np型高效异质结太阳能电池的模拟

1、武汉理工大学专业课程设计3（半导体物理）课程设计说明书 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 技术要求3 HYPERLINK l bookmark4 基本原理3 HYPERLINK l bookmark6 pn结的形成3 HYPERLINK l bookmark8 pn结的光伏效应4 HYPERLINK l bookmark14 pn结的电流电压特性5 HYPERLINK l bookmark16 开路电压5 HYPERLINK l bookmark18 短路电流5 HYPERLINK l bookmark20 光电转化效率6 HYPERLINK l book

2、mark24 影响太阳能电池性能的因素6 HYPERLINK l bookmark26 相关参数介绍6 HYPERLINK l bookmark28 电子亲和势6状态密度7 HYPERLINK l bookmark30 迁移率带隙与光学带隙7 HYPERLINK l bookmark32 迁移率7 HYPERLINK l bookmark34 参数描述8 HYPERLINK l bookmark36 Afors-het软件8 HYPERLINK l bookmark38 各层基本参数的意义及选取9 HYPERLINK l bookmark40 a-Si(n)层9 HYPERLINK l boo

3、kmark42 a-Si(i)层9c-Si(p)层10 HYPERLINK l bookmark46 其余相关参数设置10 HYPERLINK l bookmark48 调试过程及结论11 HYPERLINK l bookmark50 本征层对电池性能的影响12 HYPERLINK l bookmark52 本征层厚度的影响12本征层能隙宽度的影响13 HYPERLINK l bookmark54 发射层厚度对电池性能的影响。14 HYPERLINK l bookmark56 发射层厚度对光谱特性的影响14 HYPERLINK l bookmark58 界面态的影响15 HYPERLINK l

4、 bookmark60 调试结论17 HYPERLINK l bookmark62 心得体会20 HYPERLINK l bookmark64 参考文献20n/p型高效异质结太阳能电池的模拟1技术要求利用Afors-het软件，通过参数的选取来实现高效率太阳能电池的设计。要求：各层基本参数的选取及意义；本征层参数变化对太阳能电池效率的影响；发射层及界面态对太阳能电池性能的影响；用Afors-het来进行模拟。2基本原理pn结的形成杂质半导体按照掺杂的杂质类型的不同可以分为p型半导体和n型半导体。p型半导体主要掺杂的杂质为三价元素为主，而n型半导体主要掺杂的杂质主要以五价元素为主。所以二者在许多

5、特性方面有着很大的不同。在p型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质(离子)是固定不动的。n型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当p型和n型半导体接触时，在界面附近空穴从p型半导体向n型半导体扩散，电子从n型半导体向p型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。p型半导体一边的空间电荷是负离子，n型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，此电场阻止载流子进一步扩散，产生电场与扩散两者产生的效果相当时，载流子分布达到平衡

6、。如图1所示。fe目好00eoeeeeee4GO0QGObfefeb抚扩散鬲二X漂移图1载流子达到平衡示意图2.2pn结的光伏效应一块半导体中p区与n区的交界面称为pn结。pn结受到光照时，可在pn结的两端产生电势差，这种现象则称为光伏效应。当pn结受到光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因p区产生的光生空穴，n区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有p区的光生电子、n区的光生空穴以及结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时，能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p区，即电子空穴对

7、被内建电场分离。这导致在n区边界附近有光生电子积累，在p区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡pn结的内建电场方向相反的光生电场及光电流，其方向由p区指向n区，如图2所示。PNQO0O0Oooo止向电流片严电流人图2pn结受光照产生的光电流此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差。入射的光能就转变成了电能。pn结作电源的等效电路如图3所示。光电流方向I*I佥e：豹田q日:B:念花虫e曰。；直：矽田茹光主电动势方向图3pn结作电源的等效电路2.3pn结的电流电压特性与热平衡时比较，有光照时，pn结内将产生一个附加电流，即光电流/p,其方向与pn结反向饱和电流I0相同，一般Ip10。此时I=

8、I0e(qU/KT-(I0+Ip)令Ip=SE,则I=I0e(qU/KT)-(I0+SQ2.3.1开路电压PN结的开路电压V表示在光照下的pn结外电路开路时，p端对n端的电压，即上oc述电流方程中1=0时的U的值，令1=0得到0=I0e(qU/KT)-(I0+SE)営(KT/q)In(SE+IJI曾(KT/q)In(SE/I。)2.3.2短路电流pn结的短路电流I表示光照下的pn结在外电路短路时，从p端流出，经过外sc电路，从n端流入的电流。即上述电流方程中U=0时的I值，令U=0得到得Isc=-SE。2.4光电转化效率光电转化效率指的是太阳能光伏系统中太阳能电池板把太阳光能转化为电能的效率。

9、与量子效率有关。定义量子效率为每秒产生的平均光电子数与每秒入射波长为九的光子数之比。用“（九）表示。如果光照时，每产生一个光电子，在外电路中都输出一个电子。则电池输出光电流为Ip=en%/hv其中%为辐射通量。2.5影响太阳能电池性能的因素能够对异质结太阳能电池性能产生影响的因素有很多，不同的结构，不同的材料以及环境因素都能够对其产生影响。而如何进行参数的选择，一些参数的改变对电池性能有什么影响，以及如何选取最合适的参数，是一个需要讨论研究的过程。2.6相关参数介绍2.6.1电子亲和势电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲

10、和势越小，就越容易逸出。如果电子亲和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态。如图4所示，列举三种电子亲和势的示意图。3正电了亲和b零电子亲穎c呦电广亲和势光削极婷it阴极第光剧极图4三种电子亲和势示意图武汉理工大学专业课程设计3（半导体物理）课程设计说明书武汉理工大学专业课程设计3（半导体物理）课程设计说明书 2.6.2状态密度状态密度是固体物理中的重要概念，即能量介于E+之间的量子态数目AZ与能量差之比，即单位频率间隔之内的模数。心关系反映出固体中电子能态的结构，固体中的性质。如图5所示，曲线1和曲线2分别表示&（）和gv（Q与E的关系曲线。2图5状态密度与能量的关系2.6.3迁移

11、率带隙与光学带隙迁移率带隙的概念是针对非晶态半导体的，因为长程有序的消失，短程有序的保留，在晶态半导体的导带和价带基础上出现深入带隙的带尾态。同时，由于非晶态对完美晶格的背离使得电子能级出现扩展态和局域态的分别。扩展态中电子对应晶态半导体中的自由电子（及空穴），局域态中电子受到弥散输运机制的影响，与扩展态电子的主要差异在于迁移率的不同。因此能带中扩展态和局域态的分界被称为迁移率边，导带迁移率边到价带迁移率边被称为迁移率带隙。定义其光学带隙的简单方法是E03或E04,即吸收系数为103cm-i或104cm-i时所对应的光子能量。2.6.4迁移率迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均

12、漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。溶液中带电粒子在电场中向着与它相异电荷的电极移动，它的移动速度V是电场E和粒子的有效质量加的乘积，即：V=m*Eo3参数描述Afors-het软件Afors-het软件是德国一个硏究所针对异质结电池专门研发的模拟软件，可以数值模拟各种结构因素对太阳能电池性能的影响，用Afors-het程序模拟计算了不同本征层厚度、能隙宽度、发射层厚度以及不同界面态密度等参数对太阳电池光伏特性的影响。软件主界面如图6所示。主要利用到的按钮及其功能如下：Definestructure:定义光电池的结构，通过此按钮定义模

13、拟光电池的结构。illumination/spectral:此按钮功能为给光电池提供模拟光照。一般选择spectral类型用模拟仿真。calcI-V:通过此按钮可以观察I-V特性曲线，并且计算出短路电流、开路电压、填充因子以及电池效率。calcQE:用于观察光电池的量子效率及光谱响应。ParameterVariation用于设置特定参量的变化，观察电池性能受该参量变化引起的影响。图6Afors-het软件主界面武汉理工大学专业课程设计3（半导体物理）课程设计说明书武汉理工大学专业课程设计3（半导体物理）课程设计说明书武汉理工大学专业课程设计3(半导体物理)课程设计说明书 3.2各层基本参数的意

14、义及选取本次课程设计通过选取n/p异质结太阳能电池作为研究对象。利用Afors-het软件，通过分析各层参数的改变，对电池各个特性产生的影响。最终通过参数的选取来实现高效率太阳能电池的设计。模拟分析n/p型高效异质结太阳能电池的结构如图7所示。a-Si(n)层n层作为发射层，其性能在决定电池性能上有重要作用，由于结构无序和高的掺杂量,发射层载流子的扩散长度很小，且只有漂移电流而无扩散电流。另一方面，由于掺杂浓度髙，发射区中空间电荷区的深度很小，甚至当厚度对于最薄的a-SiH层，将不存在电场区。因而发射区应尽可能的薄，且要做得重掺杂。选取n型晶体硅作受光面。考虑到制作工艺及其他因素，n层厚度控制

15、小于5nm。掺杂浓度控制在10i9cm-3左右来研究各层参数变化对n/p型高效异质结太阳能电池的性能的影响。a-Si(i)层加入本征层i层后，能够改善蓝波段的光谱响应，大大提高了n/p型高效异质结太阳能电池的短路电流，从而提高了太阳能的转化效率。但是存在于非晶硅和晶体硅之间的本征非晶缓冲层的厚度不能设计得过厚，否则将对效率额提高不起到作用。模拟仿真时，层厚度基本上在控制在030nm来研究其对n/p型高效异质结太阳能电池性能的影响。323c-Si（p）层通过查阅资料后，将p区设计为衬底，厚度设置为300pm。材料选取具有较高迁移率的晶体硅。因此i层与p层之间将存在界面态缺陷密度。界面态缺陷密度对

16、异质结太阳能电池的特性将产生影响。通过设置界面态密度范围为101010i4cm-2/eV来研究其对n/p型高效异质结太阳能电池的性能的影响。3.2.4其余相关参数设置模拟仿真中，n/p型高效异质结太阳能电池结构电无陷光结构和背场效应。正背面电极为欧姆接触，非晶硅和晶体硅的材料参数以及欧姆接触的载流子界面复合速率等模拟参数见表1。模拟光照为具有倾斜通过大气层的太阳光谱特征的光照量，即AM1.5，100mW/cm2。有效波段范围为0.381.10pm。表1模拟计算中采用的各层参数结构参数a-Si(n)a-Si(i)c-Si(p)层厚（nm）5030300000电子亲和势（eV）3.83.64.05

17、能隙宽度（eV）1.121.51.12N(cm-3)c1X10201X10202.8X1019N(cm-3)v1X10201X10201.4X1019a(cm2V-is-i)/n551350a(cm2V-ls-i)p11450ND(cm-3)1X101900N(cm-3)A01X101704调试过程及结论首先考虑电池结构为不含有i层的n/p型的太阳能电池，即本征层厚度选取为0。取发射层厚度为5nm。此时太阳电池的V-I特性曲线如图8所示。2FryuJ兽A4JMLQP4U9un凸00.20.1（9.6wltnULIV图8太阳电池的V-I特性曲线此时n/p型异质结太阳电池的特性参数为：V=547.

18、7mV，J=43.46mA/cm2,ocscFF=80.95%,能量转换效率=19.27（未经过参数优化）。计算出Cellresults如图9所示。图9n/p型异质结的Cellresults4.1本征层对电池性能的影响4.1.1本征层厚度的影响在a-SiH与c-Si之间插入本征层的作用受界面态密度的影响，理论上认为本征非晶层的态密度要低于掺杂非晶体，因此采用本征非晶层做一层缓冲层，可降低非晶和晶体硅接触面上的界面态缺陷密度。从而提高n/p型高效异质结太阳能电池的能量转换效率。太阳能电池光伏特性随着本征层厚度变化的情况如图10所示。从中可以看出，未插入本征层时，能量转换效率基本在19.2%左右，

19、当本征层厚度增加到3nm左右时，能量转换效率取得一个峰值，大概在19.6%左右。但是随着厚度继续增加，能量转换效率一直在减小。超过一定厚度后，能量转换效率基本下降到未加本征层时的能量转换效率相当。7oc的变化基本上在本征层厚度大于3nm后由590mV趋于一稳定值，大概为640mVoc左右。J随着本征层厚度增加先是略有上升，以39.9mAcm-2作为参考值，可较为明显看出。sc本征层厚度超过3nm后，Jsc便逐渐下降。sc经过分析表明，本征层的厚度并不是影响电池转换效率的主要因素。因此，结合制作工艺的基础上，以及结合以上分析，选取最优本征层厚度为3nm，以达到最佳能量转换效率。fUTiKtiIh

20、id064vOCfv/idth|12|FF(widtht2J)li=J：Lt歯曲叭叭|pmjsc恤皿曲胆“Eff(wlcHhrr21)IhcknvBE-r-mlth出kM翻|tmlIE-MIA图10本征层厚度对太阳能电池性能的影响4.1.2本征层能隙宽度的影响实验表明，可以通过沉积参数来控制硅材料的晶化度，不同晶化度的硅材料的能隙宽度也不同，不同能隙宽度的薄膜材料对太阳能光伏特性会有不同的影响。为了找到合适的能隙宽度以达到最大的光电转化效率。需要对不同本征层能隙宽度的非晶硅进行研究，找到不同本征层能隙宽度对太阳能光伏电池特性的影响。如图11所示，只改变本征层能隙宽度，保持发射层以及本征层其他参

21、数不变，研究本征层能隙宽度对太阳能光伏电池特性的影响，可以看出，当本征层能隙宽度到达1.5eV之前，能量转换效率从18.5%直提高至19.5%，本征层能隙宽度超过1.5eV后，能量转换效率基本保持稳定19.7%。V以及J也基本在1.5eV左右达到稳定。V近似650mV,Jocscocsc近似39.9mAcm-2。填充因子FF在本征层能隙宽度到达1.5eV之后严重下降。从82%下降到76%。其中在掺杂浓度和界面态密度一定的情况下，本征层能隙宽度的变化对开路电压影响最大，这是由于非晶硅/晶体硅异质节之间存在一定高度的势垒，因此异质结中载流子在界面隧穿几率很小，从而使得pn结反向饱和电流减小，提高了

22、开路电压。JSC(Cgl2)15Eff(EgD2FF(EgyzlteTi.77D.u-Q-nnrgyeVl【taist121*ia图11本征层能隙宽度对太阳能电池性能的影响4.2发射层厚度对电池性能的影响。发射层n层在不同厚度条件下太阳能电池的性能参数如图12所示，n/p型高效异质结太阳能电池的能量转化效率随着发射层厚度的增加从19.7%逐渐减少。匕随着发射层厚度的增加从645mV逐渐减少。oc丿随着发射层厚度的增加从40mAcm-2左右逐渐减少。scjii!phgjnnbapfinlTiIara口hgShaAi0的lE-nm?2S-QWTM-m?454HQ?K-lihickrrt-m|JS.

23、CvQC1E-QW?EE-Q1PTK-IOT?-010?KdttiickM-M-(om|tlTEcU.T?FF(wtcnhOU)IE-1W?JE-SOTFS-OWTa-JJMrT5E4Jgff(wlmhli)0.IBF.ai%cQJWIaiaaIE?ZEHW?St-MPT-OtUTx-ptHc*8neti|Em5图12发射层厚度对电池性能的影响4.3发射层厚度对光谱特性的影响如图13所示，随着发射层厚度的增大，电池的短波响应逐渐减弱，这一结果将导致短路电流的减少。进而影响n/p型高效异质结太阳能电池的效率。从图12中可以看出随着发射层厚度的增加，n/p型高效异质结太阳能电池的能量转化效率逐渐减

24、少。4.4界面态的影响从图14图17中可以看出，当界面态缺陷密度Dit10i2cm-2eV-i时，n/p型高效异质结太阳能电池的性能几乎不受界面态缺陷的影响。当界面态缺陷密度从10i2cm-2eV-i增加到10i5cm-2eV-i时，n/p型高效异质结太阳能电池的能量转化效率从i9.i9%下降到6.i6%。填充因子从77.0i%下降到68.94%。J从39.4scmAcm-2下降到i9.6mAcm-2。V从638.3mV下降到466.4mV。ocJsc的减小是由于光生载流子在界面内复合增加，但由于界面曾很薄，Jsc减小量较小。scscVoc的减小主要是由于pn结反向饱和电流的增加，由于界面态密

25、度的增加，载流子在oc界面复合的几率增大，导致反向饱和电流的增加。由此可以看出界面态密度对n/p型高效异质结太阳能电池性能影响非常大。为了获得较高效率的太阳能电池应该尽量降低界面态缺陷密度，使其低于10i2cm-2eV-i。4.5调试结论运用Afors-het程序模拟计算了不同本征层厚度、本征层能隙宽度、发射层厚度、以及不同界面态密度等参数等对n/p型异质结太阳能电池性能的影响。结果表明,在其它参数条件不变的情况下,插入较薄本征层,有利于转换效率增加,但本征层厚度过厚时将导致短路电流密度减少、填充因子与能量转换效率也随之降低。本征层能隙宽度的变化对短路电流影响很大,随能隙宽度增加,短路电流先增加,但当能隙宽度大于某一特定值时,短路电流饱和后减小。界面态密度的增大会导致开路电压迅速下降，以及能量转换效率的减小。故在设计时要尽量减小界面态密度以提高电池的性能。最终,通过对每一层各个参数的不断研究，不断优化，按照如图18图20的参数设置,设计出了能量转化效率高达23.76%的n/p型高效异质结太阳能电池。如图21所示。图18a-Si(n)层参数的设置图19a-Si层参数的设置武汉理工大学专业课程设计3（半导体