np型高效异质结太阳能电池的模拟.docx

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np型高效异质结太阳能电池的模拟

n/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

2.1pn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。

如图1所示。

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。

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。

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Ip，其方向与pn结反向饱和电流I0相同，一般Ip>I0。

此时

　　I=I0e（qU/KT）-（I0+Ip）

　　令Ip=SE，则

　　I=I0e（qU/KT）-（I0+SE）

2.3.1开路电压

PN结的开路电压Voc表示在光照下的pn结外电路开路时，p端对n端的电压，即上述电流方程中I=0时的U的值，令I=0得到

0=I0e（qU/KT）-（I0+SE）

Voc=（KT/q）ln（SE+I0）/I0≈（KT/q）ln（SE/I0）

2.3.2短路电流

pn结的短路电流Isc表示光照下的pn结在外电路短路时，从p端流出，经过外电路，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。

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λ的光子数之比。

用η（λ）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=eηΦ0/hν

其中Φ0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。

图4三种电子亲和势示意图

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～E+△E之间的量子态数目△Z与能量差△E之比，即单位频率间隔之内的模数。

N-E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gc（E）和gv（E）与E的关系曲线。

图5状态密度与能量的关系

2.6.3迁移率带隙与光学带隙

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-1或104cm-1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m*的乘积，即：

V=m*·E。

3参数描述

3.1Afors-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：

1Definestructure:

定义光电池的结构，通过此按钮定义模拟光电池的结构。

2illumination/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。

3calcI-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。

4calcQE:

用于观察光电池的量子效率及光谱响应。

5ParameterVariation:

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

3.2各层基本参数的意义及选取

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。

图7异质结太阳能电池的结构

3.2.1a-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层厚度控制小于5nm。

掺杂浓度控制在1019cm3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。

3.2.2a-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，i层厚度基本上在控制在0~30nm来研究其对n/p型高效异质结太阳能电池性能的影响。

3.2.3c-Si（p）层

通过查阅资料后，将p区设计为衬底，厚度设置为300μm。

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1010~1014cm-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0.38~1.10μm。

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）

5

0~30

300000

电子亲和势（eV）

3.8

3.6

4.05

能隙宽度（eV）

1.12

1.5

1.12

Nc（cm-3）

1×1020

1×1020

2.8×1019

Nv（cm-3）

1×1020

1×1020

1.4×1019

μn（cm2V-1s-1）

5

5

1350

μp（cm2V-1s-1）

1

1

450

ND（cm-3）

1×1019

0

0

NA（cm-3）

0

1×1017

0

4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。

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：

Voc=547.7mV，Jsc=43.46mA/cm2，FF=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Cellresults

4.1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，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。

Voc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640mV左右。

Jsc随着本征层厚度增加先是略有上升，以39.9mA·cm-2作为参考值，可较为明显看出。

本征层厚度超过3nm后，Jsc便逐渐下降。

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。

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