新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟毕业论文.docx

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新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟毕业论文

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

姓名真学号20021

专业年级06电科

指导教师高云职称教授

2010年5月5日

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-1D

THEMODELLINGANDSIMULATIONOFNEW-TYPESilicon-BASEDSOLARCELL

ABSTRACT

ThisthesisbrieflyintroducedthebasicPVmechanismandthedevelopmentinPVcell.AMPS-1DsoftwarewasutilizedtosimulatethephotovoltaicpropertyofvariousdevicestructuresforsinglecrystalSi,poly-SiandamorphousSisolarcell.Alltheparametersusedinthesimulationswereobtainedfromthereportedexperimentaldata.ThebasisstructureswerePNandPINdiodes.Byvaringthethicknessandthedopingconcentrationofvariouslayers,thephotoelectricconversationefficiency,fillfactor,shortcircuitcurrentandopencircuitvoltagewerestudied.Thebestconversationefficiencieswereobtainedbyoptimizingthedevicestructures.

[Keywords]silicon-basedsolarcell,modelling,AMPS-1Dsimulation

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。

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。

本文主要用AMPS-1D（AOne-DimensionalDeviceSimulationProgramfortheAnalysisofMicroelectronicandPhotonicStructrues）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：

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]（1.1）

其中：

V是光生电压，IS是反向饱和电流。

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，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=IS[exp（qV/kT）-1]-IL（1.3）

左图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。

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）

（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）

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%

=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1017cm-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，在电池基区常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。

图1.4高掺杂效应

六、表面复合速率

如左图，在P/P+结处的电场妨碍电子朝背表面流动

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1.5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）

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。

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。

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、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，采用多层涂层能得到更好的效果。

2模拟软件AMPS-1D的介绍

AMPS-1D（AOne-DimensionalDeviceSimulationProgramfortheAnalysisofMicroelectronicandPhotonicStructrues）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

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

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19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cmX5cm）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3.1单晶硅的晶胞结构

3.2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

电子亲和能（eV）

4.05

功函数（eV）

4.60

3.2.2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RF

0

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RB

0.6

P区掺杂浓度（cm-3）

1.00E+19

N区掺杂浓度（cm-3）

1.00E+18

图3.2np（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：

图3.3（a）转化效率与填充因子随厚度的变化

图3.3（b）短路电流和开路电压随厚度的变化

从图3.4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：

图3.4（a）单结单晶硅最佳值J-V特性

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RF

0

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RB

0.6

N区厚度（nm）

100

P区厚度（nm）

200000

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

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Ｊ－Ｖ曲线，为了对比，红线为一样厚度单结单晶硅的Ｊ－Ｖ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/cm^2,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，说明当加入p+层后，对电池的开路电压和短路电流都有所提高。

图3.6（a）加入背电场双结单晶硅J-V图

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