GaAsSb热光伏电池开路电压 的优化仿真分析.docx
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GaAsSb热光伏电池开路电压的优化仿真分析
作者声明
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该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
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年月日
GaAsSb热光伏电池开路电压
的优化仿真分析
Analysisofthermophotovoltaicbattery
opencircuitvoltagetheory
2014年6月10日
摘要
本文首先对热光伏电池技术的发展和原理进行了阐述，同时也将其和太阳能光伏电池进行了简单的比较。
说明了黑体的原理以及不同温度下黑体的光功率密度以及热辐射的原理。
之后介绍了热光伏系统，它主要由四部分组成，分别是热源、光学滤波器、热辐射器以及本论文讨论的热光伏电池。
之后探讨了热光伏电池在这几十年来的研究进程以及热光伏技术的前景和一些应用。
热光伏技术开始时有过一段沉寂期，后来由于Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的发展才开始真正广泛应用了开来，所以在这里也介绍了Ⅲ-Ⅴ族半导体的制造技术，如液相磊晶技术，化学气相沉积等，本文还对具体的锑化物进行了说明，讨论了它的优缺点以及一些物理性能的对比，并结合热光伏技术介绍了一些锑化物的应用。
仿真使用的是PC-1D软件，在这里主要介绍了它的菜单和一些选项，同时对PC-1D的特性和参数设置做了一些简要说明。
之后对用PC-1D软件进行GaAsSb热光伏电池的模型建立做出了一些说明，并解释了仿真的结果以及一些数据图，最后分析了电池的一些参数对它的转换效率、开路电压、等输出特性的影响。
关键字：
热光伏电池；锑化物；PC-1D软件仿真
ABSTRACT
Firstly,thedevelopmentandtheprincipleofthermalphotovoltaiccelltechnologiesaredescribed,aswellasitssolarphotovoltaiccellsforasimplecomparison.Illustratestheprincipleandtheprincipleofablackbodylightpowerdensityatdifferenttemperaturesandthermalradiation.Followingtheintroductionofthethermalphotovoltaicsystem,whichmainlyconsistsofheat,thermalradiation,thermalphotovoltaiccells,opticalfiltercomposedoffourparts,includingthermalphotovoltaiccellsisitscorecomponent,italsomadethegeneralparametersintroducedbelow.Afterthermalphotovoltaiccellsdiscussedprospectsofthesedecadestheresearchprocessandthermalandphotovoltaictechnologyinsomeapplications.Hotstartofphotovoltaictechnologyhavehadaperiodofsilence,andlaterasⅢ-Ⅴcompoundmaterialdevelopmentbegantoreallyopentoawiderangeofapplications,soherealsointroducedⅢ-Ⅴcompoundsemiconductormanufacturingtechniques,suchasliquidLeicrystaltechnology,chemicalvapordeposition,thepaperalsospecificantimonycompoundsaredescribed,comparingtheadvantagesanddisadvantagesarediscussedaswellassomeofitsphysicalproperties,combinedwiththermalphotovoltaictechnologydescribessomeapplicationsofantimonycompounds.
ThesimulationusesPC1Dsoftware,whereitintroducesthemenusandoptions,whilethecharacteristicsandparameterssetPC1Dmadesomebriefinstructions.AfterheatwithGaAsSbPC1Dsoftwaremodelofphotovoltaiccellsmadeofsomedescriptionandexplanationofsomeofthesimulationresultsandthedatamap,andfinallytheinfluenceofsomeparametersoftheefficiencyofitsbattery,thevoltageoutputcharacteristicsandthelike.
Keywords:
hotphotovoltaiccells；antimonycompounds；PC-1Dsimulation
目录
绪论1
1.1热光伏电池技术1
1.1.1热光伏电池原理1
1.1.2黑体1
1.1.3热辐射2
1.1.4热光伏电池的一般参数3
1.1.5热光伏系统5
1.1.6热光伏电池的研究进程7
1.1.7热光伏技术应用价值和前景8
1.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体8
1.2.1形成原理8
1.2.2锑化物半导体物理性能9
1.2.3磷化铟10
1.2.4GaAsSb材料参数的模拟10
1.2.5锑化物在热光伏技术中的应用11
1.3暗电流12
1.4本论文研究内容13
第二章PC1D软件应用14
2.1PC1D仿真软件介绍14
2.2PC1D界面介绍14
2.3PC1D模型建立17
2.4基本物理参数设置18
2.5激励文件的载入18
2.6PC-1D数据曲线图介绍18
2.7本章小结20
第三章PC1D仿真分析21
3.1电阻的影响21
3.2有源区厚度的影响23
3.3复合速率的影响24
3.4本章小结25
第四章总结26
致谢27
参考文献28
绪论
1.1热光伏电池技术
光伏电池由于能够将太阳光转化为电能，已经受到了广泛的应用，而其中的另一种热光伏电池则正在快速发展，它是利用热源发出的热量来发电的，也可以利用大部分其他物体浪费的热量，如发动机、电子设备在运行过程中所散发出的热量。
热光伏电池的技术在20世纪60年代开始发展，可由于材料的缺乏，一直都没有得到重视，直到90年代末期，随着Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的突破，它才开始真正进入人们的视线。
1.1.1热光伏电池原理
大部分光伏电池（Photovoltaiceell）是基于光生伏特效应原理的。
而光生伏特效应所指的是当光照到半导体p-n结附近，并且其中光子的能量大于半导体禁带能量时，光能会被半导体所吸收，之后半导体的导带和价带中就会产生非平衡载流子，我们称其为电子空穴对。
较强的内建静电场存在于p-n结势垒区，所以在内建电场的作用下，势垒区的非平衡电子和空穴，或者是扩散进势垒区的非平衡电子和空穴就会向相反方向运动，从而离开势垒区。
这就导致了p区的电势升高，n区的电势降低，从而使得p-n结的两端形成了光生电动势，这个时候只要在p-n结的两端加一个负载就会使电路中会通过电流[1]。
现在我们经常听到和看到的太阳能光伏电池（SolarPhotovoltaiccell—Sptv）就是运用这种原理将太阳能转化为电能的一种光伏电池，其使用的辐射源是温度将近6000K的太阳；而这里所主要用的热光伏电池（Thermalphotovoltaiccell一TPVcell）的辐射源就是我们可以人为制造的物体，因为温度相对于太阳能光伏电池会低很多[2]，大部分在1000-2000k左右。
1.1.2黑体
黑体通常来说定义为可以吸收外部的全部电磁辐射，并且没有任何的反射与透射会出现，可以说是一种理想化的物体。
而我们通常所使用的TPV辐射体就与这种黑体相类似，同样的，太阳的辐射特性与黑体类似。
如图1.1是在各种温度下黑体辐射光功率与光子波长的关系，其中图中太阳所对应的温度是5780K，而TPV辐射体是在1000~2000K的温度范围中。
TPV电池要搭配的半导体是要经过选择的，最好是半导体的禁带宽度要较小，这是因为短波区域分布着太阳光，而长波区域的辐射体就主要是TPV，它们分别对应高能量光子和低能量光子。
图1.1不同温度时黑体的辐射光功率密度谱
TPV系统的能量转换密度是非常大的，从图1.1中可以了解太阳的光功率密度远大于TPV辐射体。
但是我们知道太阳与地球的距离是非常大的，并且这途中还要经过各种阻力才会到达地球，而TPV辐射体由于可以人为制造，所以可以离电池很近，这就导致了太阳功率到达地球时比TPV到达电池表面的光功率小很多，通常太阳的是0.1Wcm-2，TPV的是5-30Wcm-2范围。
1.1.3热辐射
热辐射是热量传递的三种方式之一，是由于物体具有了一定的温度之后向外辐射电磁波的现象，它被激发在本质上是因为物体内部中的微观粒子的运动状态改变。
热辐射的波长范围在理论上可以从零覆盖到无穷大，但实际达到的温度范围中，波长大致在0.1μm到10μm之间，其中包含了三个波段，分别是部分紫外线、可见光和部分红外线。
电磁波的波谱可以从图1.2了解。
图1.2电磁波波谱
射线、X射线、紫外线
可见光：
0.38＜λ＜0.76μm
红外线：
0.76＜λ＜10
μm
微波：
10
＜λ＜10
μm
无线电波：
λ＞10
μm
热辐射的特点如下：
1.对于热辐射来说，物体的温度越高，那么它辐射出来的能量总量就越大，并且只要物体的温度大于0K，那么他就能够产生辐射。
此时的能量转换时由内能→辐射能；
2.热辐射的传递在真空中同时也具有唯一性，这是因为电磁波并不需要以介质为媒介来传递；
3.不管是任何实际物体，热辐射都能被其吸收，而吸收时是辐射能→内能；
4.在不同温度的物体之间，当它们的热量传递以热辐射的方式进行时，传递是双向的，并且热辐射是热量传递的基本方式之一；
5.辐射能与物体的内部状况无关，主要取决于温度和波长。
1.1.4热光伏电池的一般参数
热光伏系统的核心部件是热光伏电池，其基本结构为P-N结。
热光伏电池原理与太阳能电池原理相同，均是利用半导体的光电转换特性。
热光伏系统的指标参数是其最大输出电功率（Pm）和能量转换效率（η）。
下面的公式1-1表示能量转换效率与最大输出电功率的关系：
（1-1）
当光谱控制系统确定后，能量转换效率仅与最大输出电功率（Pm）有关。
为了描述热光伏电池的电功率输出特性，通常引入三个参数，短路电流（Isc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）。
开路电压Voc是电池开路时两端的电压，如下式1-2
（1-2）
其中q为常温下电子电荷；Jo为暗电流密度，也称为少子复合电流密度；Jlight为光生电流密度；Voc为开路电压；m为p-n结的非理性因子，它与结的质量有关，在这里一般可取1。
所以，当电池的工作温度确定后，开路电压仅由暗电流密度（J0）决定，降低暗电流密度可以提高开路电压。
电压因子可由下式1-3得出
（1-3）
填充因子（FF），也被称为占空因子，它是最大输出电功率与开路电压和短路电流乘积的比值，其表达式1-4如下：
（1-4）
图1.3典型P-N结光电池伏安特性曲线
图1.3给出了P-N结热光伏电池输出特性曲线，其中给出了上面表达式中各个参数的含义，当电池功率输出最大时，图中的Im和Vm就是此时的电流和电压值。
图中阴影部分的面积和曲线外虚线框的面积的比值即为填充因子。
填充因子是为估量电池转换效率引入的物理量，它由最大输出电功率密度、开路电压及短路电流共同决定。
1.1.5热光伏系统
我们通常所看到的的热光伏系统（如图1.4）一般包括热源、光学滤波器、热辐射器以及本论文讨论的热光伏电池。
而其他的比如热回收器和辅助组件等子系统通常是用来作为提高热光伏系统的转换效率的，也可以为回收循环利用能量来适当添加一些子系统。
在热光伏系统中，起核心组件功能，也就是将热辐射能量转换为电能的是热光伏电池。
热辐射在利用率上是可以提高的，在系统中为了提高TPV系统的热辐射利用效率一般是依靠热辐射的选择性光谱发射，这就可以利用热辐射器和光学滤波器来完成这项工作。
热回收器的使用可以让我们将热能利用效率从30%提高到85%。
辅助器件则可以用于电池组件的散热、废气废热的排放以及整个热光伏系统的集成。
图1.4热光伏系统结构示意图
热光伏电池的效率目前来说只能够达到20%~30%[5]，这是因为其受到很多方面的影响，最主要的就是热光伏电池pn结的理论现在还处在研究中，依然有很多的限制制约着热光伏技术的发展，所以现阶段关于热光伏系统的研究主要集中在单个部件的优化中，同时再在整个的系统一步步研制，开发。
下面就先分别介绍一下热光伏系统的基本组件。
热源
热源也就是提供热能的物质，而作为为热光伏系统提供热源，就是能够为其热辐射体提供热能，是一种能源物质，它必须要使得辐射体达到我们所需要的温度，所以必须是能够产生足够多的热量。
我们为TPV所使用的热源通常有太阳热能，气态燃料（如甲烷、天然气等）所燃烧的热能，工业废热以及核热能等。
热辐射器
热辐射器是热光伏系统的核心组件之一，它主要是将能量转换为热辐射能，而这些能量可以是化学能，太阳能或者生物能等从热源发出来的能量，可以说热辐射器就是为半导体转换器提供能量的一种装置。
在现代，我们已经发展了很多不同种类的热辐射器，比如说宽带辐射器，我们也将其称为黑体辐射器，由于它在低温时可以比较好的完成工作，所以科学家一直在寻找可以在1300摄氏度下正常表现的材料，同时也会将其使用在默写较为特别的国防事业中。
现阶段由于在黑体辐射器的转换器要求较严格，所以在TPV系统上普遍选择的是SiC，这是因为这种材料它有将近90%的发射率，同时这也与波长没有关系，在另一方面SiC也有比较好的耐热性。
还有选择性辐射器，我们可以知道它的辐射光谱只要在高温加热时就会很窄，大致是分布在一个比较小的范围之中。
所以当我们要提高它的转换效率时，就需要配合一些禁带宽度较大的转换器了，这也是因为它的发射率可以随波长来改变。
通常来说我们为选择性辐射器较多使用的是稀土氧化物，比如说氧化镱（Yb）、氧化饵（Eb）等，它们的熔点和辐射特性都很适合制造。
光学滤波器
由于在实际中热电转换效率是一种非常重要的标准，而我们也要提高这种效率，所以在TPV系统中，光学滤波器充当了提高转换效率的功能。
不论是哪一种辐射器都不可能完全不产生不能转换为电能的光子，光电转换器件的禁带宽度的能量比这些光子高，而这些能量会使得整个系统和光伏电池被加热，所以是要被处理好的。
处理这些能量就是光学滤波器的作用了，它在系统中主要是用来将红外光反射回热辐射器，从而回收再利用，其中大部分红外光是热光伏电池不能转换为电能而剩余的。
这种滤波器是一种用来进行匹配的光学仪器，通常可以在热辐射器和热光伏电池之间进行匹配。
滤波器在平时的使用中是通过组合多种型号和类型的滤波器，从而达到最好的效果，因为只是单独一个滤波器会有很多的缺点和不足。
像现在我们使用最多，最广泛的滤波器石英玻璃就是通过多种模型结构，并采取一些其他方式得到的，这就使得它不仅具备了各种优点，同时也避免了很多干扰。
热光伏电池
我们知道，热光伏电池是TPV系统的一个核心组件，它经过光伏效应将红外光转换为电能，实现热辐射能和电能之间的转换。
它的转换效率可以说是整个TPV系统中最为重要的一环，决定了整个系统的效率。
所以一直以来都是各国科学家都重点关注的方向。
从早期使用的一般是硅锗电池，但由于其转换效率不高，导致了TPV系统一直不被重视，之后由于Ⅲ-Ⅴ半导体材料出现才真正开始发展。
首先是二元化合物电池，如GaSb电池、GaAs电池，然后是三元、四元电池的出现，如InGaSb、InGaAsSb、InGaAsP[6-8]等，后来又出现了量子陷光伏电池，可以说热光伏电池一直都在向前发展。
1.1.6热光伏电池的研究进程
众所周知，太阳的温度是非常高的，这就导致了我们在选择材料时一般选择的是高带宽能量的材料，比如说能够获得较好光伏效应的Si材料，同时我们也有较多的途径获得这些材料，所以太阳能电池在近年来发展非常迅速。
但对于热光伏电池系统，其热源的材料就比较难获得了，因为它所需的是温度较低的辐射体，与太阳的相比就是需要PV的带宽能量小，这就限制了热光伏的发展。
热光伏电池系统最早出现在上世纪50年代，也就是1956年，美国麻省理工大学的H.H.Kolm设计并制造了可以说是最原始的TPV系统，这个系统的输出功率由于其光电转换器是采用硅电池，所以达到了1W。
之后的几年中，MIT不断有新的理论研究出现，其中E.Kittl发表了TPV系统的原理。
PierreAigrain在1960年第一次仔细介绍了热光伏现象。
而Whlte等人在1960年的第15届能源学年会上对热光伏电池做了很多的讨论。
但是一直到20世纪90年代末，热光伏电池系统才重新开始让普通人关注，这是因为TPV所需要的材料有了新的发展，也就是低带宽能量的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料终于成功研制了出来。
这种半导体材料为TPV器件带来了较为理想的窄带隙半导体材料，它能够使热光伏器件的低温热源较为容易的实现，也就是其波长在1.9~2.6μm范围的入射光，它并不需要过于高的热源温度，仅仅只需要在1100K~1500K的温度，这些都为TPV的发展带来了契机。
我们也从中获得了很多有益的事，比如说热光伏器件只要让它工作在特殊的波段，比如说中红外波段，那么就可以将一些非太阳辐射很好的转换为我们通常所用的电能，并且它还具有很好的转换效率，同时其输出能量密度也是非常高。
所以我们可以利用其这种将低温热辐射转换为电能的能力，为我们的很多行业服务，比如在各种野外活动，或者军事作业中。
当然，由于这种转换能力，我们还可以将其用在工业领域上来产生电力，这样就是很好的资源，能源的再利用，对环境也有很好的帮助。
在现代的集成电路中，我们也可以将其利用好，比如说集成成为在位“发电机”。
由于材料的发展，与一些限制的消失，热光伏技术正在不断发展与进步，其在世界很多国家都占有了很重要的部分，比如说在美国，英国，日本，澳大利亚，俄罗斯，德国，瑞士等很多国家都在致力于发展热光伏技术的研究工作，并且希望将其在各种领域内都实用化，特别是在民间大众的使用。
美国的可再生能源实验室就已经办过很多次的TPV发展会议，JXCrystals公司也曾在1996年制造了一种热光伏壁炉，即使是在偏远的地区，它也可以提高住所的照明，这种产品就是使用的小型便携式TPV系统，并是在GaSb光伏电池的基础上研制而来。
同样的，在2005年，美国西华盛顿大学也通过组装8个GaSb光伏电池系统，成功设计出来了一款与众不同的汽车，并且能够达到时速100英里，一次性能够最多行驶50英里。
这些都鼓励着我们去开发和发展热光伏电池技术。
1.1.7热光伏技术应用价值和前景
热光伏技术在近几十年都在一直发展，不过大部分都集中在军事领域中，在民用方面并没有太大的优势，所以这也给了我们努力的方向，因为如果在普通大众上能够利用好热光伏技术，那么对于社会各个领域都有很大的好处，对环境也可以起到积极作用。
现阶段的TPV技术主要是运用在太阳能热光伏、生物能热光伏、核能热光伏等等，可以说TPV技术在很多领域都有着很大的用处，这就是因为TPV技术拥有者很多的优点，不仅仅只局限在环境的保护上。
由于它的输出电功率的密度高，使得在同样的功率密度下，可以使电池尽可能的减小，从而达到优化系统，减少成本的目的。
这也是热光伏电池的一大优点，为了获得高的能流密度，我们一般会在光伏器件的近处放置辐射源，有时也可以让它的辐射能流集中在一起。
在上面我们也了解到，热光伏技术的辐射源是可以人为制造的，这就让我们有了很多的选择性，热源的多元化也使得其应用的可选择性大了很多。
而我们一般选择的热源都可以说是安全且环保的，很少会污染周边，同时如果进行回收再利用也有很大的意义，比如将产生的工业废热再次利用，使其转换为电能，这在能源紧张的今天是有很大的用处的。
TPV系统在整个工作状态中，其内部并没有需要运动的部分，所以在军事和民间上都有很大的作用，因为它并不会产生噪音，工作时异常安静。
热光伏技术依然处在研究阶段，短时间内并不会有太大的突破，但是随着技术的不断发展和完善，我们一定可以充分利用好它，使其在各个领域都得到充分的发挥。
1.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体
1.2.1形成原理
我们所了解的大部分Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体都是属于直接能隙半导体，它与间接能隙半导体是不同的。
通常来说，直接能隙半导体指电子从导带的底端落至价带的顶端，它只会产生能量的变化，而这个能量大致上等于导带底部与价带顶部之间的能量差值，这就是半导体的能隙，而另一方面，间接能隙半导体是当电子从导带底部落至价带顶部时，除了有能量变化之外，它的晶体动量也会随之改变，它们的简单能带架构如图如下。
图1.5简单能带架构[9]
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是用一些技术所制造的，它不是大自然中原本就存在的。
通常我们可以利用液相磊晶（LPE）技术、有机金属化学气相沉积（MOCVD）、分子束磊晶（MBE）技术或是化学气相沉积（CVD）技术来将Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜在各种基板上成长，当然，我们还必须考虑很多方面，比如说Ⅲ-Ⅴ族半导体与基板之间的晶格匹配的问题，因为基板的类型有很多，在使用各种不同的基板时，我们可以得到各种不同的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，不论是二元、三元还是四元的Ⅲ-Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，都可以完整的得到。
与此同时，如果我们想要改变半导体的导电载流子特性和电导率，那么我们就可以
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