《n-p型高效异质结太阳能电池的模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《n-p型高效异质结太阳能电池的模拟（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目录1技术要求 12基本原理 12.1软件支持 12.2 n-p型异质结原理及相关特性12.3异质结太阳电池原理 23参数描述23.1物理模型 23.2主要测量参数描述34调试过程及结论44. 1太阳电池相关参数的设定 44.2发射层厚度对电池性能的影响 64.3本征层对光伏性能的影响 74.3.1本征层厚度的影响74.3.2本征层能隙宽度的影响94.4界面态对电池光伏性能的影响 104.5结论 125心得体会126参考文献13n/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：（1）各层基本参数的选取及意义；（2）本征
2、层参数变化对太阳能电池效率的影响；（3）发射层及界面态对太阳能电池性能的影响；（4）用Afors-het来进行模拟。2 基本原理2.1 软件支持AFORS-HET 是一款德国 HMI 研发，专门应用于异质结构太阳电池的数值模拟软件 可以自由建立合适的异质结构模型，精确度高。本实验主要采用 AFORS-HET 软模拟计 算不同本征层厚度、发射层厚度及不同界面态密度对太阳电池的性能的影响。2.2 n-p 型异质结原理及相关特性异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。n/p异质结即是n型半导体为发射层的异质结。其能带图如图 2.1 所示。图2.1 n-p异质结能带图其基本特性：(1)量子效应
3、：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在 中间层，而中间层可以只有几十埃的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到 量子效应的影响而改变。(2) 迁移率变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的 半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可 将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量。因 此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制， 因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。(3) 奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自 由运动的，
4、因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常 好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如 电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应等。2.3 异质结太阳电池原理太阳电池能量转换的基础是异质结的光生伏特效应。当光照射到pn或np结上时，产 生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受 内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有 过剩的空穴。它们在pn/np结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵 消势垒电场的作用外，还使p区带正电，n
5、区带负电，在n区和P区之间的薄层就产生电 动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量 成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于 电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费 米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于 正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定 VOC 的值3 参数描述3.1 物理模型本实验模拟分析的太阳电池结构如图3.1所示，衬底为30000nm厚的p-晶体硅。无 陷光结构和背场效应。正面电极为欧姆接触，非晶体硅
6、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3-1.模拟光照条件AM1.5,100mW/cm2 ,有效 波段范围0.38-1.10pm。图 3.1 模拟器件的结构示意图表 3-1 模拟结构中各层的主要参数结构参数a-SiH (n)a-SiH (i)c-Si (p)厚度（nm）可调可调30000介电常数11.911.911.9电子亲和势（eV）3.944.05能隙宽度（eV）1.721.721.12导带态密度Nc（cm-3）102010202.8 1019价带态密度Nv（ cm-3）102010201.04 1019电子迁移率（cm2 （Vs）t）10101040空穴迁移率
7、（cm2（Vs）-i）33412受主浓度Na （cm-3）2.49 101900施主浓度ND （cm-3）010001.5 1016电子热速度（cm s-i）107107107空穴热速度（cm s-i）107107107层密度（g cm-3）2.3282.3282.328电子俄歇复合系（cm6s-i）002.2 10-31空穴俄歇复合系（cm6S-i）009.9 10-32带间复合系数（cm3S-i）000这些参数中除了可变参数外，其他均取软件的默认值。3.2 主要测量参数描述主要测量参数描述：（1）开路电压：电池不充放电时，电池两极之间的电位差被称 为开路电压。开路电压是提高电池效率得关键。
8、载流子得复合情况影响开路电压，而开 路电压又对填充因子有影响，填充因子是电池好坏得重要参数。(2) 短路电流：短路电流是指在非正常的电路连接中直接把电源两级相连时而产 生的远高于额定电流的电流值。短路电流越大说明电池功率越大。(3) 填充因子：作曲线中可获得最大输出功率点上的电流电压乘积(loptVopt )与闭路电流和开路电压乘积(IscVoc )之比，它体现电池的输出功率随负载的变动特性。(4) 转换效率：通过转换效率可以直观的看出太阳电池的光电转换率，这是太阳 电池的一个重要参数指标。4调试过程及结论4.1太阳电池相关参数的设定使用AFORS-HET软件新建三个层，根据参考参数对每层的集
9、体数值进行设置。每一 层的材料和参数设置如图4.1、4.2、4.3、4.4所示。图4.1太阳电池三层模型建立图4.2太阳电池第一层参数图4.3太阳电池第二层参数Layer 3nameLoadSave Deletebulk model standarc specifythickness cm|: 0.03electiical propertiesfunctional dependance:Constantdk -119chi 詡:4.05Eg e/:1-12Eg opt. eV:1-12Nc cm-3:2.8E1ENYcm-3;104E19pn cnA2A/s: 1040 pip cnT2A:
10、412 Na cm-3:1.5E1ENdcmA-3:0ve cn/s:1E07vh cn/s:1E07rho gxcmA-3: 2.320 rae cmA6/s: 2.2E-31 rah cmG/s: 9-9E-32 rbb cmA3/s: 0Q rk-File cSi.nkconstant nk:alpha = 4 K piK k / lambdaincoherentnc defectsadd edit deletelayer 口口匚ertiesTaun INsLp INFcmTaup INFsLn INFcmOK图4.4太阳电池第三层参数4.2发射层厚度对电池性能的影响在其他参数保持默认的
11、情况下，主要讨论发射层厚度对电池性能的影响。由于非晶 硅结构的无序和较高的掺杂量，发射区载流子的扩散长度很小，且只有飘逸电流而无扩 散电流。此外由于非晶硅层较高的掺杂量，空间电荷区主要落在晶体硅这边，甚至在非 晶体硅这边不存在电场区，因此，发射区应尽可能的薄，且要实现重掺杂制作。图 4.5 给出了随发射区厚度变化，电池的光伏特性的变化。0 6515vOC (widthpij)0 651-SUIJW0E32-D831-0.83 -0.833-FF (widthDU)0.039-0.038-I | 一十I1 r一r一I一一厂0.037-5E-D007IE-00061.5E-OOD6 2EIEE-O
12、OO?1E-000615E-0D062E4thickness cm!hi匚kness fcmlgraphs: vOC5E-flOO71E-0D061.6E-OOD6 2EJthickiiBss kni|JSC (width11)srWEIJ鱼盍tt:EJp 亠 LIlJtE-4-EE-0D071E-OD061.6E-0D062E4thickness 口nlEff (wvidthl1)图4.5异质结电池光伏特性随发射层厚度的变化从图 4.5 中可以看出，随发射区厚度的增加，开路电压变化不大，范围 2.3mV 左右 但是短路电流却是变化较大。这是因为随发射区厚度的增加，发射区吸收的光子数增加， 而
13、发射区内存在大量的复合中心，且发射区内无电场，所以该区域内所产生的光生载流 子基本上不可能到达势垒区的边缘而对光电流有贡献，相反，它们在该区域内会复合而 消失，导致电池的短波响应减弱，短路电流下降。填充因子也随n区厚度的增加而逐渐减 小因为随n层厚度的增加，串联电阻会增加，将减小填充因子。综合分析发射层的厚度宜 选择在 5nm 左右。4.3 本征层对光伏性能的影响4.3.1 本征层厚度的影响在非晶硅n层和晶体硅p层之间插入非晶本征层，有助于提高电池的性能，可以获得 较高的光电转换率，也正是因为这层薄的非晶硅本征层，所以将这种电池命名为HIT太 阳电池。图4.6是理想情况下即不考虑界面态密度时模
14、拟计算的到的电池光伏特性随本 征非晶硅缓冲厚度的变化。aa6E-0007IE-00061.6E-00062E45E-0007IE-0006 tiiiickriBsa |cmlEff (widthl2)1.5L-0DD62E-(ZL:S.2ID1MJaVOC Width12)FFwidthl2)thickness cmlJSC (widthil2)6B0007IE-00061.6B00062E-1thickness frm6E007IE-00061.5E-DDD62E-(thkknesa rmlgraphs- ! FT图 4.6 本征层厚度对太阳池性能的影响从图中可以看出随着插入本征层厚度的增加，太阳电池的转换效率在逐渐下降，同 时下降还有短路电流和填充因子，开路电压在厚度大于17nm之后才有明显变化。综合四 个特性参数的变化趋势，可以得出优化的本征层应控制为5nm左右。图4.
