毕业论文——晶体硅太阳电池的数值模拟与参数优化

摘要晶体硅太阳电池的数值模拟与参数优化专业：凝聚态物理摘要本论文详细论述了先进的晶体硅太阳电池多维数值模拟方法，从光学、半导体和电路三方面的性质入手分析各种参数对电池输出性能的影响，使用多物理场模拟软件 Comsol 的 RF 模块对 Si/SiO2/Al 结构进行了光学性质的模拟，并结合实验数据，对传统结构太阳电池的前栅线设计进行了模拟和参数优化。第一章简单介绍了晶体硅太阳电池的器件物理和转换效率的限制因素，之后引出数值模拟的基本方法，研究现状以及在太阳电池研发中起到的重要作用。光学、半导体和电路性质是太阳电池密不可分的三个部分，这三方面的模拟也始终贯穿于本文。第二章首次在国内建立了一套适用于商品化太阳电池全尺寸多维数值模拟的方法，研究了如何使用 Sunrays，Sentaurus 和 Pspice 来进行太阳电池及组件的模拟和参数优化。在这一领域和以往的模拟方法相比，该方法主要优点在于使用精确的半导体器件模拟软件 Sentaurus 来获取微单元的 JV 特征曲线，避免了使用双二极管模型的单纯电路模拟引起的误差；另外该方法可扩展至光伏组件性能的模拟。为了方便进行模拟，在本章作者还编写了三个模拟辅助工具，使我们可以在模拟程序中方便输入太阳电池和组件的各个参数。第三章分析了影响模拟准确性的因素，指出了 Sunrays 模拟的光生载流子速I学位论文率，ECV 测试的扩散浓度曲线，栅线的有效遮光面积和扩散的不均匀性等方面都会对模拟的准确性产生影响。模拟和实测反射率曲线的对比结果表明，Sunrays 可较好地重现 400 nm-1000nm 波段的金字塔绒面反射率曲线，但超过 1000 nm 的长波段拟合不好，为了寻求新的途径模拟电池背面的光学性质，第四章使用 Comsol 中基于求解 Maxwell方程的 RF module 进行了尝试，模拟了 Si/SiO2/Al 结构的光学性质，分析了 SiO2 层的厚度、Al 表面粗糙度等参数对反射率的影响。提出了一种在 Comsol 模拟中计算反射率的方法，结果表明使用这一方法模拟出的反射率和根据 transfer matrix的理论计算值完全符合。第五章对传统结构（n+pp+）太阳电池的前栅线设计进行了模拟和优化，研究了栅线间距、高宽比、接触电阻率和体电阻率等对电池效率的影响，并分析了丝网印刷种子层+光诱导电镀（LIP）的方法所具有的优点和局限性。模拟和实验的结果均表明在 45 Ohm/sqr 的扩散方阻下，通过丝网印刷 100 m 宽 23 m 高的Ag 细栅，125125 mm2 单晶硅电池效率可达 17.82%。提高栅线高宽比在一定范围内可改善填充因子，提高效率，但当高度大于 20 m 后贡献很小；LIP 可有效地降低栅线串联电阻，提高填充因子，但丝网印刷+LIP 的方法要求丝网印刷种子层的宽度最多不能超过 100 m。综合全文，作者创新性的工作主要包括以下几点：1. 通过 Pspice 电路模拟将微单元的 JV 特性扩展至整片商品化太阳电池或组件；2. 编写了三套模拟辅助工具；3. 利用 Comsol 建立了模拟多层介质膜光学性质的模型；4. 系统分析了太阳电池前栅线的参数对太阳电池的影响。关键词：晶体硅太阳电池；效率；数值模拟； 参数优化IIAbstractABSTRACTThe advanced multi-dimensional numerical simulations on crystalline silicon solar cells have been investigated detailed in this thesis. The optical, semiconductor and circuit properties of solar cells have been involved and their influence on solar cells performance is analyzed. To simulate the Si/SiO2/Al stacks optical properties as solar cells rear reflector, simulation software, Comsol RF module is applied. The influence of front metallization on traditional crystalline solar cells has been simulated as well.The operation principles and limits for conversion efficiency of Cz-Si solar cells are introduced, followed by the basic techniques of numerical simulation, research status and the important roles played in solar cells research and parameters optimization. The optical, semiconductor and circuit properties of solar cells are indivisible and the relationship of the three parts is analyzed and discussed through this thesis.In Chapter 2, the whole simulation flow will be introduced and analyzed in detail. With the combination of Sunrays, Sentaurus and Pspice application, we can simulateIII学位论文the full-size commercial crystalline solar cells. The presented method in this thesis utilizes the advantage of precise JV characterization on unit cells simulated by Sentaurus, which avoids the error by simply using dual-diode model. Furthermore, the presented model can be easily extended to simulate as large size as photovoltaic module. To make our simulations more convenient and efficient, three auxiliary tools have been developed with which various parameters can be easily chosen.Although the simulation techniques are state-of-art, therere still some factors may influence our simulated results. These factors include: a) the parasitic error in optical generation induced by Sunrays ray tracing simulation; b) inaccuracy in ECV profile measurement; c) extraction of effective shading area by front metallization; and d) the inhomogeneity caused by tube diffusion. These influence factors will be analyzed in Chaper 3.As mentioned above, Sunrays ray tracing is usually fair good at simulating the pyramidal texture in the range of 400 nm to 1000 nm, but not so well when the incident wavelength is over 1000 nm. In Chapter 4, we explore a new solution for this challenge: using Comsol RF module to solve the Maxwell equations and simulate Si/SiO2/Als optical properties. The influences of different parameters such as the thickness of the SiO2 layer and the roughness of Al surface to reflection are analyzed in detail. Satisfactory results can be obtained when comparing the simulated reflectivity at Si/SiO2 interface with the one calculated from analytical method by using transfer matrix theory.In Chapter 5, we shift our attention from optics to circuits. The industrial Cz-Si solar cells front metallization will be analyzed. Many parameters, such as finger spacing, aspect ratio, distributed contact resistivity and bulk resistivity are discussed. Experimentally, weve successfully fabricated 125125 mm2 Cz-Si cells with 17.82% efficiency and 79.8% fill factor, which benefit from the 100 m width and 23 m height fingers. As a potential way to improve the screen printed finger, the advantage and limits for light induced plating (LIP) have been investigated as well. Simulations show that, to achieve considerable efficiency gains, the seed layer (with 15 m height) needs to be considerably narrower than 100 m.IVAbstractThe creative work presented in this paper includes:1. extending the solar cells unit semiconductor simulation to industrial full-area solar cells and modules, based on the Pspice circuit simulation;2. building three auxiliary tools to assist these simulations;3. building the multi-layer optical simulation model by Comsol RF module;4. detailed analysis of the influence of front metallization on cells performanceto a high accuracy.Keywords: Crystalline silicon solar cells; Efficiency; Numerical simulation; Parameter optimizationV目录目录摘 要.IABSTRACT.III目 录.VI第一章绪论.- 1 -1.1太阳电池工作原理和转换效率损失因素.- 1 -1.1.1太阳电池的工作原理和结构.- 1 -1.1.2转换效率的损失因素.- 3 -1.2数值模拟的意义、方法和应用.- 7 -1.2.1模拟的意义.- 7 -1.2.2太阳电池器件模拟的基本方法.- 7 -1.2.3太阳电池模拟的历史与应用现状.- 9 -1.3本论文的工作.- 11 -第二章全尺寸太阳电池-组件模拟方法的建立与应用 .- 13 -2.1基本思路.- 13 -2.2模型实例与模拟过程.- 14 -2.2.1电池的基本参数.- 14 -2.2.2光学模拟.- 15 -2.2.3半导体器件模拟.- 16 -2.2.4电路模拟.- 32 -2.2.5扩展到组件的电路模拟.- 39 -2.3模拟辅助工具开发.- 41 -2.3.1 SunraysConv.exe .- 42 -2.3.2 dessis_template.xls.- 43 -2.3.3 circuit_template.xls .- 45 -2.4本章小结.- 47 -第三章模拟准确性的影响因素分析.- 49 -3.1 Sunrays 引起的误差 .- 49 -3.1.1金字塔大小.- 49 -VI学位论文3.1.2背面反射.- 50 -3.2栅线的有效遮光面积.- 50 -3.3ECV profile 的准确性 .- 52 -3.4扩散的不均匀性和局部漏电.- 53 -3.5本章小节.- 55 -第四章Si/SiO2/Al 背面结构的光学模拟 .- 56 -4.1引言.- 56 -4.2数值模型建立.- 57 -4.3模型的检验.- 58 -4.4Si/SiO2/Al 绒面结构的模拟 .- 61 -4.4.1绒面结构的定义.- 61 -4.4.2建立模拟区域.- 62 -4.4.3选择波长.- 63 -4.4.4提取模拟结果.- 63 -4.5模拟结果分析与讨论.- 64 -4.5.1模拟分辨率/精度 .- 64 -4.5.2散射特性.- 65 -4.5.3作为 Sunrays 输入的散射概率 .- 66 -4.6本章结论.- 67 -第五章商品化太阳电池前电极的模拟与优化.- 69 -5.1引言.- 69 -5.2商品化太阳电池的前栅线设计.- 69 -5.2.1模型的验证.- 69 -5.2.2栅线高宽比的影响.- 73 -5.2.3栅线其它参数的影响.- 75 -5.2.4丝网印刷+光诱导电镀的局限性 .- 77 -5.3本章小结.- 78 -第六章总结.- 81 -附录一 SunraysConv.exe 的程序代码（SunraysConvDlg.cpp） .- 82 -附录二 Comsol RF module 模拟 Si/SiO2/Al 反射率的代码（planar.m） .- 98 -攻读博士学位期间主要研究成果.- 105 -致 谢.- 106 -VII第一章绪论第一章绪论本章首先介绍晶体硅太阳电池的工作原理，转换效率的损失因素和器件模拟在太阳电池研发中起到的重要作用，之后引出数值模拟的意义、基本方法和研究现状。对于太阳电池而言，光学、半导体和电路性质是密不可分的三个部分，这三方面的模拟也始终贯穿于本文。最后介绍本论文的工作内容。1.1 太阳电池工作原理和转换效率损失因素1.1.1 太阳电池的工作原理和结构太阳电池是一种利用光伏效应把光能直接转换成电能的装置。简单的太阳电池工作原理如图 1-1 所示，一个完整的过程包括：1. 电子从太阳光中吸收能量，跃迁到更高的能级；2. 然后流动到电池的前电极处；3. 从电极处离开电池，沿着外电路流动到做功的负载，如灯泡；4. 做功完后的电子将损失掉从太阳光中吸收的能量，返回较低的能级；5. 电子沿着外电路回到电池的背电极处；6. 重新进入电池，再次吸收太阳光的能量，如此循环，周而复始。总之，只要有光，就有电流产生。图 1-1* 太阳电池工作原理简单示意图* 本论文中如无特殊说明，所有插图均为作者本人成果。- 1 -学位论文图 1-2 为目前商品化的 p 型硅传统结构太阳电池示意图。可以看到，太阳电池其实是一个大面积的 p-n 结，在厚度约 150-200 m 的 p 型硅衬底上，通过 POCl3扩散形成一层厚度约 0.3-0.5 m 的 n 型发射极（n-doped emitter），背面通过烧结Al 浆形成背电极的同时，还形成了厚度约 5-8 m 的 p+铝背场。在 p-n 结的内建电场作用下，光生电子-空穴对被分离并分别流动到前电极和背电极，再经外电路形成回路。为了增加光的吸收，减少表面反射，一般还在前表面镀上一层 SiNx作为减反膜。此外，由于 SiNx 通常带正电荷，可以减少 n 型发射极区中的少数载流子空穴的浓度，从而减少表面复合。前栅线一般采取丝网印刷的方式，印刷宽度约为 80-130 m 含有玻璃浆料的银浆，这样在高温烧结过程中，玻璃浆料腐蚀穿透 SiNx，使得 Ag 和 Si 之间形成欧姆接触。图 1-2 p 型硅太阳电池结构示意图1图 1-3 太阳电池 JV 曲线示意图太阳电池的性能可用如图 1-3 的 JV 曲线来表征，其中曲线与电压轴（x）和- 2 -第一章绪论电流密度轴（y）的交点分别为开路电压（Voc）和短路电流密度（Jsc），二者乘积的最大点处即为最大输出功率点（maximum power point，mpp），该点对应的电压和电流密度分别为最大工作点电压（Vmpp）和最大工作点电流密度（Jmpp）。太阳电池的转换效率定义为：h =Vmpp Jmpp=J V FF（1-1）sc ocFF其中， 为入射光总能量，标准测试条件（STC）下为 AM 1.5G 的光谱和 1000 W/m2 的光强，FF 定义为填充因子FF =Vmpp Jmpp（1-2）VJscoc目前世界上单结晶体硅太阳电池的转换效率记录是新南威尔士大学（UNSW）的 PERL 电池，达到 25%。对于商品化太阳电池的平均转换效率，传统结构的单晶硅电池一般约为 16-18%，多晶硅电池约为 15-17%。在看似简单的太阳电池工作机理背后，存在着许多影响转换效率的因素，总体而言包括光学、复合和电阻损失三方面，具体如下节所述。1.1.2 转换效率的损失因素太阳电池的转换效率最高到底能到多少？这是很多理论科学家一直想解开的难题。Shockley 和 Queisser2计算了只有辐射复合（radiative recombination）条件下的太阳电池转换效率上限，假设对于黑体辐射下的入射光子，能量高于带隙Eg = 1.12 eV 的光子全部被吸收并且吸收一个光子只产生一对电子-空穴，而能量低于 Eg 的光子全部没有贡献，这样计算出来的效率上限为 30%。Deb 和 Saha3首次计算了吸收一个光子能产生不止一个电子-空穴对的效率上限，他们推算出当 Eg = 0.8 eV 时，最高效率能到 31%。而对于 Si，Werner4认为一个光子如果可以“尽可能”地产生多个电子-空穴对，效率上限为 43%。近年来出现的量子点电池和光伏-光热并用系统，还在不断改写着这一理论转换效率上限。然而，对于目前商品化太阳电池，我们更关心的则是如何把这些损失因素一一列出，找出占主导的因素并寻求改进，以提高效率。- 3 -学位论文1.1.2.1 光学损失如图 1-4 所示，对于晶体硅太阳电池而言，太阳光中低于 1.12 eV 能量的长波段光子无法提供足够的能量来产生自由载流子，这部分光子占 30%之余。而光子数较多的短波段高能光子，由于只需 1.12 eV 的能量即可把一个电子从价带顶激发至导带底，多余的能量会以发热的方式浪费掉。所以，只有图中红色部分的太阳光，才能够为晶体硅太阳电池充分利用。图 1-4 AM 1.5G 的太阳光谱图1光学损失的另一方面来自硅材料本身。抛光硅的表面反射率高达 36%，为了减少反射，增加吸收，表面制绒和镀 SiNx 减反膜是目前商品化太阳电池常用的两种方法，如图 1-5 所示。但这样仍有 5%左右的表面反射损失，金属铝对长波段光线的吸收还将带来一部分的光学损失。此外，栅线的遮光也是光学损失的重要组成部分，通常对于 125125 mm2 的单晶硅太阳电池，丝网印刷栅线的遮光比例占到 7-10%。图 1-5 金字塔绒面陷光作用示意图- 4 -第一章绪论1.1.2.2 复合损失光生少数载流子需要通过扩散来抵达 p-n 结，然后在发射极区内横向流动到前电极处。在这一过程中，伴随着具有不同机理的复合损失，目前广为人们接受的复合机理有：辐射复合，俄歇复合（Auger recombination），SRH 复合和表面复合，如图 1-61所示。图 1-6 太阳电池的四种复合过程1a）辐射复合；b）俄歇复合；c）由 Si 体内缺陷产生的 SRH 复合；d）表面复合a）辐射复合其实是光生载流子的逆过程，复合产生的能量以光子辐射的形式发散出去，在晶体硅太阳电池中辐射复合通常很小，可以忽略不计；b）当复合产生的能量传递给另外一个电子或空穴，使之以声子的形式发散到晶格中，这就是所谓的俄歇复合。俄歇复合是高掺杂浓度区域（发射极）的主要复合方式，在高注入浓度条件下，Si 体内的俄歇复合也会随之增加；c）晶格缺陷会在禁带中产生额外的能级，这些能级也会成为复合的中心，导带中的电子可通过这些复合中心“跳跃”至价带，这就是所谓的 SRH 复合，由 Shockley, Read5和 Hall6提出，并首先使用公式（1-3）描述了这一复合过程。SRH 复合是 Cz 硅的主要体内复合方式。RSRH =np - n2i ,eff（1-3）t( n + n ) + tn( p + p )p11n1 和 p1 分别定义为：n = nexp(Etrap) ， p = nexp(-Etrap)（1-4）1i ,effkT1i ,effkT其中 ni ,eff 为硅有效本征载流子浓度，t n 和t p 分别为电子和空穴的寿命，Etrap 为缺- 5 -学位论文陷能级。d）晶体硅的表面同样也存在大量的缺陷而导致载流子复合，这一复合可以用 SRH 模型来描述，当假设这些表面复合中心在 Ec 和 Ev 之间连续分布时，其表面复合速率可用式（1-5）来描述1。S =Us=( n p - n 2 ) vshECD ( E )d ( E ) （1-5）s siitTEV ( n + n ) sDnDn( E ) + ( p + p ) s( E )Tpns1Ts1T其中，ns 和 ps 是表面处电子和空穴的浓度，Dit 是缺陷的表面界面密度，ni 是本征态电子/空穴浓度比。通过各种介质膜进行钝化，降低表面复合速率，已成为太阳电池中的一个重要课题。1.1.2.3 电阻损失电阻损失包括串联电阻和并联电阻两大部分。并联电阻通常是由栅线下的p-n 结漏电和边缘漏电引起的，可以通过优化烧结和刻边工艺避免。串联电阻的情况则要复杂一点，如图 1-7 所示，主要由 Si 的体电阻（rb）、前后电极的接触电阻（rc 和 rrc）、发射极电阻（re）、细栅电阻（rf）、主栅电阻（rbus）和焊接带电阻（rtab）组成。Ansgar Mette 使用解析的方法计算了这些串联电阻的组成，详情见参考文献1。本论文第四章则使用模拟的方法针对前栅线串联电阻损失和遮光损失进行了分析。图 1-7 太阳电池串联电阻的组成1- 6 -第一章绪论1.2 数值模拟的意义、方法和应用1.2.1 模拟的意义前面介绍了影响太阳电池转换效率的因素，这些因素往往不是单独作用，而是同时发生并相互牵制的，所以需要结合光学、半导体和电路三方面的性质，在它们之间进行细微的平衡。下面举几个常见的例子进行说明。建立发射极扩散浓度曲线和电池转换效率的关系，至少需要考虑下面三方面的关系：1. 俄歇复合的影响。俄歇复合对重掺区的掺杂浓度很敏感，和掺杂浓度的平方成正比关系；2. 扩散层串联电阻（方块电阻）的影响。方块电阻和掺杂浓度的倒数（1/Ns）呈正比关系，在栅线距离一定的情况下，浅结高方阻扩散将会提高电池的串联电阻；3. 表面浓度对复合速率的影响。高的表面浓度通常会带来较大的表面缺陷态密度（Dit），使得复合速率也越大。这里需要结合半导体和电路两方面的性质综合考虑。例如，建立绒面粗糙度与电池转换效率的关系，需要考虑光学和半导体两个方面的性质：粗糙的绒面往往可以带来较低的表面反射，增加电池对光的吸收，提高 Jsc；然而同时也对表面钝化不利，使得表面复合速率较大，降低 Voc。又例如，建立丝网印刷栅线宽度与组件功率的关系，需要在有效遮挡损失和串联电阻损失间进行权衡：细栅线可减少遮挡，提高电池的 Jsc，但同时一次印刷的细栅也意味着较低的栅线高度，栅线体电阻随之增加；宽栅线虽然对电池的遮光大，但封装后的有效遮光面积可以减小，而且宽栅线比较厚实，串联电阻损失较小。数值模拟的意义就在于，给我们提供了分析这些影响转换效率因素的有利工具，使我们可以综合考虑各个因素之间的权衡，进行参数优化和性能预测；另外，对于一些不能直接测量的重要参数，如扩散层与介质膜间的表面复合速率，数值模拟也发挥了不可替代的作用。1.2.2 太阳电池器件模拟的基本方法在数值模拟中，划分网格是重要的第一步。对于晶体硅太阳电池的微单元（不- 7 -学位论文可再分的重复单元），如果在整个区域没有选择性进行高密度的网格划分，将会包含几百万个网点，给求解带来困难。所以通常只需要在那些小范围内参数变化较大的区域进行细分，其他区域进行粗分即可，当然，前提是保证由此带来的误差足够小。图 1-8 是一个背点接触太阳电池的二维微单元网格划分例子，可以看到，我们只在前后电极处以及发射极区域进行了网格的细分，其他区域进行较粗的网格划分。图 1-8 背点接触电池的二维网格划分模拟太阳电池的 IV 特性，只需求解下面 5 条耦合非线性偏微分方程：-E = (eY ) = - q ( p - n + N+- N - )（1-6）dan=1 J+ G