新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟_毕业论文_文库吧

2020-10-01 18:05:54 本页面

【导读】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。流以及开路电压的影响。通过优化提出最佳电池结构设计。

文章介绍图

  

【正文】
湖北大学
本科毕业论文(设计)
题目新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟
姓名彭真学号2020221105220201
专业年级06电科
指导教师高云职称教授
2020年5月5日
湖北大学本科毕业论文(设计)
I
目录
绪论...................................................................1
1光伏太阳能电池的原理...................................................2
光电池的电流电压特性.............................................2
描述太阳能电池的参数.............................................3
影响太阳电池转换效率的因素.......................................4
2模拟软件AMPS-1D的介绍.................................................6
3单晶硅太阳能电池的设计与模拟...........................................8
单晶硅太阳能电池的研究概况及单晶硅性质...........................8
设计与模拟结果...................................................9
单晶硅的性能参数............................................9
单结型改变厚度..............................................9
单结型改变掺杂浓度.........................................12
改变结构...................................................13
结论............................................................14
4多晶硅太阳能电池的设计与模拟..........................................15
多晶硅太阳能电池的研究概况及多晶硅性质..........................15
设计与模拟结果..................................................15
多晶硅的性能参数...........................................15
单结型改变厚度.............................................16
改变掺杂浓度...............................................18
改变结构...................................................20
结论............................................................21
5非晶硅太阳能电池的设计与模拟..........................................21
非晶硅太阳能电池的研究概况及非晶硅性质..........................21
设计与模拟结果..................................................23
非晶硅的性能参数...........................................23
p-i-n型设计与模拟.........................................23
改变结构...................................................29
结论............................................................30
总结.....................................................................31
参考文献.................................................................32
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II
新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟
摘要
本论文首先介绍了太阳能电池的光伏原理及其发展概况,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
流以及开路电压的影响。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-1D
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III
THEMODELLINGANDSIMULATIONOFNEW-TYPE
SILICON-BASEDSOLARCELL
ABSTRACT
ThisthesisbrieflyintroducedthebasicPVmechanismandthedevelopmentinPVcell.
AMPS-1Dsoftwarewasutilizedtosimulatethephotovoltaicpropertyofvariousdevice
structuresforsinglecrystalSi,poly-SiandamorphousSisolarcell.Alltheparametersusedin
thesimulationswereobtainedfromthereportedexperimentaldata.Thebasisstructureswere
PNandPINdiodes.Byvaringthethicknessandthedopingconcentrationofvariouslayers,
thephotoelectricconversationefficiency,fillfactor,shortcircuitcurrentandopencircuit
voltagewerestudied.Thebestconversationefficiencieswereobtainedbyoptimizingthe
devicestructures.
【Keywords】silicon-basedsolarcell,modelling,AMPS-1Dsimulation
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1
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,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)、量子阱及量子点的超晶
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及理论设计阶段,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。
Ⅱ-Ⅵ族材料太阳电池:CdTe太阳电池、CIGS太阳电池。
Ⅲ-Ⅴ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%。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%-15%。由于硅基太阳
电池和半导体行业的发展使得高纯硅材料的供应空前紧张,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,在近几年内还将继续下降
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赵建华保持了单晶硅太阳能电池
的最高纪录:%。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%。这种电池可以双面受光,制造成本较低。
本文主要用AMPS-1D(AOne-DimensionalDeviceSimulationProgramfortheAnalysisof
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2
MicroelectronicandPhotonicStructrues)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及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
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结内部,但方向相反。如图:
图(a)pn结各电流示意图
图(b)光伏效应能带图
设用一定强度的光照射光电池,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<Q>表示在结的扩散
长度(Lp+Ln)内非平衡载流子的平均产生率,并设扩散长度Lp内的空穴和Ln内的电子都能扩散到
p-n结面而进入另一边,这样光生电流IL应该是:
IL=q<Q>A(Lp+Ln)()
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=IS[exp(qV/kT)-1]-IL()
图光电池的伏安特性
根据p-n结整流方程,在正向偏压
下,通过结的正向电流为:
IF=IS[exp(qV/kT)-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。
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3
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:
1ln
SLIIqkTVoc
()
(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()
(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:
scocscoc
ppIVPIVVIFFmaxoo()
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FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池,该值应
在。
(4)太阳能电池的能量转化效率Eff
表示入射的太阳光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/入射的太阳光功率)*100%
=(Vop*Iop/Pin*S)*100%
=Voc*Isc*FF/(Pin*S)
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4
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。
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%,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降低或降低%。
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
将太阳光聚焦于太阳电池,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、掺杂浓度及剖面分布
对Voc有明显的影响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,由于能带结构变形及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1019cm-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,在电池基区中通
常是做不到的;而在扩散区中是很自然的。
图高掺杂效应
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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。图表示了这种结构,在P/P+界面
图背表面场电池
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




n
p
n
n
a
anLWLDNNScoth()
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+a>>Na,则Sn可以估计零,Sn对JSC、Voc和Eff的
影响见图。当Sn很小时,Jsc和Eff都呈现出一个峰。
图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。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。一定
的串联电阻RS的影响是改变I-V曲线的位置。
如左图,在
P/P+结处的电场
妨碍电子朝背表
面流动
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6
八、金属栅和光反射
在前表面上的金属栅线不能透过阳光。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。因为有太阳光反射的存在,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、折射率等于n(n为Si的折射率)的涂层能使反射率降为零。对太阳光,
采用多层涂层能得到更好的效果。
2模拟软件AMPS-1D的介绍
AMPS-1D(AOne-DimensionalDeviceSimulationProgramfortheAnalysisof
MicroelectronicandPhotonicStructrues)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州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、体内和表面能带状态缺陷分布)以及材料的设计及结构如何影
响器件的物理特性,以及器件对光、偏压、以及温度的响应。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,为AMPS的界面:
图(a)AMPS主界面
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7
图(b)器件各层的参数设置界面
图(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结的太阳能电池以及探测器
同质、异质pn结、pin结、nin结及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
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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、光照以及温度函数的收集
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
单晶硅太阳能电池的研究概况及单晶硅性质
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23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转
换效率为19.44%,国内北京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(2cmX2cm)转换效率达到%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cmX5cm)
转换效率达%。
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产中仍占据主导地位,但由
于受单晶硅材料价格及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
晶面取向相同的晶粒,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ⅢA族元素,如硼可提高其导电的程度,而形成p型硅半导体;如掺入
微量的ⅤA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:
图单晶硅的晶胞结构
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设计与模拟结果
单晶硅的性能参数
表单晶硅的性能参数
介电常数
本征载流子浓度(cm-3)*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)
载流子寿命(us)≈130
导带有效状态密度Nc(cm-3)*1019
导带有效状态密度Nv(cm-3)*1019
电子亲和能(eV)
功函数(eV)
单结型改变厚度
考虑顶层为N区的情况(如图),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)
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RF0
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(cm-3)+19
N区掺杂浓度(cm-3)+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:
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10
02020004000006000008000001000000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Eff
FF
n:10
19
cm
-3
p:5*10
16
cm
-3
n=100nm
wedthofp-layer/nm
Ef
f
/
%
single-junctionofc-Siwithn-top-layer
0.76
0.77
0.78
0.79
0.80
0.81
0.82
0.83
0.84
0.85
0.86
0.87
0.88
0.89
0.90
FF
图(a)转化效率及填充因子随厚度的变化
02020004000006000008000001000000
0
10
20
30
40
50
60
Jsc
Voc
n:10
19
cm
-3
p:5*10
16
cm
-3
n=100nm
wedthofp-layer/nm
Jsc/
(mA/
cm^
2
)
single-junctionofc-Siwithn-top-layer
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
Voc/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:,J-V特性
及能带图如图:
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11
-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.2
0
10
20
30
40
50
60
J/
(mA/
cm^
2
)
voltage/V
Eff:32.331%
FF:0.839
Jsc:58.336mA/cm
2
Voc:0.661V
J-Vcurveofc-Siofp-nstructure
图(a)单结单晶硅最佳值J-V特性
050100150200
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Ene
rg
y/
e
V
position/um
vacuumlevel
conductingband
valenceband
FermiEnergy
c-Siofsingle-junctionwithn-top-layer
图(b)单结单晶硅最佳值能带图
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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1017cm-3增加到
5*1019cm-3,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RF0
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
1E171E181E19
26
28
30
32
34
36
38
40
Eff
FF
n=100nm10
19
cm
-3
p=200000nm
doppinglevelofp-layer/nm
Ef
f
/
%
single-junctionofc-Siwithn-top-layer
0.810
0.815
0.820
0.825
0.830
0.835
0.840
0.845
FF
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
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13
1E171E181E19
57
58
59
60
Jsc
Voc
n=100nm10
19
cm
-3
p=200000nm
Jsc/
(mA/
cm^
2
)
doppinglevelofp-layer/cm
-3
0.56
0.58
0.60
0.62
0.64
0.66
0.68
Voc/V
single-junctionofc-Siwithn-top-layer
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*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*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
1019cm-3。
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-3、5*1016cm-3、1019cm-3。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
-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.4
0
10
20
30
40
50
60
J/
(mA/
cm^
2
)
Voltage/V
double-junctionwithp+
Eff:34.52%
FF:0.84
single-junction
Eff:32.352%
FF:0.839
comparisonbetweendouble-junctionandsingle-junctionofc-S-
图(a)加入背电场双结单晶硅J-V图
050100150200
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Ene
rg
y/
e
V
position/um
vacuumlevel
conductingband
FermiEnergy
valenceband
double-junctionwith
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,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
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。
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(cm-3)+19
价带状态密度Nv(cm-3)+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;
晶粒内的掺杂浓度均匀,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。
单结型改变厚度
考虑顶层为n区,模拟中所用参数如下:
表顶层为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)
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RF0
后端接触电势PHIBL(eV)
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
图给出的是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:
湖北大学本科毕业论文(设计)
17
02020004000006000008000001000000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Eff
FF
n=100nm
n:10
19
cm
-3
p:5*10
16
cm
-3
wedthofp-layer/nm
Ef
f
/
%
single-junctionofp-Siwithn-top-layer
0.76
0.77
0.78
0.79
0.80
0.81
0.82
0.83
0.84
0.85
0.86
0.87
0.88
0.89
0.90
FF
图(a)顶层为n型单结多晶硅太阳能电池转化效率及填充因子随厚度的变化
02020004000006000008000001000000
0
10
20
30
40
50
60
Jsc
Voc
n=100nm
n:10
19
cm
-3
p:5*10
16
cm
-3
wedthofp-layer/nm
Jsc/
(mA/
cm^
2
)
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
Vo
c/
V
single-junctionofp-Siwithn-top-layer
图(b)顶层为n型单结多晶硅太阳能电池短路电流及开路电压随厚度的变化
湖北大学本科毕业论文(设计)
18
由图可以看出: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相同。np区厚度分别为100nm、202000nm时的各项输出参数如图:
-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.2
0
10
20
30
40
50
60
J/
(mA/
cm^
2
)
Voltage/V
Eff:31.143%
FF:0.836
Jsc:51.139mA/cm^2
Voc:0.652V
图(a)单结多晶硅最佳值的J-V曲线
050100150200
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Y
Axi
s
T
it
le
position/
vacuumlevel
conductingband
FermiEnergy
valenceband
图(b)单结多晶硅最佳值的能带图
改变掺杂浓度
把n、p区的厚度分别设为100nm、202000nm,n区的掺杂浓度为1019cm-3,所用参数设置如下:
湖北大学本科毕业论文(设计)
19
表顶层为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)
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RF0
后端接触电势PHIBL(eV)
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
得到的模拟结果如下:
1E171E181E19
28
30
32
Eff
FF
n=100nm10
19
cm
-3
p=200000nm
doppinglevelofp-layer/cm
-3
Ef
f
/
%
0.820
0.825
0.830
0.835
0.840
0.845
0.850
0.855
0.860
FF
single-junctionofp-Si
图(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
湖北大学本科毕业论文(设计)
20
1E171E181E19
54
55
56
57
58
59
60
Jsc
Voc
n=100nm10
19
cm
-3
p=200000nm
doppinglevelofp-layer/cm
-3
Jsc(mA/
cm^
2
)
single-junctionofp-Si
0.56
0.58
0.60
0.62
0.64
0.66
Voc/V
图(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。
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、20200nm、2020nm,掺杂浓度
分别为1019cm-3、1018cm-3、1019cm-3,其J-V曲线(图(a)中实线所示)及能带图如图,由图中可以
看出,如同单晶硅一样,加入背电场后,在同样厚度及浓度情况下,效率有所增加:
-0.6-0.4-0.20.00.20.4
0
10
20
30
40
50
60
J/
(mA/
cm^
2
)
voltage/V
double-junction
Eff:31.679%
FF:0.837
single-junction
Eff:31.143%
FF:0.836
comparisonsingle-junctionanddouble-junctionofp-Si
图(a)单结型多晶硅与双结型多晶硅的I-V曲线比较
湖北大学本科毕业论文(设计)
21
图(b)加入背电场的能带图
结论
通过以上模拟多晶硅改变厚度及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
单晶硅的几乎相同,所以模拟结果同单晶硅一样,在可模拟范围内,转化效率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及制造工艺的多重关系。
5非晶硅太阳能电池的设计与模拟
非晶硅太阳能电池的研究概况及非晶硅性质
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~,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。
050100150200
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Ene
rg
y/
e
V
position/um
vacuumlevel
conductingband
FermiLevel
valenceband
double-junctionofp-Siwithp+layer
湖北大学本科毕业论文(设计)
22
图非晶硅结构CRN模型
图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:
(如图)。特别是在的可见光波段,它的吸收系
湖北大学本科毕业论文(设计)
23
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。
,随制备条件的不同约在,这样制成
的非晶硅太阳能电池的开路电压高。
,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。
,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。
,约100千瓦小时,能好的回收年数比单晶硅太阳能电池短得
多。
设计与模拟结果
非晶硅的性能参数
非晶硅的各个参数如下:
表非晶硅材料的性能参数
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:
表各层中加入的高斯缺陷
p-i-n型设计与模拟
p-i-n型改变厚度
考虑双结结构(即p-i-n结)如图,顶层为P层,与讨论单晶硅同样的方法,先改变各层的
厚度。
介电常数
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)
电子亲和能(eV)
导带状态密度Nc+20
价带状态密度Nv+20
施主型受主型
NDG(cm-3)+18NAG(cm-3)+18
EDONG(eV)EACPG(eV)
WDSDG(eV)WDSAG(eV)
GSIG/NG(cm2)GSIS/NA(cm2)
GSIG/PD(cm2)GSIS/PA(cm2)
湖北大学本科毕业论文(设计)
24
图典型非晶硅太阳能电池的p-i-n结构示意图
设P层、N层厚度相同,只改变I层的厚度,模拟所用参数如下:
表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)
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RF0
后端接触电势PHIBL(eV)
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(cm-3)+19
N区掺杂浓度(cm-3)+19
固定p区n区的厚度,增加i区厚度,所得模拟结果图:
0100200300400500600
4
6
8
10
12
14
16
Eff
FF
p=5nm10
19
cm
-3
n=5nm10
19
cm
-3
wedthofi-layer/nm
Ef
f
/
%
double-junctionofa-Siwithp-i-nstructure
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
FF
图(a)p-i-n型非晶硅太阳能电池转化效率及填充因子随电池厚度的变化
湖北大学本科毕业论文(设计)
25
0100200300400500600
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
Jsc
Voc
p=5nm10
19
cm
-3
n=5nm10
19
cm
-3
wedthofi-layer/nm
Jsc/
(mA/
cm^
2
)
double-junctionofa-Siwithp-i-nstructure
0.88
0.89
0.90
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
Voc/V
图(b)p-i-n型非晶硅太阳能电池短路电流及开路电压随电池厚度的变化
如图所示,与单晶硅、多晶硅及非晶硅单结时不同,四项电池输出参量随厚度的增加,都
有一个峰值,这个峰值在i层厚度在200nm左右时取得。其中对于填充因子来讲,由于随着i层厚度
的增加,会不断增加电池的串联电阻,而串联电阻是填充因子的重要影响因素,所以填充因子会不断减
少。对于开路电压来讲,刚开始50nm时,有一个峰值,可能是由于此时i层阻碍了空穴电子的复合,使得
开路电压有所增大。而后,开路电压减小,是因为随着i层厚度的增大,串联电阻也增大,所以Voc
就会减小。与单晶硅与多晶硅相比,也可以得知,禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大
小。由于太阳光中光子能量有大有小,只有那些能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生
电子——空穴对,从而形成光生电流。所以材料禁带宽度小,小于它的光子数量就多,获得的短路
电流就大。但禁带宽度太小也不太合适,因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子-空穴对后剩余
的转变为热能,从而降低光子能量的利用率。其次,禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电
压的大小和P-N结反响饱和电流的大小成反比。禁带宽度越大,反向饱和电流越小,开路电压越高。
200nm以后,各项参数值都下降。
所得效率最大一组值是p、i、n层厚度分别为5nm、200nm、5nm时:
Eff(%)
Jsc(mA/cm^2)
FF
Voc(V)
非晶硅p-i-n型太阳能电池的J-V曲线及能带图如图:
湖北大学本科毕业论文(设计)
26
0.00.20.40.60.81.0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
J/
(mA/
cm^
2
)
voltage/V
p-i-n
Eff:15.944%
FF:0.696
thecomparisonbetweensingle-junctionanddouble-junction
图(a)非晶硅单结型与p-i-n型J-V曲线的比较
0.000.050.100.150.200.25
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Ene
rg
y/
e
V
position/um
vacuumlevel
conductingband
FermiEnergy
valenceband
double-junctionofa-Si
图(b)非晶硅p-i-n型能带图
p-i-n双结型改变掺杂浓度
所用参数如表所示:
湖北大学本科毕业论文(设计)
27
表p-i-n型非晶硅太阳能电池浓度改变时参数设置
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RF0
后端接触电势PHIBL(eV)
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区厚度(nm)5
i区厚度(nm)200
N区厚度(nm)5
以下分两种情况来讨论掺杂浓度变化对其各项因子的影响,即改变n型基区浓度与改变p型顶
区(即发射区)浓度:
一、固定各层厚度,固定p区浓度为1019cm-3,改变n区浓度,所得模拟结果见图:
1E171E181E19
14.0
14.5
15.0
15.5
16.0
16.5
Eff
FF
p=5nm10
19
cm
-3
i=200nm
n=5nm
doppinglevelofn-layer/cm
-3
Ef
f
/
%
p-i-nstructureofa-Siwithp-top-layer
0.66
0.68
0.70
0.72
0.74
FF
图(a)p-i-n型非晶硅太阳能电池转化效率及填充因子随n区掺杂浓度的变化
湖北大学本科毕业论文(设计)
28
1E171E181E19
24.40
24.42
24.44
24.46
24.48
24.50
24.52
24.54
24.56
24.58
24.60
24.62
24.64
24.66
24.68
24.70
24.72
24.74
Jsc
Voc
p=5nm10
19
cm
-3
i=200nm
n=5nm
doppinglevelofn-layer/cm
-3
Jsc/
(mA/
cm^
2
)
p-i-nstructureofa-Siwithp-top-layer
0.920
0.921
0.922
0.923
0.924
0.925
0.926
0.927
0.928
0.929
0.930
0.931
0.932
0.933
0.934
0.935
0.936
0.937
0.938
0.939
0.940
Vo
c/
V
图(b)p-i-n型非晶硅太阳能电池短路电流及开路电压随n区掺杂浓度的变化
如图所示,转化效率、填充因子以及开路电压都随着p、n层掺杂浓度的增加而增大,最后增
加趋致缓慢。而短路电流先随着掺杂浓度增加而减小,在大概1*1019cm-3时,有最小值,而随后又
开始增加,可以给出可能的解释就是:在后面随浓度增加以致重掺杂时,如同像是与前面的区形成
了背电场,增加了多数载流子搜集率,短路电流有些增加。随着掺杂浓度的增加,p-i结、i-n结形
成的内建电势会比较大,所以开路电压就会比较高,同时由于掺杂浓度提高,自由载流子的数目也
会增多,费米能级距导带就会越近,所以可以更充分的吸收光子,增大转化效率。
二、固定各层厚度为5nm、200nm、5nm,固定n区浓度为1019cm-3,只改变p区浓度,所得模
拟结果如下:
1E171E18
14
15
16
Eff
FF
p=5nm
i=200nm
n=5nm10
19
cm
-3
doppinglevelofp-layer/cm
-3
Ef
f
/
%
a-Siofp-i-nstructure
0.665
0.670
0.675
0.680
0.685
0.690
0.695
FF
图(a)p-i-n型非晶硅太阳能电池转化效率及填充因子随p区掺杂浓度的变化
湖北大学本科毕业论文(设计)
29
1E171E18
24.90
24.95
25.00
25.05
25.10
25.15
25.20
Jsc
Voc
p=5nm
i=200nm
n=5nm10
19
cm
-3
doppinglevelofp-layer/cm
-3
Jsc/
(mA/
cm^
2
)
a-Siofp-i-nstructure
0.78
0.80
0.82
0.84
0.86
0.88
0.90
0.92
Vo
c/
V
图(b)p-i-n型非晶硅太阳能电池短路电流及开路电压随p区掺杂浓度的变化
如图所示,电池的转化效率及填充因子都随着顶区掺杂浓度的增高快速增大,短路电流在
1018cm-3以后,快速减小,可能是因为掺杂浓度升高,载流子散射几率增大,在复合中心的复合也会
增大(实际情况中,掺杂浓度增高,载流子迁移率会降低,导致少子扩散长度变短,从而短路电流
降低)。为了避免掺杂浓度提高带来缺陷,所以一般取在1019cm-3。
改变结构
顶层窗口层换成SiC后,掺杂浓度都为1019cm-3,p-SiC:H、i-SiC:H、n-Si:H厚度分别为5nm、200nm、
5nm时的模拟结果如下(黑色的是相同厚度相同掺杂普通p-i-n型的J-V曲线,以与之作比较):
0.00.20.40.60.81.0
0
10
20
30
40
J/
(mA/
cm^
2
)
V/V
p-i-n
Eff:
FF:0.696
Sic-i-n
Eff:
FF:0.69
thecomparisonbetweencommonp-i-nandSiC-i-n
图(a)顶层为a-SiC:H层的非晶硅电池J-V特性与普通p-i-n型比较
湖北大学本科毕业论文(设计)
30
0.000.050.100.150.200.25
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Ene
rg
y/
e
V
position/um
vacuumlevel
conductingband
FermiEnergy
valenceband
energybandofa-SiwithSiC-top-layer
图(b)顶层为a-SiC:H层的非晶硅电池的能带图
从图可以看出,同样厚度的单晶硅电池,当顶层换成禁带宽度比较大的SiC层厚,转换效
率可以有稍微提升,可以给出以下解释:使用a-Si:H的优点是该种材料的带隙可以通过控制碳的含量
在很大范围内变化,即随膜中碳含量的增加,a-S
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