GaAsSb热光伏电池开路电压_的优化仿真分析.doc

作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期： 年 月 日 本人声明：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。 学位论文指导教师签名： 年 月 日GaAsSb热光伏电池开路电压的优化仿真分析Analysis of thermo photovoltaic batteryopen circuit voltage theory2014年 6 月10日东华理工大学毕业论文 摘要 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-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-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软件仿真东华理工大学毕业论文 ABSTRACTABSTRACTFirstly, the development and the principle of thermal photovoltaic cell technologies are described, as well as its solar photovoltaic cells for a simple comparison. Illustrates the principle and the principle of a blackbody light power density at different temperatures and thermal radiation. Following the introduction of the thermal photovoltaic system, which mainly consists of heat, thermal radiation, thermal photovoltaic cells, optical filter composed of four parts, including thermal photovoltaic cells is its core component, it also made the general parameters introduced below. After thermal photovoltaic cells discussed prospects of these decades the research process and thermal and photovoltaic technology in some applications. Hot start of photovoltaic technology have had a period of silence, and later as - compound material development began to really open to a wide range of applications, so here also introduced - compound semiconductor manufacturing techniques, such as liquid Lei crystal technology, chemical vapor deposition, the paper also specific antimony compounds are described, comparing the advantages and disadvantages are discussed as well as some of its physical properties, combined with thermal photovoltaic technology describes some applications of antimony compounds.The simulation uses PC1D software, where it introduces the menus and options, while the characteristics and parameters set PC1D made some brief instructions. After heat with GaAsSb PC1D software model of photovoltaic cells made of some description and explanation of some of the simulation results and the data map, and finally the influence of some parameters of the efficiency of its battery, the voltage output characteristics and the like.Keywords: hot photovoltaic cells； antimony compounds； PC-1D simulation东华理工大学毕业论文 目录目 录绪 论11.1 热光伏电池技术11.1.1 热光伏电池原理11.1.2 黑体11.1.3 热辐射21.1.4 热光伏电池的一般参数31.1.5 热光伏系统51.1.6 热光伏电池的研究进程71.1.7 热光伏技术应用价值和前景81.2 -族化合物半导体81.2.1 形成原理81.2.2 锑化物半导体物理性能91.2.3 磷化铟101.2.4 GaAsSb材料参数的模拟101.2.5 锑化物在热光伏技术中的应用111.3 暗电流121.4 本论文研究内容13第二章 PC1D软件应用142.1 PC1D仿真软件介绍142.2 PC1D界面介绍142.3 PC1D模型建立172.4 基本物理参数设置182.5 激励文件的载入182.6 PC-1D数据曲线图介绍182.7 本章小结20第三章 PC1D仿真分析213.1 电阻的影响213.2 有源区厚度的影响233.3复合速率的影响243.4 本章小结25第四章 总结26致 谢27参考文献28东华理工大学毕业论文 绪论绪 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-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(Solar Photovoltaic cellSptv)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(Thermal photovoltaic cell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10002000K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0.1m到10m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：0.380.76m红外线：0.7610m微 波：1010m无线电波：10m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0 K，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()。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-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、InGaAsP6-8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。Pierre Aigrain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-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1.92.6m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1100K1500K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，JX Crystals 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。1.2 -族化合物半导体1.2.1 形成原理我们所了解的大部分-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-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-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-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-族化合物半导体，不论是二元、三元还是四元的-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，那么我们就可以在磊晶时进行掺杂，多数载流子是电子则是n型半导体，是空穴则是p型半导体，假如想得到p-n二极体，则可以将p型半导体薄膜在n型半导体上生长。1.2.2 锑化物半导体物理性能这里的锑化物半导体是由-元素所组成的，也就是Ga、In、Al等族，Sb、As等族元素所化合而成的化合物半导体，比如说GaSb、AlSb、AlGaSb、InAsSb、AlGaAsSb、AlGaAsSb等二元、三元、四元的锑化物半导体化合物（下表1.1中是一些-化合物半导体的物理性能对比），这些锑化物的晶格常数大部分在0.61nm左右，所以在国际上与InAs基材料一起被称为“0.61nm-族材料”。锑化物半导体的基本特征是窄带系，并且他在-族化合物中拥有很多优点，比如说他有最大的电子迁移率、最大的电子饱和漂移速度、最小的禁带宽度以及最小的载流子有效质量等一系列指标。当然，除此之外，锑化物也含有很多缺点，如其少子复合几率高所导致影响了器件的性能，这主要是因为它的本征载流子浓度大，俄歇复合系数高。表1.1 半导体材料在室温下重要物理性能的对比可以说锑化物半导体虽然有一些缺点，但由于它也具有很多优越的物理性能和独特的能带结构，所以在很多方面都有出色的表现，为很多设计也都带来了自由度和灵活性。在对各种新型的集成电路，光电子器件和高性能微电子的研制开发上创造了广阔的发展空间，而在一些具体的领域中，包括化学品探测、卫星通信、气体环境监测、相阵控雷达、生物医学诊断、超高速超低功耗集成电路、红外夜视及制导、地球资源探测以及我们这里探讨的热光伏系统都有着十分广大的前景。而现阶段，锑化物主要在各种光电子器件和电子器件等领域有了巨大的发展1.2.3 磷化铟磷化铟（InP）的生产一直在扩大，使用率也一直在上升，所以对其的要求也在提高。磷化铟具有闪锌矿结构，晶格常数为0.5869nm，它的禁带宽度在常温下为1.344eV，结构是直接跃迁能带型，电子迁移率为4500cm/V，空穴迁移率为150cm/V，本征载流子浓度在常温下为2107cm-3，发射波长为0.92m10.磷化铟可以分为n型、p型以及半绝缘型，不同类型的制备主要是通过掺杂的不同来生成的，如n型可以掺杂S和Sn，p型则可以掺Zn来制备。由于它们的电阻率各不相同，并根据载流子的浓度可以在很多方面有所应用，n型多用于高速光电器件，p型可用于高效抗辐射太阳能电池，而半绝缘型可以用在光电集成电路11.1.2.4 GaAsSb材料参数的模拟对于热光伏电池来说，材料参数、工艺条件和器件结构等因素都影响着它的基本性能参数。而其中的材料参数更是关键，比如吸收系数、少子寿命、迁移率等都在TPV电池中占着重要的作用，所以如果知道了他们在TPV电池中的正确数值，那对提高模拟精确度是有很大的作用的。图1.6 是GaAsSb与InP晶格相匹配时， Eg随Sb组分（y）和温度变化的关系，可以看到当在Sb组分不变时，Eg随温度的增加而减小；当温度不变时，随着Sb组分的增加，Eg逐渐降低，在Sb组分超过0.8时，Eg又开始逐渐上升。图1.6 与InP晶格匹配时Eg与Sb组分和温度的关系1.2.5 锑化物在热光伏技术中的应用由于-族锑化物半导体的发展，热光伏电池在近几十年中经历了快速的发展，为其提供了异常丰富的材料供生产者使用，这类半导体的禁带宽度Eg可在1.6eV（AlSb）0.1eV（InAsSb）的范围之内调节，覆盖了最佳的禁带宽度范围。不同的TPV系统有着不同辐射体温度，在现在广泛使用的锑化物材料（如GaSb）和其它的多元锑化物材料中，是依靠它们的带隙不同来进行选择的。相比于早期的热光伏系统材料Ge，在物理性能和制备工艺都更好的直接带隙材料GaSb半导体更容易提高TPV系统的性能。它一般应用于辐射体温度较高的TPV系统中，并且GaSb电池的主要制备方法是Zn扩散工艺。可以说基于GaSb材料的热光伏系统已经逐渐地在世界中应用了开来。如图1.7是GaSb热光伏电池的一些比较重要的参数与黑体辐射源温度的关系。图1.7 GaSb电池的电池效率（）、占空因子（FF）、开路电压（Voc）与黑体放射源温度的关系对于多元锑化物半导体如GaxIn1-xAs1-ySby，在红外辐射波长为1.9-2.6m的范围内时，这种多元锑化物电池如果以GaSb为衬底，那么它的禁带宽度会比较合适，并且还可以与多种衬底相匹配。比如就有应用在2m的0.55eV的GaInAsSb/GaSb结构的TPV电池，它的量子效率已经超过了90%。1.3 暗电流在没有光照的条件下，给PN结加反偏电压（N区接正，P区接负），此时会有反向的电流产生，这就是所谓的暗电流，对单纯的二极管来说，暗电流其实就是反向饱和电流。所谓反向饱和电流，是指给PN结加一反偏电压时，外加的电压使得PN结的耗尽层变宽，结电场（即内建电场）变大，电子的电势能增加，P区和N区的多数载流子（P区多子维空穴，N区多子为电子）就很难越过势垒，因此扩散电流趋近于零，但是由于结电场的增加，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流由起支配作用的漂移电流决定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表现在外电路上有一个留入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子是由本征激发而产生的，在温度一定的情况下，热激发产生的少子数量是一定的，电流趋于恒定。1.4 本论文研究内容本论文主要是对热光伏电池技术进行了分析和介绍，其中GaAsSb热光伏电池是主要研究内容，在这个过程中，对热光伏电池技术、热光伏电池参数、热光伏系统、热辐射原理、热光伏发展、-族半导体以及暗电流都做了简要介绍。之后又利用PC1D软件对GaAsSb热光伏电池组建模型，通过改变并联电阻、串联电阻、基区厚度、发射区厚度以及光照强度来找到它们与短路电流、开路电压和最大输出功率间的关系。28东华理工大学毕业论文 PC1D软件应用第二章 PC1D软件应用2.1 PC1D仿真软件介绍PC1D软件是澳大利亚悉尼新威尔士大学在1985年研制开发出的一款仿真软件，可以说它建立了比较完整的半导体器件模型，包括Si、Ge、GaSb、InP、GaAs、GaInAsSb等半导体材料的相关数据，并且描述了在半导体器件中电子和空穴的传输行为，而在这几十年的发展中，PC1D经过了五个版本的变化，在半导体的器件工艺的研究上已经拥有了强大的处理能力，尤其在太阳电池方面的模拟有很大的优势，这也是我们选择PC1D仿真软件的原因。一般来说，PC1D仿真软件是适用于IBM兼容机的程序，得力于它庞大的资料库，它可以利用完全耦合的非线性方程模拟单晶半导体器件中电子和空穴的一维传输过程。PC1D软件的出现，极大简化了太阳电池的模拟问题，使我们可以简单、方便的构建太阳电池的模型，并且可以便捷的调节各类数据，比如说电池的结构参数（如厚度、面积），激励参数（如它的激励模式、温度、光源等），电学参数（如掺杂浓度、表面复合率、材料电阻的大小等），这些参数都是直接以数字的形式出现，让我们直观的感受到他们的存在，当我们改变这些参数时，PC1D程序也会直观的描述出模型的变化。所以我们只需要调整我们所要的数据，就可以了解太阳电池的I-V特性变化、能带变化等等，从而快速、准确的改善它，优化太阳电池的属性。2.2 PC1D界面介绍PC1D初始界面如图2.1，它的命令菜单包含八个部分，分别为File（文件）、Device（器件）、Excitation（激励）、Compute（运算）、Graph（图表）、View（查看）、Options（选项）、Help（帮助）。图2.1 PC1D初始界面文件菜单如图2.2主要是PC1D在计算机中的一些常规操作，如新建、打开、保存后缀为prm（这是PC1D软件的文件格式）的文件，打印，快捷打开最近应用过的文件以及退出程序。图2.2 File菜单器件菜单共有四个部分，如图2.3所示，包括区域管理、区域参数设置、器件参数设置以及器件文件的操作。区域管理可以增加，减少以及选择任一层区域，最多可以创建五层区域，所以这对多种材料的叠层太阳电池（如我们制作的GaAsSb热光伏电池）的模型创建带来了便捷。区域参数包括厚度、材料、掺杂、复合，是对当前操作区域的参数进行检查和调整；器件参数详细包含了器件的各类参数，分别包括器件的大小、表面织构、表面电荷、外围电路电极位置、内表面和外表面的光反射系数；器件文件是用来新建、打开、保存包含除激励和数值解数据外的所有器件信息的dev文件。图2.3 Device菜单激励菜单如图2.4，它包括模式、温度、电路、光照、以及激励文件的操作，模式栏是选择是否需要激励，并提供稳态和暂态的激励；温度栏可以设置器件的温度；电路部分可以选择基极电路和集电极电路，当器件的基极电路和集电极电路存在时，可以修改正面和背面电路的戴维林电路的参数；光照栏是向器件引入光生光照；激励文件部分是新建、打开、保存激励exc文件。图2.4 Excitation菜单运算菜单如图2.5，其含有运行、停止、继续、单步调试、重新开始这类基本命令和批指令、数值参数的设置、修改。图2.5 Compute菜单图表菜单如图2.6，可视化图形显示的设置就在这栏中，我们可以在其中的各个选项得到我们想要的图表，比如电流密度、电荷密度等。图2.6 Graph菜单查看菜单让我们自主选择需要显示的图案；选项菜单直接给出了默认文件路径的设置以及保存节点数据和更新器件图形；帮助菜单则可以查到文件的版本以及一些简要的帮助提示。2.3 PC1D模型建立在PC1D中设计的GaAsSb热光伏电池模型含有两层区域，基区和发射区，它们用的材料分别是N-GaAsSb、P-GaAsSb，在将每一层的参数输入之后，又在模型中加入了串联电阻和并联电阻，以及将模型的前表面绒化，最终得到的模型如图：图2.7 GaAsSb热光伏电池模型此时设置串联电阻为0.015，并联电导为0.3S，黑体辐射强度为1473K，基极厚度0.2m，发射极厚度4m，得到的短路电流3.561A，开路电压0.4537V，最大输出功率1.102W。所以此时器件的少子复合电流密度Jo=310-860%，最大输出电功率密度Pmax=1.1w/cm2。2.4 基本物理参数设置在DEVICEH和REGION区域中进行参数的设置，下表是GaAsSb的一些参数设置。表 2-1 GaAsSb参数Umaxe(cm2/Vs)6.14e3Umine(cm2/Vs)8.61e2Nrefe(cm-3)2.36e17Le9.19e-1O1e2.02e00O2e2.84e00Umaxh(cm2/Vs)756.8858Uminh(cm2/Vs)70.3704Nrefh(cm-3)7.5e17Lh0.596O1h1.8O2h2.76Dielectric Constant14.98Bang Gap(eV)00.674Electron(eV)3.87Nc/nv0.05932.5 激励文件的载入激励文件可以载入PC1D文件夹下的one-sun文件，这是用来模拟在标准情况下的I-V的。载入后，将测试温度改为300k，光功率密度为8W/cm2。2.6 PC-1D数据曲线图介绍在将模型的两层区域的参数输入之后，可以点击对整个模型进行仿真处理，再点击可以看到软件处理后得到的I-V曲线图和P-V曲线图。如图2.8：图2.8 I-V、P-V曲线图其中红色曲线代表I-V图，绿色曲线是P-V图，可以看到曲线是由数据点构成的，当用鼠标点击曲线上的某一点时，在软件最下方会出现这点的X、Y轴具体数据。点击可以得到其他的数据图，如图2.9所示：图2.9 4-graph 除I-V、P-V图外的三幅图，是最后一个数据点的结果，而要得到每张图的具体数据，只要双击需要的图，就可以放大，再点击曲线就可以得到详细的数据，右键则可返回。Energy Bands是能带图。红色为导带Ec，黄色为电子的准费米能级EFn，蓝色为空穴的准费米能级EFp，绿色为禁带Ev。Generation & Recombinanation图中红色为从前表面X=0处的产生电子空穴的速率的累积量，绿色是电子空穴复合速率的累积量。Carrier Densities是电流密度图，绿色为空穴电流密度，红色是电子电流密度，黄色是总电流密度。而除了这四幅图外，我们还可以在菜单GraphSpatial中找到当前与物理性质有关的数据图，如掺杂浓度（Doping Densities），电荷密度（Charge Densitity），载流子密度（Carrier Density），扩散长度（Diffusion Length）等。在菜单GraphTemporal中可以查看单独的I-V图、P-V图等。2.7 本章小结本章主要介绍了PC1D软件的发展历程，并对PC1D的界面做出了介绍，对各个菜单都梳理了一遍。之后简给出了模型以及部分参数的数值，并给出了在1473K时少子复合电流密度，电压因子，最大输出电功率密度的值。在模型建立好之后，产生了I-V、P-V曲线图以及其他数据图，这里也对它们做出了描述与解释。东华理工大学毕业论文 PC1D仿真分析第三章 PC1D仿真分析3.1 电阻的影响模型中加了一个串联电阻和一个并联电阻，其中并联电阻表现的是电池的漏电水平，会受到一些因素影响，如离子刻蚀，而串联电阻可以由栅线电阻、硅片基体电阻、接触电阻和扩散方块电阻组成。这两种电阻的存在会使填充因子降低，从而导致电池光电转换效率的降低。其中效率等于输出功率Pmp与输入功率Pin的比值，而输入功率等于太阳光的强度乘以电池的面积，它分别是0.1W/cm、1cm。所以效率可以由下式得出：表3-1是在不改变其他参数的前提下，使并联电阻变化，来观察它同输出参数的关系，此时辐射强度为1473K。表3-1 不同并联电阻对应的输出参数Rsh（）1020501001k2k5k10kIsc(A)3.5723.5743.5763.5763.5773.5773.5773.577Voc(V)0.45950.45970.45980.45980.45980.45980.45980.4598Pm(W)1.1271.1331.1361.1381.1391.1391.1391.139图3-1 不同并联电阻对应开路电压从上面知道，当辐射强度一定，并联电阻较小时，随着它的增大，开路电压会先小幅度增大，而一旦并联电阻在103以上时，就几乎不变。表3-2是分析在不改变并联电阻时，串联电阻与输出参数的关系，此时辐射强度为1473K。表3-2 不同串联电阻对应的输出参数Rs（）00.0150.030.050.11510Isc(A)3.5773.5613.5453.5243.4030.45530.09170.0459Voc(V)0.45880.45880.45890.45890.45890.4590.4590.4590Pm(W)1.2431.1020.95260.77140.4730.05230.01055.263e-3图3-2 不同串联电阻对应开路电压从中可以看出，在辐射强度一定时，GaAsSb热光伏电池的开路电压随着串联电阻的增大会先增大，而之后串联电阻对开路电压几乎没有影响。3.2 有源区厚度的影响这里不改变发射区厚度，只改变基区厚度，此时辐射强度为1473K。表3-3 不同基区厚度对应的输出参数B区厚度（m）0.10.20.30.40.50.60.70.8Isc(A)3.5543.5613.5663.5683.5683.5643.5563.544Voc(V)0.45910.45880.45850.45820.45790.45750.45720.4568Pm(W)1.1011.1021