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1、湖北大学本科毕业论文（设计）湖 北 大 学本 科 毕 业 论 文 （设 计）题 目新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟 姓 名 彭 真 学 号 2006221105220021 专业年级 06 电 科 指导教师 高云 职 称 教授 2010年 5 月 5 日I目 录 绪论11 光伏太阳能电池的原理21.1 光电池的电流电压特性21.2 描述太阳能电池的参数31.3 影响太阳电池转换效率的因素42 模拟软件AMPS-1D的介绍63 单晶硅太阳能电池的设计与模拟83.1 单晶硅太阳能电池的研究概况及单晶硅性质83.2 设计与模拟结果93.2.1 单晶硅的性能参数93.2.2 单结型改变厚度93.
2、2.3 单结型改变掺杂浓度123.2.4 改变结构133.3 结论144 多晶硅太阳能电池的设计与模拟154.1 多晶硅太阳能电池的研究概况及多晶硅性质154.2 设计与模拟结果154.2.1 多晶硅的性能参数154.2.2 单结型改变厚度164.2.3 改变掺杂浓度194.2.4 改变结构204.3 结论215 非晶硅太阳能电池的设计与模拟215.1 非晶硅太阳能电池的研究概况及非晶硅性质215.2 设计与模拟结果235.2.1 非晶硅的性能参数235.2.2 p-i-n型设计与模拟235.2.3 改变结构295.3 结论30总结31参考文献32新型硅基薄膜太阳能电池器件的设计与模拟摘 要
3、本论文首先介绍了太阳能电池的光伏原理及其发展概况，并采用AMPS-1D软件模拟分析了单晶硅、多晶硅、和非晶硅太阳能电池的光伏特性与器件结构的关系。通过采取PN结和PIN结两种基本结构，改变各层厚度和掺杂浓度，研究厚度和掺杂对太阳能电池转化效率、填充因子、短路电流以及开路电压的影响。通过优化提出最佳电池结构设计。【关键词】硅基太阳能电池 模拟 AMPS-1DTHE MODELLING AND SIMULATION OF NEW-TYPE SILICON-BASED SOLAR CELLABSTRACTThis thesis briefly introduced the basic PV mech
4、anism and the development in PV cell. AMPS-1D software was utilized to simulate the photovoltaic property of various device structures for single crystal Si, poly-Si and amorphous Si solar cell. All the parameters used in the simulations were obtained from the reported experimental data. The basis s
5、tructures were PN and PIN diodes. By varing the thickness and the doping concentration of various layers, the photoelectric conversation efficiency, fill factor, short circuit current and open circuit voltage were studied. The best conversation efficiencies were obtained by optimizing the device str
6、uctures.【Key words】 silicon-based solar cell, modelling, AMPS-1D simulation III33湖北大学本科毕业论文（设计）绪论自从1983年法国人贝克勒尔发现“光生伏特效应”以来，历经100多年的发展，太阳能电池技术已经发展成为了一个相当庞大的学科，同时伴随着产生了一个相当庞大的产业链。从产生技术的成熟度来区分，太阳能电池可以分成：n 第一代太阳能电池：晶体硅太阳能电池n 第二代太阳能电池：各种薄膜太阳能电池，包括：非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）、碲化铬太阳电池（CdTe）、铜铟镓硒太阳电池（CIGS）、砷化镓太阳电池、纳米
7、二氧化钛染料敏化太阳能电池。n 第三代太阳电池：各种叠层太阳能电池、热光伏电池（TPV）、量子阱及量子点的超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转化太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。其中，第一代太阳电池已经进入大规模产业化阶段，有部分种类已经实现量产，但是技术成熟程度还有待提高。第三代太阳电池是向着超高效率的方向努力，具备真正突破现有技术瓶颈的概念，但是目前这种电池还只是停留在概念及理论设计阶段，甚至没有成型的产品问世。太阳电池从所使用的材料来区分，又可区分为：硅基太阳电池：以硅材料为基本材质，其中包括：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池
8、、纳米硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、非晶硅/晶体硅异质结太阳电池。-族材料太阳电池：CdTe太阳电池、CIGS太阳电池。 -族太阳电池：GaAs系列多结太阳电池、热光伏太阳电池。 染料敏化太阳电池：主要利用染料对于太阳电池光谱吸收的可变性，与二氧化钛材料组装在一起，制备成可供多种吸收波段的太阳电池器件。 有机材料电池：正在开发使用有机材料制备出类似叶绿素的太阳电池。如果从来料方面来评价太阳电池在未来的地位，人们有理由认为，只有硅基材料的太阳能电池在未来最有可持续性。因为硅在地球上的丰度为26%，仅次于氧属于世界上第二丰富的材料，相比之下其他电池相关材料的丰度都有限，难以在太阳电池产业中形
9、成支配性的地位。因此，在未来世界太阳电池的主流产品仍旧为硅基太阳电池。目前，由于使用了氮化硅反射膜技术，使得单晶硅太阳电池的效率达到16.5%。而多晶硅电池使用了表面织构化技术、氮化硅减反射膜和表面钝化技术，其效率达到14.5%-15%。由于硅基太阳电池和半导体行业的发展使得高纯硅材料的供应空前紧张，因此，主流太阳电池的产业化技术进展主要是进行硅片的超薄化，晶体太阳电池的厚度已经降到了200-230um，在近几年内还将继续下降到180um。如此薄的硅片为太阳电池的制备增加了难度，指的制备技术有很大的改进，包括新型水平清洗技术、链式扩散技术、硼背场技术、激光去边技术等等。而且，也要求整条生产线具
10、有更高的自动化水平，出现全自动的生产线，以降低破损率。太阳电池实验室技术也有了很大的进展。澳大利亚华裔科学家赵建华保持了单晶硅太阳能电池的最高纪录：24.7%。在这种太阳能电池技术中使用了倒金字塔结合双层减反射膜以降低表面的反射；采用了硼背场结合背表面钝化技术减少背表面的复合效应；采用了前后电极的选择性扩散以减少以减少欧姆接触。经过这些技术的改进才到达这样高的效率，这种效率已经非常接近晶体硅太阳电池的理论效率。美国的Sunpower公司制备了一种将P型电极和N型电极全部做在背面的太阳能电池，大大提高了太阳电池的效率，使得产业化太阳电池的效率提高到20%以上。日本的三洋公司用非晶硅的PECVD技
11、术与晶体硅衬底相结合的太阳电池技术，制备出了HIT太阳电池，其效率达到21%以上，大面积产业化效率达到19.3%。这种电池可以双面受光，制造成本较低。本文主要用AMPS-1D（A One-Dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structrues）软件,即一维光电子和微电子器件结构分析模拟程序，通过改变各层厚度以及掺杂浓度来分析单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的特性。1 光伏太阳能电池的原理1.1 光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在
12、光生电压V作用下的pn结正向电流IF，流经外电路的电流I。IL和IF都流经pn结内部，但方向相反。如图1.1：根据p-n结整流方程，在正向偏压下，通过结的正向电流为：IF=ISexp(qV/kT)-1 (1.1)其中：V是光生电压，IS是反向饱和电流。图1.1（a） pn结各电流示意图图1.1（b） 光伏效应能带图设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数律下降。因而光生载流子产生率也随光照深入而减少，即产生率Q是x函数。为了简便起见，用表示在结的扩散长度（Lp+Ln）内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度Lp内的空穴和Ln内的电子都能扩散到p-n结面而进入另一边，
13、这样光生电流IL应该是：IL=qA（Lp+Ln） (1.2)其中：A是p-n结面积，q为电子电量。光生电流IL从n区流向p区，与IF相反。如光电池与负载电阻连成通路，通过负载的电流应该是：I=IF-IL= ISexp(qV/kT)-1-IL (1.3)左图分别是无光照和有光照时的光电池的伏安特性曲线。 图1.2 光电池的伏安特性1.2 描述太阳能电池的参数不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用下图所示的电流-电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳能电池的四个输出参数图1.3 光电池的伏安特性曲线 （1）开路电压Voc 在p-n结开路情况下（R=），此时pn结
14、两端的电压即为开路电压Voc。这时，I=0，即：IL=IF。将I=0代入光电池的电流电压方程，得开路电压为： (1.4)（2）短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0,这时所得的电流为短路电流Isc。显然，短路电流等于光生电流，即：Isc=IL (1.5) (3)填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任意工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，成为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。填充因子定义为： (1.6)它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0
