本征层厚度及掺杂对a-Si太阳电池性能影响的模拟研究 毕业论文.doc

毕 业 论 文 题 目：本征层厚度及掺杂对 a-si：h 太阳电池性能影响的模拟研究 学院(直属系 )：材料科学与工程学院 年级、专 业：2006 级材料科学与工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 时 间：2010 年 6 月 7 日 i 本征层厚度及掺杂对 a-si 太阳电池性能影响的模拟研究 摘 要 本文通过使用一维微光电子分析工具 amps-1d 重点分析了本征层掺杂 和厚度对太阳能电池性能的影响。在掺杂方面研究了施主型杂质和受主型杂 质的浓度分别在 51015cm-3 到 51020cm-3 之间时对太阳能电池产生的不同的 影响。在厚度方面，考虑到了非晶硅的晶格结构，研究了本征层从 20nm 到 700nm 时太阳能的短路电流、开路电压、转换效率、填充因子各自不同的变 化，从而得出了各个因素对非晶硅太阳能电池的影响，对于提高太阳能电池 转换效率具有实际的指导意义。 关键词：非晶硅；太阳能；掺杂；本征层 ii abstract by use of microelectronic and photonic structures-1d analysis the intrinsic layer doping and thickness influences the performance of solar cells.in the doping aspect research donor impurity and acceptor impurity concentration from 51015cm-3 to 51020cm-3 of solar cells between the different influences. in thickness， consider the lattice structure of amorphous silicon,research when the layer from 20nm 700nm the short-circuit current,open voltage,conversion efficiency and fill factor of solar cells with different changes,and various factors of amorphous silicon solar battery,to improve the efficiency of solar cells with practical significance. keywords:a-si;solar energy;doping;intrinsic layer iii 目录 第 1 章 绪论 - 1 - 1.1 引言 - 1 - 1.2 太阳电池技术的发展历史 2 - 2 - 1.3 太阳电池的发展方向及应用 - 4 - 1.4 本章小结 - 5 - 第 2 章 a-si 太阳电池结构及原理分析 - 6 - 2.1 结构分析 - 6 - 2.2 原理分析 - 8 - 2.3 本章小结 - 14 - 第 3 章 a-si 太阳电池性能模拟研究 - 15 - 3.1 软件介绍 - 15 - 3.2 模型结构 - 16 - 3.3 掺杂模拟及结果 - 17 - 3.4 厚度模拟及结果 - 21 - 3.5 本章小结 - 23 - 第 4 章 模拟结果分析 - 24 - 4.1 受主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 - 24 - 4.2 施主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 - 29 - 4.3 两种掺杂浓度对太阳能电池性能影响的对比分析 - 32 - 4.4 本征层厚度对太阳能电池性能影响的分析 - 34 - 4.5 本章小结 - 36 - 第 5 章 结论 - 38 - 第 6 章 总结与体会 - 39 - 致谢 - 40 - 参考文献 - 41 - - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 引言 由于上世纪人类物质文明的飞速发展是建立在大量消耗地球上蕴藏的能源资 源和大规模破坏人类赖以生存的生态环境的基础上的，能源枯竭已成为人类社会 最大的威胁之一，如表 1-11所示。在节约能源的前提下发展经济已成为人们的 共识。因此在新世纪内，人类文明可持续发展所面临的三大课题被称做”3e”，即 energy、economy 和 environment。新世纪经济的发展不能仅看产值 ，还要看单 位能耗的产值。 表 1-1 全世界能源资源情况 太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应，进行质能转换，向宇宙辐射的总 功率约为 3181023kw，投射到地球大气层之前的功率密度约为 1135kw/m2，到达 地表的功率密度仍有 1kw/m2。如果太阳辐射维持不变，则太阳半衰期寿命还有 71012 年以上，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地 2/3 以 上地区的年日照时数大于 2000h，太阳能相当丰富。目前，太阳能的利用主要有 太阳电池发电和太阳能热水器制热。太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发 电两大类。太阳光能发电是通过太阳电池将太阳能直接转换成电能的系统，又称 作光伏系统 (photo-voltaic power generation system)。太阳热能发电是将太阳热能 储蓄在热介质中产生水蒸气以推动蒸汽轮机发电的系统。由于太阳热能发电系统 的集热装置和太阳跟踪装置均较复杂且尚未实用化，而太阳电池发电与其他发电 方法相比具有无振动、无噪声、无污染的特点，如表 1-2 所示，因此太阳热能发 电得到广泛使用。 表 1-2 各种发电方法产生大气 种类 探明可采储量 年产量 可采年数 煤 1.031012t(1996 年) 4.6109t 223 年 石油 1.0531012 桶（1998 年） 2.671010 桶 39 年 天然气 1.461014m3（1998 年） 2.271012m3 64 年 - 2 - 污染物的量 g/kwh 发电方法 煤 石油 天然气 原子能 风力 水力 太阳能 cox 322.8 258.5 178 7.8 6.7 5.9 5.3 nox 1.8 0.88 0.9 0.003 0.007污染物 sox 3.4 1.7 0.001 0.03 0.02 1.2 太阳电池技术的发展历史 2 太阳电池源于“光生伏特效应”，是指光照使不均匀半导体或者半导体与金 属结合的不同部位之间产生电位差的现象，于 1887 年，由 heinrich hertz 发现， 1905 年爱因斯坦用光子概念进行了成功的理论解释。光伏效应存在于所有的金属 和非金属材，理论上金属太阳电池的光电转换效率不会高于 1%，因此，各国都 将太阳电池的发展重点放在非金属及具有半导体特征的化合物上。 shell 和 bp 为最早的太阳能光电领导厂商， 19011945 年研究的太阳能装置， 虽接近实用目标，但费用偏高。后来受两次世界大战以及石油及水电等能源被大 量使用，太阳能应用研究被放缓。直到 19461972 年，二战后的经济复苏阶段， 由于石油资源的逐渐减少，各国重启太阳能研究。1954 年美国贝尔实验室首次制 作出硅基太阳电池，次年美国无线电公司（rca）开始进行 gaas 太阳电池的开 发，美国波音（boeing）公司在 1956 年通过其子公司 spectrolab，专门从事 gaas 太阳电池的研发，并于 1959 年在探险家六号卫星上搭载该公司生产的太阳 电池，作为主要电力来源。俄国科学家 zh.i.alferov 于 1963 年前后提出半导体异 质接面概念，并率领研究团队于 1970 年首次制作了具有异质接面的 gaas 太阳电 池，而成为俄国科学院副院长。1973 年 10 月爆发的中东战争，使各国进一步了 解能源的重要性和调整能源结构的必要性。同年底美国政府率先制定了阳光发电 计划。至此，太阳能应用也由不计成本的卫星用途，转向地面发电装置。最初， 太阳能发电首选偏远地区。1966 年 sharp 建成当时全球最大的太阳能灯塔。1980 年，sharp 率先将太阳电池商品化。1990 年后，由于德、美、日等国家采取多种 措施鼓励发展太阳能发电装置，太阳电池的商业化开始提速。2000 年后全球光伏 - 3 - 电池增速进一步加快，仅 2006 年安装规模就达到 1744mw，预计 2010 年将达到 13gw，成为继风电之后发展最快的新能源产业。 从全球范围来看，光伏技术发展正在朝着低成本、低能耗、低污染的方向发 展。以日本为例，该国对太阳能技术的提升有明确的目标，如表 1-3 和表 1-4 所 示。 表 1-5 日本太阳电池模组转换效率目标 单位：% 注：（）内为电池转换效率目标 太阳电池种类 现况 2010 年 2020 年 2030 年 多晶硅电池 1314.8（18.4） 16（20） 19（25） 22（35） 薄膜电池 10（14.7） 12（15） 14（18） 18（20） cis 系电池 1012（18.9） 13（19） 18(25) 22(25) 超高效率电池 （38.9） 28（40） 35（45） 40（50） 染料薄膜电池 （10.5） 6（10） 10（15） 15（18） 表 1-6 日本技术开发目标 项 目 现况（达成年） 2010-2030 年开发目标（达成年） 降低模组制造成本 生产成本：250 日元/w(2003 年) 预期发展：140 日元/w(2003 年) 100 日元/w(2010 年) 750 日元/w(2020 年) 50 日元/w(2030 年) 提升模组耐久性 寿命 20 年 寿命 30 年 原料消耗指标化 10-13g/w 硅圆：1g/w(2030 年) 变频器 30000 日元/kw 15000 日元/kw(2020 年) 蓄电装置 10 日元/wh 10 日元/wh(2020 年) 以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为 29，按目前技术路 线，提升效率的难度已经非常大。薄膜太阳电池由于具有大面积沉积、低材料消 耗及可在低成本基板上制作，有较大的成本下降潜力的优点，其发展前景非常看 - 4 - 好，成为近阶段发展研究的重点。而薄膜电池的最大机遇是在建筑上应用，包括 商业、工业和住宅市场。由于薄膜技术固有的灵活性，能够以多种方式嵌入屋顶 和墙壁，将电池集成到建筑材料有着极大的降低成本的潜力。 目前，国际光伏巨头们大都放缓了晶体硅太阳电池产能的扩张，转而加强了 对低成本非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池以及柔性电池、高效-族电池 的投入，并规划了雄心勃勃扩产计划。全球排名第一的 q-cells 公司虽然晶体硅 电池产能巨大，但早已全线推进现有商业化薄膜电池技术，对非晶硅、碲化镉、 铜铟硒等薄膜电池均有投入，并初步实现产业化。全球领导大厂 sharp 公司更是 果断放弃了多年国际太阳能产业 n.1 的地位，停止了晶体硅电池的扩产，转而大 力发展非晶硅薄膜太阳电池，计划到 2010 年薄膜电池投产 1gw，2012 年达到 6gw。sharp 意图在新一轮新技术驱动的新能源产业发展中重树霸主地位！美国薄 膜电池新贵 first solar 依仗其领先的 cdte 薄膜电池技术，以 503mw 的实际产 量更是在 2008 年一举超过尚德、sharp 等大型光伏企业，排在 q-cells 之后位列 全球第二，并有望在 2009 年登上世界第一的宝座。sharp 预计，2012 年全球薄 膜电池产量将超过晶体硅电池，薄膜化正在成为国际光伏产业发展的大趋势。 1.3 太阳电池的发展方向及应用 太阳电池作为一种新兴的能源可以制成电池组件与现在相当成熟的水力、火 力和风能一起提供动力及照明电源等，现在太阳电池正在以不同的形式悄然的进 入我们的生活。在刚刚结束的 2009 日本新科技博览会上，太阳电池大放异彩， 各个公司均展览出了其最新产品和理念。将太阳能用于住房是目前各个公司最感 兴趣的项目之一，而且各公司一致展出的不仅仅是设置在住宅屋顶的电池，还有 在住宅内使用的色素增感型太阳电池。其着眼点分别在于提高住宅内低照度环境 下的效率，以及提高设计性。 色素增感型太阳电池的室内利用方案层出不穷，各公司纷纷展出通过组合蓄 电池、提高设计性等方式强化了室内使用效果的色素增感型太阳电池。 - 5 - 图 1（a）：罗姆根据室内低照度环境对色素和电极进行了优化。 图 1（b）：tdk 利用 ag 膏布线绘制出了图案。 图 1（c）：太阳诱电通过结合 li 离子电容器，使为电器充电变得简单。 重视设计性的太阳电池试制品来自 tdk3。该公司试制出了不仅能在电池板 上着色，还能够绘制图案的色素增感型太阳电池。由于使用了柔性的 pen 薄膜， 因此，该电池具有重量轻、耐冲击性优良的特点。图案的形成利用的是丝网印刷 形成的 ag 膏布线。但 ag 膏描绘的图案必须发挥电极的作用。因此，图案需要 由延伸至外围的连线构成。为了提高可靠性，tdk 改进了 ag 膏与电解液之间的 保护层，防止了 ag 膏腐蚀。在室温条件下可使用 5 年左右。单元的转换效率在 实验阶段为 7.9。 这些新的太阳能技术的出现让我们更加有理由相信，在不久的将来以太阳能 作为动力的产品将会出现在我们生活的各个角落。太阳能也会解决现在非常严重 的环境及能源问题，让人类不断的向着可持续的方向发展。 1.4 本章小结 本章介绍了人类面临的能源及环境问题让人类不得不寻找新的能源发展方向 太阳能，以及太阳能的发展历史及过程，太阳能的发展现状、最新的一些成果 以及未来发展的趋势。 第 2 章 a-si 太阳电池结构及原理分析 非晶硅薄膜电池诞生于 1976 年，是用非晶硅半导体林料制备的一种薄膜电 - 6 - 池。因其制造过程中的耗能少、易于大面积自动化生产、原材料消耗少等因素已 成为目前最实用化的薄膜电池之一。其已经走出了国防、航空等领域，很多产品 已经应用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费领域。 下面将对非晶硅太阳能电池的结构及工作原理进行分析，以便于后面深入的 对太阳能各种性能参数进行研究。 2.1 结构分析 典型的常规单结非晶硅太阳电池结构示意图如图 2-1 所示 4。由七层组成， 包括减反射层、玻璃基片、透明导电薄膜、p 层、i 层、n 层、金属电极，其工艺 过程是在玻璃基片上依次制备右图中的各个薄膜层，最后在透明导电薄膜和金属 电极上连接上导线向负载输送电流。 图 2-1 非晶硅太阳电池的典型结构 1）减反射层、玻璃基片、tco 和金属电极 减反射膜的原理是利用光在减反射膜上下表面反射所产生的光程差，使得两 束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。在太阳电池材料和入射光谱确定 的情况下，减反射的效果取决于减反射膜的折射率和厚度。其最佳厚度为入射波 长的 1/4 倍，而根据入射光线的不同其厚度一般为 60-100nm。研究和实际应用表 明，具有单减反射层的电池，其反射率可以降到 10%以下。作为减反射层的薄膜 材料通常要求有很好的透光性，对光线的吸收越小越好，同时具有良好的耐化学 腐蚀性。其材料一般可以用 sno2、sio 2、mgf 2、tio 2。 在玻璃基片的向光一面是减反射膜，另一面是透明导电薄膜（tco） ，玻璃 基片在太阳电池中主要是用作为衬底起一个支撑作用，因为太阳光要透过它照射 到硅层上去，因此，要求玻璃基片的透明度要非常的高，对光的吸收系数也要非 常的小。在实际工程中可以使用超白玻璃，因其 fe2o3150ppm、透光率 - 7 - 92% 、软化点 720、应变点 500、杨氏弹性模量 73gpa 是理想的光伏玻璃 基片。 其处在玻璃基片和 p 型硅之间，主要作用是用于导电。主要原料包括 in、sn 、zn 和 cd 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。对其性能有以下几点 要求：光谱透过率 ：为了能够充分地利用太阳光，tco 镀膜玻璃一定要保持相 对较高的透过率。导电性能 ：tco 导电薄膜的导电原理是在原本导电能力很弱 的本征半导体中掺入微量的其他元素，使半导体的导电性能发生显著变化。激 光刻蚀性能：薄膜电池在制作过程中，需要将表面划分成多个长条状的电池组， 这些电池组被串联起来用以提高输出能效。因此，在镀半导体膜之前，必须要对 表面的导电膜进行刻划，被刻蚀掉的部分必须完全除去氧化物导电膜层，以保持 绝缘。耐磨性与耐久性：tco 镀膜一般都使用“ 硬膜”镀制工艺，膜层具有良 好的耐磨性、耐酸碱性。 金属电极是处于电池的背光面，其主要作用是将太阳电池产生的电流引导到 外加负载。其制作方法一般采用溅射镀膜，制作的过程温度较低对半导体薄膜的 损伤较小。因为有一部分太阳光会透过其上面的所有膜层到达电极，因此要求电 极具有较高的反射率，较低的透射率，使透射到电极上的光线从新反射回去再一 次吸收以提高电池对光线的利用率，增加转换效率。其一般厚度在几十纳米到几 百纳米之间。使用的材料有 zno、al 等。 2）p 区、n 区和 i 区 在太阳能电池中 p-n 结为最核心的一个结构，电池质量的好坏、转换效率的 高低很大程度取决于 p-n 结。对于非晶硅，由于其晶格长程无序短程有序的结构， 其对载流子的散射作用非常的强。因此在 p 区和 n 区之间加了一个 i 区，p 区和 n 区的作用为产生内建电场收集由 i 区产生的光生载流子。因为在 p 区和 n 区有 掺杂，因此在这两个区域里面有很多缺陷，当光生载流子运动到该区域内便会发 生复合，因此这两个区域要尽量的小。在实际工程中，两个区域的厚度一般限制 在几十个纳米范围内。 为了增加光电转换效率，一般尽量增加光敏区 i 层的厚度。但是，非晶硅中 的载流子的迁移率非常的低，因此，需要有足够的电场强度的内建电场将光生载 流子输送到电极。为了保证内建电场强度，本征层又要尽量的薄，所以 pin 结构 - 8 - 的非晶硅薄膜太阳电池的 i 层厚度设计在 500nm 左右。在 i 层中光电导和暗电导 之比是 105-106，其不仅是光敏区能够产生光生载流子还能够扼制隧道电流。 非晶硅的 pin 结构通常是利用气相沉积法制备的，根据不同的技术又可分为 辉光放电法、溅射法、真空蒸发法、热丝法、光化学气相沉积法和等离子气相沉 积法，其中等离子气相沉积法在工业界和研究界被广泛应用。 当太阳光照在太阳能电池的受光面时，光线会透过减反射层、玻璃层、p 层 直达本征层：i 层（一部分光也会被 p 层和 n 层吸收） 。在 i 内光子将激发电子， 产生载流子，载流子在内建电场的作用下分别向 p 区和 i 区运动，并在此堆积产 生电势差。当有外接负载时电池将为外接负载提供电能。 2.2 原理分析 1）载流子 5 在半导体导电过程中，运载电流的粒子，可以是带负电的电子，也可以是带 正电荷的空穴，这些电子或空穴叫做载流子。单位体积的载流子数目叫做载流子 浓度。半导体的导电性能和载流子的数目有关。半导体的载流子浓度随其中杂质 的含量和外界条件（如加热、光照等）而显著变化。 在高纯半导体中材料中，电子和空穴的浓度相等，称为本征半导体。如果向 其中加入某种杂质元素，使得电子浓度大于空穴浓度，称其为 n 型半导体此时的 电子称为多数载流子，空穴为少数载流子。反之可以形成 p 型半导体。 对于半导体材料而言，由于电子和空穴同时导电，存在两种载流子，因此其 导电率为： （2-epn 1） 式 2-1 中，n 为电子浓度；p 为空穴浓度；e 为电子的电荷； e 和 p 分别为电 子和空穴的迁移率。 2）能带结构 图 2-2 为半导体晶体的能带示意图，通常在能量低的能带中填满了电子，称 为满带，而能带图中能量高的能带往往是全空或者半空的，称为导带。 对于金属导电材料，其导带和价带是重合的，中间没有禁带。绝缘材料导带 - 9 - 是空的，导带中始终没有电子，且禁带宽度很宽，电子也不能跃迁上去。而半导 体与前两者不同，随导带中没有电子，但是其禁带不宽，在一定的条件下电子能 跃迁上去，在价带中留下空穴，电子和空穴同时导电。 图 2-2 导体、绝缘体和半导体的能带示意图 3）载流子的状态密度和统计分布 我们知道电子的分布遵守费米-狄拉克分布，即能量为 e 的电子能级被一个 电子占据的概率 f(e)为： （2-2 ）f1tf(e)e 式 2-2 中，f （ e）为费米分布函数； 为波尔兹曼常数； t 为热力学温度； ef 为费米能级。当能量相等时，费米分布函数为： （2-3 ）f1tf()e2e 即电子占有率为 1/2 的能级为费米能级。 半导体的电子占据一定的能级，可用电子波矢 k 表示，其对应的能级为 e（k） 。由于能级不是连续的，所以波矢 k 不能去任意值，而是受到一定边界条 件的束缚。在导带底附近，e（k）与 k 的关系为： （2- 2*ce()hm 4） 式 2-4 中，h 为普朗克常量；m*为电子的有效质量。 由式 2-4 推导可知，导带底附近电子的状态密度和价带顶附近的空穴的状态 密度分别为： - 10 - （2- 3/21/2c*n(e)4vcm)g()eh 5） （2- 3/21/2v*p(e)4v)() 6） 对于导带底附近的电子而言，其占据能量为 e 的能级的概率服从费米分布函 数，为 f（e ） ，而在能量 e（e+de ）之间的量子态数为 dz，则在能量 e（ e+de）之间被电子占据的量子态为 f（e）dz，因为每个被占据的量子态只 有一个电子，所以在能量 e（e+de）之间的电子数就是 f（e）dz 。如果将导带 的电子数相加，即从导带底到导带顶积分，即可得到导带内总的电子数，在除以 半导体的体积，即可得到导带中的电子浓度。 由以上分析加推导可知导带中的电子浓度为： （2-fc0cexptenn 7） 同理可知价带中的空穴的浓度为： （2-vfv0expte 8） 4）本征半导体的载流子浓度 本征半导体是指没有杂质、没有缺陷的近乎完美的单晶半导体。在其中电子 和空穴是成对出现的，因此，在本征半导体中，电子浓度与空穴浓度是相等的。 如果设本征半导体载流子浓度为 ni，则 （2-20ipa 9） 由式 2-9 可知，n i 是温度 t 的函数。如果忽略 t3/2 的影响，n i 就近似随温度 呈线性变化。 - 11 - 5）p-n 结和空间电荷区 将一块 p 型硅和一块 n 型硅通过一定的方法使其结合在一起就形成了太阳电 池中最重要的结构：p-n 结。 在 n 型硅中，电子很多而空穴很少。在 p 型硅中，空穴很多而电子很少。但 是，在 n 型中的电离施主与少量空穴的正电荷严格平衡电子电荷。而 p 型中的电 离受主与少量电子的负电荷平衡空穴电荷。因此，单独的 n 型和 p 型半导体是电 中性的。当在两块半导体结合成 p-n 结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度， 导致了空穴从 p 区到 n 区、电子从 n 区到 p 区的扩散运动。对于 p 区空穴离开后， 留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中 性。因此，在 p-n 结附近 p 区一侧出现了一个负电区。同理，在 p-n 结附近 n 区 一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把 p-n 结附近的这些电离施 主和电离受主所带电荷称为空间电荷。它们所在的区域称为空间电荷区，如图 2- 3 所示。 图 2-3 p-n 结的空间电荷区 空间电荷区中存在正、负电荷区，形成了一个从 n 型半导体指向 p 型半导体 的电场，称为内建电场。随着载流子扩散的进行，空间电荷区部断扩展增大，空 间电荷量不断增加。在内建电场的作用下，载流子受到与扩散方向相反的作用力， 产生漂移。 由于载流子的扩散和漂移，导致空间电荷区和内建电场的存在，引起该部位 的电势 v 和相关空穴势能（ev）或电子势能（-ev ）随位置的改变，最终改变了 p-n 结的能带结构。 6）电池的伏安特性 6 - 12 - 图 2-4 太阳能电池等效电路图 由图 2-4 可知，其中有一个恒流源与 p-n 结并联，电流源 i1 是太阳光照 射生成的过剩载流子产生的，i 0 为二极管的饱和电流，r 为负载电阻，此时 p- n 结太阳电池的 i-v 特性为： （ 2-lscdqv(exp1)akti 10） id 为太阳能电池在无光照时的饱和电流，a； q 为电子电荷，c； k 为波尔兹曼常数； t 为热力学常数，k； a 为常数因子； 由式 2-10 可以得到图 2-5 所示太阳能电池的伏安特性曲线。 图 2-5 常用太阳能电池伏安特性曲线 由图 2-5 可知在电压为 0 时，电流最大，称为短路电流（isc） ，在电流为 0 时，电压最大，称为开路电压（voc） ，由式 2-10 可知： （2-scocdaktin1qv 11） - 13 - 7）填充因子 指太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值用”ff”表示，是评 价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出 特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。它与太阳能电池的的开路电压、短 路电流和负载电压、负载电流有着密切的关系。 影响填充因数的因素很多，串联电阻、旁路电阻对填充因数有直接的影响。 从本质上讲，p n 结的电流电压关系决定了电池的填充因数。不计入串联电 阻及旁路电阻的影响，电池 pn 结的电流与电压关系是 e 指数关系。 电池基区的掺杂浓度也会影响电池的填充因数。当掺杂浓度增加时，少子寿 命就会衰减。除了串联电阻、旁路电阻外，光照强度对填充因数也有影响。在条 件相同的情况下，在一定光照强度范围内，随着光强的减小，填充因素相应增加。 8）太阳电池的转换效率 太阳电池的转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入 射功率 pin 的比值，用符号 表示。 转换效率是评定一个器件好坏的最重要的参数之一，但是现在转换效率的测 量还没有一个固定的标准，第一是光源的问题，外层空间的太阳光谱不同于地面 的光谱，而在地面晴天和阴天的光谱又有区别，有点人采取人工合成，但是还没 有模拟出良好的 am1 和 am2 光源。还有一个含混不清的地方就是接触面积、光 的表面反射、串联电阻和旁路电阻的损失问题，未经校正的效率反应了电池的实 际输出功率，而校正过后的效率反应的是电池的固有效率。 在太阳电池中，大的短路电流、开路电压和填充因素可以获得很高的效率。 可见光谱和近红外光谱范围内，光谱响应宽阔而平坦，峰值光谱响应的量子效率 接近 1，因此光电流大。禁带宽度直接影响效率。从理论上将，材料禁带宽度越 大，填充因素和开路电压就越大；而禁带宽度小的材料，可获得大的光电流。推 算结果表明，禁带宽度 1.5 电子伏特的材料效率最高。 2.3 本章小结 本章主要介绍了 a-si 太阳能电池的基本结构和原理。其中结构包括减反 - 14 - 射层、玻璃基片、tco 和金属电极、p 区、n 区和 i 区等等。在这些结构中的 前四项主要是起支撑吸光和导电等作用，而后面的三个结构的作用是产生光 生载流子，因此后面三项是太阳能电池的核心结构。 在原理的分析中详细的分析了能带、载流子、p-n 结等半导体材料中的一 些基本概念和光谱响应、少子电流、j-v 曲线、填充因子、转换效率等太阳电 池的一些重要的参数。 通过本章节的分析，更加清楚的了解了太阳能电池的基本结构和工作原 理，为后面的章节打下了基础。 第 3 章 a-si 太阳电池性能模拟研究 通过上面对 a-si 太阳电池的结构和原理的分析，我们清楚了太阳能电池 的工作原理，下面将通过一维微光电子结构分析工具 amps-1d 对 a-si 太阳 能电池的 i 层厚度和掺杂进行模拟研究。 - 15 - 3.1 软件介绍 amps-1d 有两种半导体电子学描述模式对光电器件进行直流模拟 7，分 别是态密度(dos)和载流子寿命(life time)模式。在本研究中使用的是 dos 模 式，a-si 半导体的电子态分为导带和价带扩展态、导带和价带带尾定域态以 及隙间定域态。带尾定域态主要由键角畸变引起，可用指数函数描述其密度。 隙间定域态主要由悬挂键造成，其密度呈双高斯函数分布，分别对应呈正相 关能关系的类施主态和类受主态；也即类施主态在下，类受主态在上。对隙 间定域态密度，amps 还提供了一种平均分布的背景模式。对 pin 结构的薄膜 太阳电池，若已知各层半导体材料的能带结构、电子和空穴态浓度分布、电 子亲和能等信息，根据泊松方程、电子和空穴连续性方程，在适当的边界条 件下即可求解出器件特性。 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。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，离化杂质数目电场联系起来。泊松方程表示为： （3-tdatd(x)qp(x)n(x)()x()pnn 1） 式 3-1 中， 为器件 x 点单位正电荷电势，p(x)，n(x)分别为自由空穴和 自由电子的浓度；nd（x） 、na（x）别为电离施主浓度和电离受主浓度； pt(x)，n t(x)分别为受陷空穴和受陷电子浓度。 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： （3-fppp(x)qndxej 2） （3-ndpd1()rqxg 3） 式 3-3 中，j n 为电子的电流密度，且有 - 16 - （3-fnnn(x)qdxej 4） 式 3-4 中 efn 为电子的准费米能级。 jp 为空穴的电流密度，且有 （3-*pcv0fn3tl24mk 5） 式 3-5 中 efp 为空穴的准费米能级；g op(x)为电子空穴对的光生效率，是 位置 x 的函数。运用数值计算方法求解方程中的 (x)、p(x)、n(x)进而可以求 出各特性参数。 3.2 模型结构 3-1 典型非晶硅太阳电池结构 典型的 a-si:h 太阳能电池结构如图 3-1 所示 8。图中光从左边的 p 进入， 该层为 p 型的非晶 sic 材料，中间缓冲层为本征非晶硅，衬底为 n 型非晶硅 材料。pin 各层材料的光电特性参数如表 3-17所示。 a-sic 的电子亲合势 设 为 3.90ev，比非晶硅 (a-si)小 0.10ev，也就是说 p/i 界面的能带不连续性 (1.961.80ev)在价带和导带上的偏移分别为 其 0.10ev 和 0.06ev。模拟过程 中涉及到的具体参数如表 3-1 所示。 表 3-1 太阳能电池 amps-1d 模拟参数 参数 p 层（a-sic） i 层(a-si) n 层(a-si) 迁移率带隙/ev 0.85 0.85 0.85 - 17 - 光学带隙/ev 1.90 1.72 1.72 电子亲和能/ev 3.92 4 4 相对介电常数 11.9 11.9 11.9 有效态密度 nc/(cm-3ev-1） 2.51020 2.51020 2.51020 有效态密度 nv/(cm-3ev-1) 2.51020 2.51020 2.51020 电子迁移率 n/(cm2v-1s-1） 5 20 10 空穴迁移率 p/(cm2v-1s-1） 0.5 2 1 价带尾态特征能量迁移率 ed/ev 0.2 0.05 0.05 导带尾态特征能量迁移率 ea/ev 0.07 0.03 0.03 掺杂浓度/cm -3 na=31019 nd=11019 gdo/(cm-3ev-1） 1.01019 1.01019 1.01019 gao/(cm-3ev-1） 1.01019 1.01019 1.01019 edon/ev 0.03 0.03 0.03 eacp/ev 0.05 0.05 0.05 隙间定域态分布/cm -3 31018 51016 31018 3.3 掺杂模拟及结果 由于 a-si:h 太阳能电池的所有光生载流子都是在本征层中产生的，因此 本征层的杂质浓度对太阳能电池的性能有强烈的影响，下面将对本征层中的 杂质浓度进行模拟。 掺杂份为施主型掺杂和受主型掺杂，下面将分别对着两种掺杂对太阳能 电池的影响进行模拟。在模拟的过程中采用控制变量法，对掺杂浓度控制在 51015cm-3 到 51020cm-3 范围内变动，而其他的可变参数则选取典型值。 1）受主型掺杂模拟及结果 本征层的掺杂浓度如表 3-2 所示，厚度为典型值 450nm。p 层的掺杂浓度 为 31019cm-3，厚度为 10nm。n 层的掺杂浓度为 11019cm-3，厚度为 20nm。 计算中光照条件为 am1.5，100mw/cm 2。其他各参数的设置见图 3-2、图 3-3 - 18 - 和图 3-4。 表 3-2 受主型杂质掺杂浓度表 浓度（na）/cm -3 5.00e+15 5.00e+16 5.00e+17 5.00e+18 5.00e+19 5.00e+20 图 3-2 典型参数设置 图 3-3 典型浓度的带尾态参数 - 19 - 图 3-4 典型浓度的光谱吸收系数 经过模拟得到了短路电流密度 jsc、开路电压 voc、转换效率 eff、填充 因子 ff、空间电荷分布、载流子分布、费米能级、载流子能级、空间电场分 布等参数随各种掺杂浓度的变化关系。主要参数与掺杂浓度关系如表 3-3 所 示。 表 3-3 受主型杂质浓度与太阳能电池各主要参数间关系 na（ cm-3) jsc（ma/cm 2 ） eff（% ） ff voc（ev ） 5.e+15 11.531 11.41 0.885 1.118 5.e+16 11.395 11.289 0.883 1.122 5.e+17 9.85 9.751 0.877 1.129 5.e+18 6.073 6.119 0.88 1.145 5.e+19 4.553 4.707 0.887 1.166 5.e+20 4.283 4.437 0.885 1.17 2）施主型掺杂模拟及结果 本征层的掺杂浓度如表 3-4 所示，厚度为典型值 450nm。p 层的掺杂浓 度为 na=31019cm-3，厚度为 10nm。n 层的掺杂浓度为 nd=11019cm-3 厚度 为 20nm。其他各参数设置见图 3-6、图 3-6 和图 3-7。 表 3-4 施主型杂质掺杂浓度 浓度（nd）/cm -3 5.00e+15 5.00e+16 5.00e+17 5.00e+18 5.00e+19 5.00e+20 - 20 - 图 3-5 典型掺杂浓度的基本参数设置 图 3-6 典型掺杂浓度的带尾态参数 - 21 - 图 3-7 典型掺杂浓度的光谱吸收系数 经过模拟得到了短路电流密度 jsc、开路电压 voc、转换效率 eff、填充 因子 ff、空间电荷分布、载流子分布、费米能级、载流子能级、空间电场分 布等参数随各种掺杂浓度的变化关系。主要参数与掺杂浓度关系如表 3-5 所 示。 表 3-5 施主型杂质浓度与太阳能电池各主要参数间关系 na（cm -3） jsc（ma/cm 2 ） eff（ % ） ff voc（e v） 5.e+15 11.535 11.345 0.882 1.115 5.e+16 11.266 10.813 0.862 1.114 5.e+17 8.671 8.128 0.841 1.115 5.e+18 5.454 3.569 0.838 1.108 5.e+19 3.891 3.569 0.838 1.094 5.e+20 3.329 2.968 0.822 1.084 3.4 厚度模拟及结果 本征层的厚度分别取 20nm、60nm、100nm、140nm、180nm、220nm、260nm、300 nm、340 nm 、380 nm、420 nm、460 nm、500 nm、550 nm、600 nm、650nm、700 nm，掺杂浓度设 置为0。 - 22 - p层厚度取10nm ，掺杂浓度为na=310 19。n层厚度取20 nm ，掺杂浓度为 nd=11019。 其他各参数的设置见图 3-8、图 3-9 和图 3-10。 图 3-8 典型厚度的基本参数设置 3-9 典型厚度的带尾态参数设置 图 3-10 典型厚度的光谱吸收系数 经过模拟得到了短路电流密度 jsc、开路电压 voc、转换效率 eff、填充 - 23 - 因子 ff、空间电荷分布、载流子分布、费米能级、载流子能级、空间电场分 布等参数与各种厚度本征层的变化关系。主要参数与本征层厚度关系如表 3- 7 所示。 表 3-7 厚度与太阳能电池各个参数间的关系 厚度 （nm） jsc（ma/cm 2 ） eff（% ） tt voc（ev ） 20 3.13 2.998 0.872 1.099 60 4.827 4.745 0.887 1.109 100 6.03 5.959 0.888 1.113 140 6.977 6.909 0.888 1.115 180 7.763 7.693 0.888 1.116 220 8.435 8.361 0.888 1.117 260 9.024 8.944 0.887 1.117 300 9.548 9.459 0.887 1.117 340 10.019 9.921 0.886 1.117 380 10.447 10.338 0.886 1.117 420 10.838 10.719 0.885 1.117 460 11.199 11.067 0.885 1.117 500 11.540 11.396 0.885 1.116 550 11.915 11.756 0.884 1.116 600 11.731 11.423 0.884 1.116 650 11.412 11.011 0.884 1.116 700 10.924 10.827 0.883 1.115 3.5 本章小结 本章主要是通过使用一维微光电子结构分析工具 amps-1d 对掺杂浓度 和本征层厚度两种因素对太阳能电池的各个参数的影响进行模拟，并得出了 两种因素与各个参数的具体关系，在模拟的过程中均采用单因素变量法，以 便于结果分析。 第 4 章 模拟结果分析 - 24 - 通过上面的模拟，得到了各种因素与太阳能主要参数间的关系，下面对这些 结果进行分析，力求找到各种因素影响太阳能电