕！Q丝二塑堑CNIl2034/T实验技术与管理Experimental Technology第2 4卷第12期2

18、 0 0 7年12月V01.24 No.12 Dee.2 0 0 7 and Management 非晶硅太阳能电池i层厚度优化的数值模拟 姚若河，郑佳华(华南理工大学物理科学与技术学院，广东广州5 1 0 6 4 0 )摘要：应用AMPS1D软件对非晶硅太阳能电池的一，一l,特性进行了模拟研究， 重点模拟分析了1层厚度对Pin结构非晶硅太阳能电池特性参数的影响。关键词： 太阳能电池；非晶硅；数值模拟中图分类号：TP3 9文献标识码：B文章编号：10 0 24956(2007)12006702Numerical simulation of i 一layers thickne ss on a S

19、i：H P in solar cell devices YAO Ruo he,Zheng Jia hua (Schoolof Physics,South China University of Tech nology,Guangzhou510640,China)Abstract：The AMPS1 D(analysis of microe lectronic and photonic characteristics structures)was used on to module the lightJVof a Si：H P in solar cell devices.The effectso

20、f thei1ayersthicknessthe1ightJVcharacteristics havebeenexamined.,Keywords：so1ar ce11；aSi：H；numericMsimulation太阳能是一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，将太阳能转换为电能是大 规模利用 太阳能的重要技术基础。半导体太阳能电池利用半导体的光生伏特效应直接将太 阳能转化为电能，技术比较成熟。在硅系列电池中，由于非晶硅对阳光的吸收系数高，活 性层只需lm厚，材料的需求量大大减少；沉积温度低，可直接沉积在玻璃、不锈钢和 塑料膜等廉价的衬底材料上；生产成本低，具有单片电池面积大、适于工

21、业化大规模生产等 优点而受到重视。形成Pin结构。图1中，衬底为n型非晶硅，顶层为P型的非晶SiC材料，中 间缓冲层为本征非晶硅，主要结构参数和模拟参数见表1。图1Pi 11结构非晶硅太阳能电池结构示意图Pin结构非晶硅太阳能电池的模 型参数参数 P层(a _ SiC) i层(a si)801.724.009表11模型结构与模拟原理1.1器件结构典型的非晶硅太阳能电池结构如图1所示。非晶硅中由于原子排列缺 少结晶硅的规则性，缺陷多，因此，要在P层与n层之间加入本征层i层，收稿日期：2 0 0 7 0 2 2 8作者简介：姚若河(1961)，男，广东省揭阳 市人。博士，教授。从事半导体器件及物理

22、的教学和科研工作.n层(a Si)1.80迁移率带隙/eV光学带隙/eV电子亲和能/eV相对介电常数占有效态密度N c/(cm3eV) Nv/(cm3eV1)1.96 1.903.92 11.91.7 2 4.00 11.9 2.5X1020 2.5X10202.5X102 0 2.5 X 1 0 2 02.5X102 0 2.5 X 1 0 2 0万方数据实验技术与管理续表参数 电子迁移率p/(cm2V18 1)空穴迁移率/.z/(cm 2V一8 1)价带尾态特征能量迁移率ED/eV导带尾态特征能量迁移率E/e V 掺杂浓度 /cm q Gdo/(cm3eV1) G/(cm3eV1)EooN

23、/eV 0.2其中，1为电子的电流密度，有L (菇)=觥。ni层(a Si) n层(a Si)P层(a SiC)f兰孕1，E州为电子的准费米能级；矗为空穴的电0.521流密度，JP（石）=舭，凡（警），EEp.为空穴的准费米能级；G。，（茗）为电子空穴对的光生效率，为位置菇的函数。运用数值计算方法求解方程（1）、（2）、（3）中的砂（茗）、p（x）、n（x ）进而求出各特性参数。0.050.050.070.030.032模拟结果分析N人=3X10” 1.0X1019 1.0X1019 1.24 1.143X10TM 1.0X10191.0X1019ND=1X10 19 1.0X1019 1.0

24、X1019 1.12 1.023X10Is对Pi.n结构非晶硅太阳能电池模拟时，光照条件为AM1.5，100 mW/cm2,光从P型非晶硅层入射到器件中。为了研究i层厚度对器件性能的影响，将P层和 n层的厚度分别固定为8 am和15 nm，i层厚度分别取10am、50 nm、100 nm、200 n/11、300Rill、1.1 2 1.0 2 5 X 1 0 1 6EAce/eV隙问定域态分：砟/cm31.2模拟原理模拟在态密度（DOS）模式下进行。对于非晶硅来说，带尾定域态 相当重要，使用指数函数来模拟，用高斯分布来描述非晶硅的悬挂键。对Pin结构 非晶硅太阳能电池，若给出各层半导体材料的

25、能带结构、电子态密度分布、空穴态密度分布 和电子亲和能等，根据半导体器件3个基本方程：泊松方程，电子连续性方程和空穴连续 性方程，在适当的边界条件下即可求解出器件的特性。泊松方程把材料体系中的自由载流 子数目，受陷电子和受陷空穴数目，离化杂质数目等和静电场联系起来。泊松方程表示为0 0 am、5 0 0 nm、6 0 0 am、700nm。模拟不同i层厚度条件下光电池的开路电压、短路电流氏、填充因子FF和光电转换效率卵随i层厚度变化的情况，模拟结果如图2所示。由图2可见，随着i层厚度的增加。、氏、FF和叼都先增大，到达一最大值后又随i层厚度的进一步增加而减小。对短路电流， 一般可表示为k=矗一

26、州exp学一1】（4）当i层厚度比较薄时，随着i层厚度的增大，光生载流子增加，光生电流密度以增大，反向饱和电期占（茗）警=qXp （髫）一n（石）+瞒（石）一W二（石）+p（菇）一n（W），（1）其中，沙为器件中石点单位正电荷电势;P （石），流密度不变的情况下氏增大。当i层厚度增加到一定程度时，使内建电场强度分布明显受影响，光生载流子得不到有效的收集，从而使如下降。对0和FF有：n（x ）分别为自由空穴和自由电子的浓度；W；（髫），N2（石）分别为电离施主浓度和电离受主浓度；P。（x）,ilt （髫）分别为受陷 空穴和受陷电子浓度；gA（E）为带隙中单位体积单位能量的类受主态密度连续分布函

27、数；（E）为能量为E的能态被一个电FF一 ，一In,LJ.,：o 一器）H1律也应是先增大后减小。（下转第7 3页）%0 =弘（鲁）叫，（5）（6）子占据的概率；gD（E）为带隙中单位体积单位能量的类施主态密度连续分布函数；（E）为能量为E的能态被一个空穴占据的概率。可知，。正比于氏，所以其变化规律与氏相似。对于，7，有叼：TPsp/A，PmP：，m比为最佳功率在稳态条件下，若自由载流子的浓度不随时间变化，则自由电子和自由空穴的连续性方程分别为输出，A为电池正面曝光面积（cm2），P。为每cm2的光照功率输入，所以P。 不变，叼的变化规：（警1_一G。（菇）+尺（石），q、似，（2）（3）if

28、学 1=G。，（戈）一R（茹），万 方数据聂伟，等：基于SOP （:的Turbo码实验平台设计73Builder中定制生成的Nios I I软核处理器实现了基于SOP（:的Tu rbo码实验平台。其中MCU控制、键盘扫描及液晶显示模块的程序在NiosII IDE1寇艳红，杨枫，陈雁.通信原理开放性实验项目设计J.实验技术与管理， 2 0 0 5，22（11）： 1 0 5 1 0 7. E2BERROU C，GLAVIEUX A， THITIMAJSHlMAlimiE3torcorrectingP.NearShannon6.0中coding anddecoding：turbocodesc.Pr

29、oc用C语言实现，FPGA用户逻辑部分的程序用VHDL硬件描述语言编写并在Qua rtusIIICC93，Geneva，Switzerland，May 1 9 9 3.6.0环境张庆治，刘巧艳.基于FPGA的Turbo码译码器设计与实现J.北京 电子科技学院学报，2004,12 (4) 4751. 4刘小同，万国春，陈岚.基 于Max-Log-MAP算法的Turbo码的硬件设计与实现】J.江西科技师范学 院学报，2 0 0 5,8 ( 4 )：8.16.下完成了仿真、综合及下载。通过在液晶上实时显示实验过程中Turbo编译码器的 工作参数及接收到误码的信息帧的数目，使学生能够清楚地理解Tur-bo编译码器各个环节的作用及整个实验的数据流程。SOPC的实现技术使得学生可 以很容易地修改各模块的程序代码，从而实现对Turbo编译码算法的研究和改进。参 考文