（光学专业论文）微晶硅晶体硅异质结太阳电池的模拟与优化.pdf

内蒙古师范人学硕：b 学位论文 中文摘要 微晶硅材料是微晶粒、晶粒间界和非晶相共存的混合相材料，一般 都存在微空洞，其带隙随着晶相比的不同，由1 2 e v 到1 7 e v 连续可调， 而且几乎没有光致衰退效应。由于微晶硅薄膜电池兼有晶体硅电池的高 稳定性和薄膜电池的低成本的优势，因此被视为硅基薄膜太阳电池的下 一代技术。 本论文对微晶硅晶体硅异质结太阳电池的窗口层、界面态密度、本 征缓冲层、缺陷态浓度、背场及双结叠层太阳电池等方面进行了计算机 模拟的研究工作，采用a f o r s h e t 模拟软件研究了微晶硅晶体硅异 质结太阳电池各项参数对异质结电池性能钓影响。根据理论模拟的要 求，我们选取了p 型微晶硅n 型晶体硅异质结太阳电池结构，模拟结果 主要表明： ( 1 ) 窗口层对太阳电池的性能有重要影响。随着窗口层厚度的增 加，开路电压、短路电流下降，填充因子减小，效率随之降低，在厚度 为1 0 n m 时，电池效率最高。随着窗口层掺杂浓度的增加，短波段光谱 响应变小，从而使短路电流减小，开路电压增大，当掺杂浓度为1 0 1 9 c m 一， 电池效率最高。带隙宽度的变大对开路电压的影响明显，填充因子和电 池效率略有增大，短路电流无明显变化，当带隙宽度大于1 6 e v 以后， 开路电压增大，短路电流减小，电池效率开始下降。在窗口层厚度为 1 0 n m ，掺杂浓度为1 0 1 9 c m ，带隙宽度为1 6 e v 时，电池各项参数为 v o c = 0 6 7 5 8v ，j s c = 3 8 3 5 m a c m z ，f f = 8 4 1 8 ，7 = 2 1 8 2 。 在c s i c s i 异质结太阳电池中插入本征层，有助于电池性能的提 高。本征层厚度从5 n m 增大时，填充因子逐渐减小，电池性能下降， 模拟的太阳电池的本征层厚度为5 n m 。随着本征层缺陷态浓度n 。的增 加，中长波的光谱响应显著降低，而4 5 0 n m 的短波的光谱响应没有任 何变化，开路电压，短路电流，填充因子和转化效率明显降低。 ( 2 ) 为减小少子的复合，我们对z c s i ( p ) t c s i ( i ) c s i ( n ) 太阳电池 引入一微晶硅背场性能。微晶硅背场的厚度对电池性能影响不是很明 内蒙古师范大学硕上学位论义 显；随着带隙的增大，电涟的开路电压先增大后无变化，当带隙超过 1 6 e v ，填充因子开始降低；而短路电流和效率均是先增大，后变小，在 带隙为1 6 e v 时，电池转化效率最高。随着掺杂浓度的提高，太阳电池 的开路电压几乎不变，而短路电流和填充因予都有逐渐提高，电池效率 随之增大；当微晶硅背场厚度为l o n m ，掺杂浓度为5 x 1 0 1 k 意，带隙 为1 6 e v 时，t c s i ( p ) k t c 。s i ( i ) c 。s i ( n ) t e - s i ( n + ) 太阳电池的性能最好为： v o c = 0 。7 0 8 4 v ，j s c = 4 0 + 3 7 m a c m z ，f f = 8 6 。31 ，r = 2 4 6 8 。 ( 3 ) 叠层太阳电池的研究是为了更好的吸收太阳光谱。本论文中 发展了一种双结叠层太阳电池的理论模鍪，初步得到了电流匹配是影响 叠层太阳电池转换效率的重要因素之，在i = i 蛾= 3 3 m a c m 2 时，得 到了最大效率朝= 3 6 。l 麓薄膜菲螽硅磁晶硅叠层太阳电池。 关键词：异质缝太阳电池，微晶硅，模拟与优化，转化效率，叠层太阳 电池 内淤古师范犬学硕：卜学位论文 a b s t r a c t g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h em i c r o c r y s t a l l i n e s i l i c o ni sm a d eu po f m i c r o c r y s t a j l i n eg r a i n 、a m o r p h o u sp h a s ea n db o u n d a r y ，i t se x i s t e n c eo f m i c r o * h o l e ，a n di t so p t i c a lb a n dg a pc h a n g e sf r o m1 2 e vt o1 7 e vw i t ht h e d i f f e r e n tc r y s t a l l i n ev o l u m ef r a c t i o no ff i l m s m i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i n f i l ms o l a rc e l lh a st h ea d v a n t a g e so fb o t hc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l la n d t h i nf i l ms o l a rc e l t ，s oi ti sb e l i e v e da st h et e c h n o l o g yo fs i l i c o nf i l ms o l a r c e l l si nt h en e x tg e n e r a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e do nt h es t u d yo ft h en o v e l e s i c s is o l a rc e l l ，t h e p e r f o r m a n c e so fh i ts o l a rc e l l sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s so fw i n d o wl a y e r , t h e d e n s i t yo fi n t e r f a c ed e f e c ts t a t e s 圆i t ) ，t h ei n t r i n s i cl a y e r ，d e f e c tc o n c e n t r a t i o n a n db a c ks ur c a c ef i e l dw e r es i m u l a t e d 。a f o r s h e ts o f t w a r ew a su s e di nt h e s i m u l a t i o no ft h e 芦e s i 惩一s ih e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l w ec h o o s e 芦e s i ( p ) c - s i ( n ) s o l a rc e l la c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fs i m u l a t i o n s o m em e a n i n g f u l r e s u l t sw e r ea c h i e v e d ： ( 1 ) t h em o d e l i n gr e s u l t ss h o wt h a to p e nc i r c u i tv o l t a g e ，s h o r tc i r c u i t c u r r e n ta n de f f i c i e n c yd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n go ft h i c k n e s so fw i n d o w l a y e r ，t h eo p t i m a lt h i c k n e s s o fe m i t t e r l a y e r a b o u t5 n m h o w e v e r ，t h e e f f i c i e n c i e sf i r s t l yi n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n go ft h eb a n dg a pe n e r g y ，w h i l et h e b a n dg a pe n e r g yi n c r e a s e st o1 6 e vt h ee f f i c i e n c i e sb e g i nt od e c r e a s e t h e 黟e s i ( p 一s i ( n ) h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l lh a sah i g h e s tt r a n s i te f f i c i e n c yo f 2 1 8 2 w i t ho p t i m u mp a r a m e t e r s ，e g t h et h i c k n e s so fw i n d o wl a y e ro f 10 n m ，b a n dg a pe n e r g yo f1 6 e va n dd o p i n gc o n c e n t r a t i o no f1 0 1 9 c m 。 t h em a i nr o l eo ft h e i n t r i n s i cl a y e ri st op a s s i v a t et h es u r f a c es t a t e so f e s iw a f e r ，o p e nc i r c u i tv o l t a g e ，s h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n de f f i c i e n c yd e c r e a s e w i t hi n c r e a s i n go ft h i c k n e s so fi n t r i n s i cl a y e r ，t h eo p t i m a lt h i c k n e s so f i n t r i n s i cl a y e ra b o u t5 n m t h ed e f e c t sc o n c e n t r a t i o no ft h ei - l a y e ra f f e c tt h e i vc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p e c t r a lr e s p o n s ea tl o n gw a v e l e n g t hi m p o r t a n t l y ( 2 ) b a c ks u r f a c e f i e l d ( b s f ) e f f e c to f e s i ( p ) 隧c s i ( i ) c s i ( n ) 内蒙古师范大学硕上学位论文 h e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l lw a ss i m u l a t e db ya f o r s h e ts o f t w a r e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h et h i c k n e s so ft h eb s fh a ss l i g h ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f t h es o l a rc e l l t h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n dt r a n s l a t ee f f i c i e n c yi n c r e a s ew i t h t h eb a n dg a p ，b u ti ta l s od r o p sw h e nt h eb a n dg a pr e a c h e s1 6 e v t h es h o r t c i r c u i tc u r r e n ta n df i l lf a c t o ri n c r e a s ew i t ht h ed o p e dc o n c e n t r a t i o n t h e i z c s i ( p ) i z c s i ( i ) c - s i ( n ) h e t e r o j u n c t i o n s o l a r c e l lh a st h eh i g h e s tt r a n s l a t e e f f i c i e n c yo f2 4 6 8 w i t ht h et h i c k n e s so ft h eb s fo f1 0 n m ，b a n dg a po f 1 6 e v a n dt h ed o p e dc o n c e n t r a t i o no f5 x 1 0 州c m 一 ( 3 ) t h et a n d e ms o l a r c e l l sh a v eb e c o m et h em o s t c o m p e t i t i v en e w g e n e r a t i o ns o l a rc e l la c r o s st h ew o r l d w eh a v ed e v e l o p e das e m i e m p i r i c a l m o t e lt oc a l c u l a t et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fab a s e dt w o u n c t i o ns o l a rc e l l s u p o nt h ep e r f o r m a n c e so ft h ec o m p o n e n tc e l l s c u r r e n tm a t c h i n gi so n e o ft h e k e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft w o t e r m i n a lt a n d e ms o l a r c e l l s ，t h e nt h eh i g h e s te f f i c i e n c yo ft h et w o t e r m i n a lt a n d e ms o l a rc e l l so f 3 6 ，1 c a nb er e a c h e dw i t hi s c x = i s c 2 = 3 3 m a c m2 k e y w o r d s ：h i t ；m i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o n ；s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ； c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ；t a n d e ms o l a rc e l l s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名：j 皿 日期：乱唧年 广月冲日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完金了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位 论文的规定：内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：啼力让 导师签名： 嘲：叶 f 月哼日 第一章引言 1 1 能源危机 第一章引言 能源危机和环境污染是人类在2 1 世纪面临的最大的挑战【1 1 。能源一直是主导和 制约全球经济发展的重要因素之一，从2 0 世纪9 0 年代开始，能源危机已经成为全 世界关注的焦点问题，随着经济的快速增长，人与自然的矛盾越来越突出，“能源 与可持续发展”之间的矛盾也越来越尖锐。一方面社会对能源的需求量越来越大， 近百年来，全球能源消耗基本呈稳定增长态势，按3 指数增加；另一方面，在世 界范围内，煤、石油、天然气等常规能源( 不可再生能源) 存储量剧减，即将被人 类耗尽。据估计，石油和天然气将在未来4 0 6 0 年间枯竭，煤的开采年限也只有2 0 0 年，见图1 - 1 ，而且常规能源的使用伴随着大量的污染，各种氮化物、硫化物在矿 物燃料的燃烧中排放到空气中，酸雨、臭氧层空洞等环境问题日益突出，大气层中 温室效应气体的含量亦不断上升，全球变暖已是每个人都能切身感受得到的现象， 严重影响了人类正常的生活和生产，其可能带来的气候灾难不可估量。 2 2 5 0 锯 2 2 ( x ) 年 2 1 5 0 年 2 1 0 0 焦 2 0 5 0 年 2 0 0 ( i 拒 誉圜世界，：中国 约2 3 0 年 ： i ，牛f , s 7 1 纯 圈1 , j 5 太阳能石油天然气 煤铀 图1 - 1 世界及中国能源使用年限预测图 2 0 0 6 年全球人口已经超过6 5 亿，能源需求折合成发电装机容量为1 4 5 t w ，而 世界上水能资源经济开采量只有0 9 t w ，风能实际可开采资源为2 孙，生物质能 韫 一拜婢缃 纵网 内蒙古师范人学硕上学位论文 3 t w ，于是，可再生的、丰富的、无污染的能源急需得到开发和利用，太阳能正是 因为具有这些优点而步入科学家的视野的【2 】【3 1 。太阳辐射能资源非常丰富，分布广 泛，不受地域和季节的限制，其潜在资源1 2 0 0 0 0 t w ，实际可利用资源高达6 0 0 t w ， 表1 1 ，每秒钟照射到地球上的太阳能相当于5 0 0 万吨标准煤，每天到达地球表面 的太阳辐射能大约相当于2 5 亿万桶石油，到达地球表面上的能量密度约为 1 0 0 0 ，m 2 ，因此合理开发利用太阳能、实现能源工业的可持续发展，对世界各国 来讲都具有重大意义。 表1 - 1 能源需求与可再生资源 2 0 0 4 年世界实际能耗 1 3 t w 2 0 5 0 年世界预测能耗3 0t w 2 1 0 0 年世界预测能耗 4 6t w 未开发水力o 5t w 海洋能( 潮汐、海浪、海流) 2t w 地热能 1 2t w 可利用风能2 - 4t w 全球太阳能 1 2 0 0 0 0t w 经济可利用6 0 0t w 我国地处北半球，幅员广阔，有着丰富的太阳能资源。特别是西部地区，年日 照时间达3 0 0 0 h 以上。太阳能分布最丰富的是青藏高原地区，可与地球上最好的印 巴地区相媲美。全国2 3 以上的地区年日照大于2 0 0 0 h ，年均辐射量约为5 9 0 0 1 v i j m 2 。 青藏高原、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区光照资源尤为丰富，而这些地区恰恰是 我国供电困难的地区。 1 2 太阳能的发展状况及前景 太阳能的利用主要有两种方式【4 】，一是太阳能集热，以太阳能热水器为代表， 另一种是太阳能发电，主要依靠太阳电池来完成。太阳电池因其环保，可单独发电 迅速成为研究的热点。太阳电池是利用光生伏特效应，直接将太阳能转化为电能的 2 第一章弓l 言 光电器件【鄂。太阳电池的研究已有相当长的历史，早在1 8 3 9 年，法国b e c q u e r e l 在 电解槽中发现了光生伏特效应，1 8 8 3 年，f d t t s 描述了第一个用硒制造的光生伏特 电池，1 9 4 1 年，o h l 提出了硅p n 结光伏器件，在此基础上，二十世纪弱年代，太 阳能利用领域出现了两项重大突破：一是1 9 5 4 年美国贝尔实验室的c h a p i n 等入研 制出了第一个实用的硅扩散p n 结太阳电池，其光电转换效率为6 ，并很快将效率 提高到1 0 。二是1 9 5 5 年以色列t a b o r 提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功 选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标 志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。1 9 5 8 年，太阳电池首先在人造卫星 上得以应用，从此开始了研究、剥用太阳能发电的薪阶段。 至今为止太阳电池已从最开始的单晶硅电池向薄膜电池【6 发展，如非晶硅太阳 能电池、c i s 太阳能电池、c d t e 太阳能电池和纳米敏化太阳能电池，还有些新型 的量子点太阳电池等。此外主要的生产技术也得到了快速的发展，多晶硅铸造炉的 发明及改进使多晶硅铸造形成规模化生产，1 9 9 8 年多晶硅电池产量超过单晶硅，成 为光伏市场的主导产品；用于多晶硅电池钝化和减反射膜涂层的p e c v d 氮化硅设 备对提高商业化多晶硅效率发挥了重要作用，而且推广到单晶硅电池上；全自动化 丝印机及分选机对提高商业化电池性能、生产效率、扩大规模等均发挥了重要作用， 这些技术都代表蓿太阳电池的技术发展到了个相对成熟的阶段。 。2 1 世界太阳能光伏产业现状及展望 2 l 世纪赫半期是人类能源结构发生根本性变革的时期，在这个变革时期可再生 能源将逐渐替代常规化石能源，世界上很多国家和机构都预测了可再生能源在未来 一段时间在总能源消耗中所占的比例，按照预测，2 0 1 0 年可蒋生能源占到1 0 ，2 0 3 0 年占到3 0 ，2 0 5 0 年占至l j5 0 ，到2 1 0 0 年将超过8 0 ，那时可再生能源将占有绝 大数市场。世界太阳能光伏产业和市场在严峻的能源形势秽生态环境的压力下，在 技术进步促进下以及在法规政策强力推动下，自2 0 世纪9 0 年代歼始步入了快速发 展时期，最近十年( 1 9 9 7 2 0 0 7 ) 太阳电池的年平均增长率为4 1 3 ，最近五年 ( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 的年平均增长率为4 9 5 ，特别是自2 0 0 4 年德国实施了经过修订的 上两电价法以来，市场需求急捌扩大，光伏产品供不应求，尽管有材料短缺的制约 因素，但2 0 0 7 年太阳电池组件的年增长率仍然达到5 6 2 ，表王2 为2 0 0 7 年不同 国家和地区太阳电池产量及份额。 3 内蒙古师范大学硕二t 学位论文 根据s o l a r b u z zl l c 年度p v2 1 2 业报告，2 0 0 7 年世界光伏系统安装量为 2 8 2 6 m w p ，比2 0 0 6 年增长了6 2 ，其中德国安装量为1 3 2 8 m w p ，占世界光扶市 场总量的4 7 ，继续为世界之首，其余依次为西班牙( 6 4 0m w p ) ，翻本( 2 3 0m w p ) 和美匿( 2 2 0m w p ) ，表32 0 0 7 年世界主要国家和地区光伏市场及份额。2 0 0 7 年欧 洲光伏市场占世界的7 1 ，持续为世界最大的市场，这主要是欧洲大部分国家实施 了上网电价法，使光伏市场得到了非常有效的启动2 0 0 7 年亚洲光伏市场占世界的 1 5 ，市场份额明显缩小，主要原因是，溅洲的光伏市场主要在同本，而日本已经 结束了政府补贴政策，日本虽然仍是亚洲最大的光伏市场，但总量有所减少，加上 世界总量在扩大，导致鳆洲光伏市场明显缩小。 表王一2 为2 0 0 7 年不冠国家秘地区太黧电池产爨及份额 2 0 0 7 年 国家和地区 产量，m w比例， 日本 9 2 02 3 中霞 1 0 8 82 7 2 中国t w 3 6 89 2 德国 8 1 02 0 2 5 欧洲 2 5 2 。86 3 2 美国 2 6 6 1 6 6 5 世界其他 2 9 5 1 57 。3 8 合计 4 0 0 0 0 51 0 0 世界光伏产业和市场发展的个突出特点是，并网发电应用比例越来越大，从 本世纪开始已经成为光伏发电的主导市场，2 0 0 7 年欧洲的并网光伏系统比例达到 9 5 以上，世界平均水平达到8 0 ，说明光伏发电在能源中正在发挥着越来越大的 替代作用，太阳能光伏发电具有最广阔的发展前景，是各国最着力发展的可褥生能 源之一，世界能源组织( 匝a ) 对太阳能光伏发电的未来作如如下预测：2 0 2 0 年世 界光伏发电的发电量占总发电量的l ，2 0 4 0 年占总发电量的2 0 。 欧洲光伏工业协会( e p i a ) 对光伏发电的预测2 0 2 0 年世界光铰组件年产量将 达到4 0 g w p ，光伏发电总装机容量1 9 5 g w p ，发电量2 7 4 t w h ，占全球发电量的 4 第一章引言 l ，2 0 4 0 年光伏发电量为7 3 6 8 t w h ，占全球发电量的2 1 。 表卜32 0 0 7 年世界主要国家和地区光伏市场及份额 国家和地区安装量，m w p份额，排序 德国 1 3 2 84 6 9 9王 西班牙 6 4 02 2 6 52 r 本 2 3 08 1 43 美国 2 2 0 7 1 8 4 意大利 2 0 0 7 l5 中国 2 0o 7 王 5 韩国 2 0o 7 l5 法国l so 5 36 世界其他 3 3 311 7 8 表1 - 42 0 0 2 年至2 0 0 7 年革晶硅、多晶硅耩薄膜太辩电池的产量变化情况。 单位：m w p 年份 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 单晶硅 1 8 32 3 74 0 96 7 21 1 4 11 6 5 1 电池 多晶硅 3 2 3 84 6 77 2 7 1 0 1 3 91 2 2 9 71 9 9 9 电池 薄膜电 3 04 36 51 0 7 1 9 13 5 0 池 总计5 3 6 。8 7 4 71 2 0 1 1 7 9 2 。92 5 6 1 74 0 0 0 上世纪9 0 年代以来，联合国召开了一系列高峰会议，讨论和制定世界太阳熊 战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，旨在推动全球太阳能和可再 生能源的开发剩用。 本逶产省( m i t i ) 第二次新熊源分委会宣布了光伏、风能和 太阳热利用计划，目标是2 0 1 0 年光伏发电装机容量达到5 g w ；欧盟的可再生能源 彝皮持及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里科碑，总墨标是2 0 1 0 年光 5 内蒙吉师范大学硕士学位论文 伏发电装机容量达到3 g w ；美国能源部也制订了相应的光伏规划，以实现美国能源 供应、社会发展和保持世界光伏产业领导地位的战略目标，按照预计的发展速度， 2 0 1 0 年美国光伏发电装机容量将达到4 7 g w ；澳大利亚计划于2 0 1 0 年使光伏发 电的装机容量达到0 7 5 g w 。 表1 5 美、欧、日太阳能光伏发电路线图及世界光伏发电预测( g w p ) 年度 2 0 0 0 2 0 1 02 0 2 02 0 3 0 美国 0 1 52 13 62 0 0 欧洲 o 1 53 04 l2 0 0 日本 o 2 54 83 02 0 5 世界总计1 01 42 0 01 8 5 0 在光伏产业不断扩大的同时，太阳电池制作技术也得到了快速发展，技术是降 低光伏发电成本、促进光伏市场产业和市场发展的重要因素，先进技术不断向产业 注入使商业化电池的效率不断提高，单晶硅1 6 2 0 ，多晶硅1 5 1 8 ，非晶硅 5 7 ，非晶硅微晶硅叠层电池效率为8 1 0 ，而且性能不断提高。3 0 多年来太 阳电池的硅片厚度从7 0 年代的4 5 0 5 0 0 # m 降低到目前的1 8 0 2 0 0 # m ，降低了一半 以上，降低硅片厚度是减少材料消耗，降低成本的有效技术措施。 澳大利亚新南威尔士大学开发的高效单晶硅电池效率己达2 4 7 ，美国、日本、 德国的单晶硅电池效率也达到2 0 以上。在微晶硅薄膜太阳电池研究方面：2 0 0 1 年，德国j u l i c h 光伏技术研究所，利用等离子化学气相沉积技术，制备出了单结微 晶硅薄膜太阳能电池，其转换效率达到了8 。2 0 0 3 年，美国u n i t e ds o l a r 制备出 微晶硅单结太阳电池，其转换效率为6 7 ，但其微晶硅与非晶硅的叠层电池的转换 效率达到了1 2 4 ；而在异质结太阳电池的研发中，日本三洋公司具有较大优势， 其转换效率已达到2 1 2 。 1 2 2 中国太阳能光伏发电现状及展望 太阳电池在我国已有半个多世纪的发展历史【7 1 ，我国第一个空间太阳电池载于 1 9 5 8 年发射的v a n g t u a r di 体装式结构，单晶硅衬底，效率约1 0 ( 2 8 * c ) ，到了1 9 7 0 年 6 第一章引言 代，科学家们改善了电池结构，采用b s f 、光刻技术及更好减反射膜等技术，使电池 的效率增加到1 4 。我国光伏产业从无到有，从小到大，在世界光伏市场的强力拉 动下，我国太阳能电池产业持续快速发展，截至2 0 0 7 年底，从事太阳电池生产的 企业达到5 0 余家，2 0 0 7 年我国太阳电池的产量为1 0 8 8 m w p ，( 其中非晶硅电池为 2 8 3m w p ) ，比上一年增长1 4 8 1 ，产量超过日本( 9 2 0 m w p ) 和欧洲( 1 0 6 2 8 m w p ) ，成为世界上第一大太阳电池生产国。2 0 0 7 年我国光伏系统的安装总量约为 2 0m w p ，累计装机1 0 0m w p 8 1 。：在我国已经制定的可再生能源长期发展规划中， 明确提出了光伏发电的发展目标：到2 0 1 0 年光伏发电总容量达到3 0 万千瓦，到2 0 2 0 年光伏发电总容量达到1 6 0 万千瓦：根据初步预测，到2 0 3 0 年光伏发电有可能实现 1 0 0 0 亿千瓦的容量水平，到2 0 5 0 年，则能形成上亿千瓦装机的水平，在我国发电 装机中占5 左右。 1 3 开题思想及本学位论文的主要内容 光伏产业是未来的一个朝阳产业。太阳电池中研究最早的单晶硅太阳电池因成 本高，材料消耗严重，因此大规模推广的可能性很小。非晶硅薄膜太阳能电池，因 其采用低温工艺技术( 约2 0 0 。c ) ，耗材少( 电池厚度小于1 肛m ) ，材料与器件同时 完成，便于大面积连续生产，这种低耗材、低功耗的低成本优势倍受重视，从而得 到迅速发展。但是，由于非晶硅的光学带隙为1 7 e v ，对太阳光谱的长波区域反应 不敏感，限制了光电转换效率，且非晶硅薄膜的光致衰退( s m 效应【1 3 】，使得电池的 性能不稳定，这些是亟待解决的方向性问题。 近些年来，微晶硅薄膜太阳能电池以及非晶微晶叠层电池【1 4 】的研究成为热点。 通常认为：微晶硅薄膜是微晶粒、晶粒间界、空洞和非晶相共存的混合相材料【j 5 1 ， 即具有高的吸收系数和光学稳定性，又可拓展光谱响应范围，而且其制备工艺与非 晶硅材料的制备工艺相同。 为了获得成本低、效率高的微占 硅太阳电池，人们做了大量的实验工作，取得 了很大的进展，但是理论模拟部分的研究工作相对较少。本文选择微晶硅晶体硅异 质结太阳电池为研究对象，探索影向微晶硅太阳电池性能的主要原因，最终设计、 模拟了微晶硅晶体硅异质结太阳电池。 本文研究的主要内容可总结如f ： ( 1 ) 用n p 型和p n 型微晶硅电池作比较，比较了两者的i v 特性。发现p n 型 7 内蒙古师范大学硕士学位论文 太阳电池有更大的优越性。 ( 2 ) 微晶硅窗口层主要是建立内电场并且吸收短波光子，探讨了窗口层厚度、 带隙和掺杂浓度影响微晶硅太阳电池效率的主要原因，并得到窗口层的最佳参数。 ( 3 ) 本征i 层、背场的引入有效的提高了电池的效率，改善了电池的稳定性， 主要讨论了本征i 层、缺陷态浓度和背场对电池性能的影响，得到本征层和背场的 最佳参数，模拟发现合适的本征i 层、微晶硅背场可以将电池的转化效率提高2 个 百分点。 ( 4 ) 叠层电池具有不同的带隙，吸收不同波长的光子，有效提高了太阳光的利 用率，我们发展了一种双结叠层太阳电池的模型，在单结电池光伏实验参数的基础 上，模拟微晶硅双结叠层电池的性能，首先优化各组分电池的性能，然后获得各组分 电池之间的最佳匹配。 8 第二牵太弱电漶鳇工作聂理 第二章太阳电池的原理 太阳能是一种辐射能，如果想要利用太阳能，就必须借助予能量转化器才 能转变为电能，这个把太阳能转变成电能的器件，就是太阳电池。太阳电池工 作的基础，是半导体p n 结的光生伏打效应【1 6 1 。所谓光生伏打效应，简单的说， 就是当半导体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化，价带电予就可以 吸收光子的能量，跃过禁带进入导带，在p n 结的两端产生电动势和电流的一 种效应。 半导体太弱电池的工作原理可以概括成下面几个主要过程【1 7 1 。第一，必须 有光的照射，可以是单色光、太阳光或模拟太阳光源等，而且要求入射光的光 子能量要大于半导体的禁带宽度。第二，光子注入到半导体内后，激发出电予 空穴对。这些电子和空穴应有足够长的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。 第三，必须有空闷电荷场，在电场的作用下，激发磁来的电子空穴对被空间电 场分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边。绝大部分太阳电池利用p n 结 势垒区的静电场实现分离电子一空穴对的目的，p n 结是太阳能电池的核心部 分。第四，被分离的电子和空穴，由电极收集经由外电路输出到电池体外，形 成电流。 2 1p n 结 众所周知，高纯半导体材料具有很大的电阻，因此导电性能很差。绝对纯 的且没有缺陷的半导体称为本征半导体，根据需要在本征半导体中掺入一定数 量的杂质，- 就可以得到掺杂半导体。硅是一种重要的半导体材料，它具有4 个 价电子，若在硅中加入v 族元素( 如磷) ，在硅的晶格中的一个磷原子的四个电 子与周围的四个硅原子的电子形成共价键，还剩一个价电子处于游离状态雨使 磷原子电离，这科提供电子的杂质称为施兰杂质，这种掺有施主的半导体称为 n 型半导体1 1 8 】。在n 型半导体中电子的浓度远大于空穴浓度，电流主要靠电子 来输运，由于掺入的杂质比硅多一个价电于，这个电子在硅中可以起传输电流 的作用，这里多数载流予是电子，称为( 多子 ，空穴是少数载流子，称为( 少 9 内蒙古师拖犬学硕” ：学位论文 子) 。若在硅中加入i i i 族元素( 如硼) ，一个硼原子在晶格中与周围的四个硅原 予组成共价键时，缺少一个电子，也就相当于多了一个空穴，在这种半导体中 相当予空穴是多子，而电子是少子，这种杂质称为受主杂质。把这种掺有受主 杂质的半导体称为p 型半导体。由于掺入的杂质比硅少一个价电子，p 型半导 体材料中，空穴超导电作用，在p 型半导体中，存在着大量带正电荷的空穴， 同时也存在着等量的带负电荷的电离了的受主离子，因此也保持电中性。 电1 静。敞 阳_ 四固g蛰鬯 嬉萄萤对 鬯鬯曹 固镱蟪c 3 镑镑 留憩四 固锈锩鬯 n区p垅 浏2 一l 形成p n 结游载流子的扩散过程 + 把n 型半导体和p 型半导体十分紧密的接触，在两者的交界面处就形成p n 结疆9 1 。如图2 1 所示，n 型和p 型半导体接触后，由于交界面处存在着电子 和空穴的浓度差，n 区中的多数载流予( 电子 要淘p 区扩散，p 区中多数载 流子( 空穴) 要向n 区扩数。扩散后，对予p 区，空穴离开后，留下了不能移 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 一侧 b 现了由 电离施主构成的一个难电荷区，通常就把这层侧带正电荷而另一侧带负电荷 的很薄的区域，称为空闻电荷区，郎通常所说的p n 结，如匿2 。2 。 够鬯譬$ 囝o9奄奄鬯 心譬时e e奄 鬯 罅啦心o oo奄 楚书碍 oe尊鬯镑 n 迭 密闻电衙区 p 试 圈2 - 2 空间电荷区簿l 内建电场 1 0 第二章太霞电池熬t 裕聚理 空间电荷区中的这些电荷产生了从n 区指向p 区，即从正电荷指向负电荷 的电场，称梵内建电场。在内建电场俸用下，载流子作漂移运动。显然，电子 和空穴的漂移运动方囱与它们各翻的扩散运动方向相反，因此，内建电场起着 阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多， 空间电荷区也逐渐扩展，同时，内建电场逐渐增强，载流予的漂移运动也逐渐 增强。在无外电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，郎从 n 区向p 区扩散过去多少电子，网时就将有丽样多的电子在内建电场作用下返 回r l 区，毽丽电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反丽互相抵消， 对于空穴，情况完全相似，因此，没有电流流过p n 缁。或者说流过p n 结的净 电流为零。这时空间的数量定，空间电荷去不再继续扩展，保持一定的宽度， 其中存在一定的内建电场。般称这种情况为热平衡状态下的p n 结。 平衡龋结酶情况，可以用熊带匿表示1 2 0 】。如蓬2 3 表示n 型、p 型两块半 导体的能带图 e f n 辜 i q 妻一 v d n 区p 区 图2 - 3p n 结的接触势垒 图中e f n 和e f p 分别表示n 型和p 型半导体的费米能级，当两块半导体结合 形成p n 结时，按照费米能级的意义( 费米能级标志着电子填充能级的水平，费 米能级位置越高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子) ，电子将从费米能 缴高的n 区流内费米能级低的p 区，空穴则麸p 区流向n 区，因而e f 不断下 移，且不断上移，直至e f n = e f p 时为止。这时p n 结中有统一的费米能级勖， p n 结处于平衡状态，其能带如图2 4 所示。事实上，e f 是随着n 区能带一起下 移，e f p 是随着p 区能带一起上移的。能带相对移动的原因是p n 结空间电荷区 中存在内建电场的结果。随着从n 区指向p 区的内建电场的不断增加，空闻电 荷区内电势v ( x ) 壹n 区内p 区不断降低，丽电子的电势能qv ( x ) 则由n 区向p 区不断升高，所以，p 区的能带相对i l 区上移，而n 区的能带相对p 区 下移，直至费米能级处处相等时，能带才停止相对移动，p n 结达到平衡状态， 肉蒙吉师范犬学硕士攀位论文 因此，p n 结中费米能级处处相等恰好标志了每一种载流子的扩散电流和漂移电 流相互抵消，没有净电流通过p n 结。 厂j l 盛 r 铲惫 n 区k - 瓣哼 p 区 圈2 4 熟平衡p n 结能带圈 导带 从图2 4 中可以看出，在p n 结的空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电 荷区中电势能变化的结果。因能带弯曲，电子从势能低的n 区向势能高的p 区 运动时，必须克服这一势能高坡，才能到达p 区，这一势能高坡通常称为p n 结 的势垒，故空间电荷区又称势垒区。平德p 藏结的空间电荷区两端间的电势差 v d 称为内建电势差或接触电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量q v d 称为p n 结的势垒高度，从图中可以看出，势垒高度正好补偿了n 区和p 区费米 能级之差，使平衡p n 结的费米能级处处相等，因此， 键y d e f 。一e 隧 即= 盟q 一坚q ( 觑no 坚q 沏埤n i )p 上式表织，v d 和p n 结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在 一定的温度下，结两边的掺杂浓度越高，接触电势差v d 就越大；禁带宽度越大， n i 越小，v d 也越大，若n a = 1 0 1 7 c m 3 ，n d = 1 0 1 5 c m 一，室温下硅材料n i = 1 5 x 1 0 1 0 c m ， 则硅的v d = 0 7 v 。 1 2 第二窀太阳电池的工作原理 2 1 1 非平衡的p n 结 所谓非平衡p n 结，楚指外加偏压请况下的髓结，此时舯结不平衡，其势 垒和平衡时不同，扩散电流将不能与漂移电流相消，这时有电流通过p n 结。 秘结加正向电压v ( 即p 区按电源正板，n 区接负极) 时，因势垒区域载 流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的p 区和n 区中载流子浓度很大，电阻很 小，所以外加正向偏压基本降落在势垒区，正向偏压在势垒区中产生了与内建 电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就说明空间电荷相 应减少，故势垒区中的宽度也减小，同时势垒高度从q v d 下降为q ( v d v ) ，如 图2 5 。 钕蒋 空闻电荷区 n 区_ 一f p 嚣 图2 - 5 - 外加正向电压时的p n 结能带 势垒高度降低了，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原来的平衡， 削弱了漂移运动，使扩散流大于漂移流，所以在加正向偏压时，产生了电子从 n 区向p 区以及空穴从p 区向n 区的净扩散流。电子逶过势垒区扩散如p 区， 在边晃p p 处形成电子的积累，成为p 区的非平衡少数载流子，结果使p p ，处电 子浓度院p 区内部高，形戒了从即处向p 区内部的电子扩教流。j 平衡少予边 扩散边与p 区的空穴符合，经过比扩散长度大若干倍的距离后，全部被复合。 这一区域成为扩散区，在定的j i 蠢偏噩下，单位时闻从n 区来到pp ，处的非 平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成稳定的分布，所以，当正向偏压一 定时，在鞭处就有一不变的窝p 区内部流动的电子扩散流，固理，在边界n n ， 处也有一不变的向内部流动的空穴扩散流，n 区的电子和p 区的空穴都是多数 载流孑，分别进入p 区和鼗区看成为p 区和n 区的非平衡少数载流予。当增大 征偏压时，势垒降得更低，增大了流入p 区的电子流和流入n 区的空穴流。 内蒙