新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟_毕业论文(编辑修改稿)

新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

合速率 SPO(cm/s) +07 前端反射率 RF 0 后端接触电势 PHIBL（ eV） 1 后端电子复合速率 SNL(cm/s) +07 后端空穴复合速率 SPL(cm/s) +07 后端反射率 RB P 区掺杂浓度（ cm3） +19 N 区掺杂浓度（ cm3） +18 图 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： 湖北大学本科毕业论文（设计） 10 0 202000 400000 600000 800000 1000000024681012141618202224262830323436 Ef f FFn : 1 019cm3p : 5 * 1 016cm3n =10 0 n mw e d t h o f p l a y e r/ n mEff/%si n g l e j u n ct i o n o f cSi w i t h n t o p l a y e r0 .7 60 .7 70 .7 80 .7 90 .8 00 .8 10 .8 20 .8 30 .8 40 .8 50 .8 60 .8 70 .8 80 .8 90 .9 0FF 图 (a) 转化效率及填充因子随厚度的变化 0 202000 400000 600000 800000 10000000102030405060 Jsc Vocn : 1 019cm3p : 5 * 1 016cm3n =10 0 n mw e d t h o f p l a y e r/ n mJsc/(mA/cm^2)si n g l e j u n ct i o n o f cSi w i t h n t o p l a y e r0 .0 00 .0 50 .1 00 .1 50 .2 00 .2 50 .3 00 .3 50 .4 00 .4 50 .5 00 .5 50 .6 00 .6 50 .7 00 .7 50 .8 00 .8 50 .9 0Voc/V 图 （ b） 短路电流和开路电压随厚度的变化 从图 中，可以得知，当固定 N 区厚度， P 区厚度依次增加时，转化效率、短路电流、填充因子以及开路电压都随着 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、 202000nm 处，其效率为： %， FF 为： ， JV 特性及能带图如图 ： 湖北大学本科毕业论文（设计） 11 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .20102030405060J/(mA/cm^2)v o l t a g e / VEf f : 3 2 . 3 3 1 %F F : 0 . 8 3 9Jsc: 5 8 . 3 3 6 m A/ cm2Vo c: 0 . 6 6 1 VJV cu rv e o f cSi o f p n st ru ct u re 图 （ a） 单结单晶硅最佳值 JV特性 0 50 100 150 2006543210Energy/eVp o si t i o n / u m v ac uu m l ev el c on du c ti ng b an d v al en c e ba nd Fer m i E ne r gycSi o f si n g l e j u n ct i o n w i t h n t o p l a y e r 图 （ b） 单结单晶硅最佳值能带图 湖北大学本科毕业论文（设计） 12 单结型改变掺杂浓度 当 n、 p区厚度分别为 100nm、 202000nm 时，改变 n、 p区的掺杂浓度，浓度从 1017 cm3增加到5*1019cm3,模拟中所用到的参数如下： 表 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） 前端电子复合速率 SNO(cm/s) +07 前端空穴复合速率 SPO(cm/s) +07 前端反射率 RF 0 后端接触电势 PHIBL（ eV） 1 后端电子复合速率 SNL(cm/s) +07 后端空穴复合速率 SPL(cm/s) +07 后端反射率 RB N 区厚度（ nm） 100 P 区厚度（ nm） 202000 1 E1 7 1 E1 8 1 E1 92628303234363840 Ef f FFn =10 0 n m 1 019cm3p =20 0 0 0 0 n md o p p i n g l e v e l o f p l a y e r/ n mEff/%si n g l e j u n ct i o n o f cSi w i t h n t o p l a y e r0 .8 1 00 .8 1 50 .8 2 00 .8 2 50 .8 3 00 .8 3 50 .8 4 00 .8 4 5FF 图 （ a） 顶层为 n型单结单晶硅太阳能转化效率及填充因子随掺杂浓度的变化 湖北大学本科毕业论文（设计） 13 1 E1 7 1 E1 8 1 E1 957585960 Jsc Vocn =10 0 n m 1 019cm3p =20 0 0 0 0 n mJsc/(mA/cm^2)d o p p i n g l e v e l o f p l a y e r/ cm30 .5 60 .5 80 .6 00 .6 20 .6 40 .6 60 .6 8Voc/Vsi n g l e j u n ct i o n o f cSi w i t h n t o p l a y e r 图 （ b） 顶层为 n型单结单晶硅太阳能短路电流及开路电压随掺杂浓度的变化 从图 中，可以看出：随着掺杂浓度的增加，转化效率、填充因子 以及开路电压都随着 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5*1016cm3 但是短路电流却随着掺杂浓度的增加而减小 ,到高掺杂 *1019cm3 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，即提高开路电压。 但是考虑到“死层”以及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1019cm3。 改变结构 背面加入一层 p+层形成背电场后的转化效率及能带图如图 （图 (a) 中黑线为加入背电场后的Ｊ－Ｖ曲线，为了对比，红线为相同厚度单结单晶硅的Ｊ－Ｖ曲线），其中 n、 p、 p+层厚度分别为 100nm、 202000nm、 2020nm，掺杂浓度分别为 1019cm 5*1016cm 1019cm3。 转化效率 Eff:%%，FF:， Jsc： ^2,Voc:,比相同厚度下的单结单晶硅效率稍微大一点 ，与单结时相比，说明当加入 p+层后，对电池的开路电压和短路电流 都有所提高。 湖北大学本科毕业论文（设计） 14 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .40102030405060J/(mA/cm^2)Vo l t a g e / V d o u b l e j u n ct i o n w i t h p +Ef f : 3 4 . 5 2 %F F : 0 . 8 4 si n g l e j u n ct i o n Ef f : 3 2 . 3 5 2 %F F : 0 . 8 3 9co m p a ri so n b e t w e e n d o u b l e j u n ct i o n a n d si n g l e j u n ct i o n o f cS 图 （ a） 加入背电场双结单晶硅 JV图 0 50 100 150 2006543210Energy/eVp o si t i o n / u m v a cu u m l e v e l co n d u ct i n g b a n d F e rm i Ene rg y v a l e n ce b a n dd o u b l e j u n ct i o n w i t h 图 （ b） 加入背电场双结单晶硅能带图 结论 通过比较单结晶单结型厚度的变化、浓度的变化、以及与双结型做比较，可以得知：由于单晶硅迁移率比较大，所以在可以模拟的范围内，其转化效率都是随着厚度的增加而增加，在 200um时，湖北大学本科毕业论文（设计） 15 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， pp+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 多晶硅太阳能电池的研究概况及多晶硅性质 以上讨论中，单晶硅由于其无位错、少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 %，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 %。 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及其晶粒间界（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 度等因素的影响外，最主要的是受到晶粒尺寸和形状的影响。 设计与模拟结果 多晶硅的性能参数 表 多晶硅的材料性能参数 多晶硅材料是由许多小晶粒组成，在晶粒内部原子周期性 地有序排列，因此可以把每个晶粒看成一块小的单晶体，同时每个小晶粒体内部的掺杂浓度、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，而每个柱状晶粒内的光生载流子在电池内部的输运过程中都能通过 pn 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。 介电常数 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） 电子亲和能（ eV） 导带状态密度 Nc（ cm3） +19 价带状态密度 Nv（ cm3） +19 湖北大学本科毕业论文（设计） 16 图 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。