太阳能毕业设计.docx

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太阳能毕业设计

本科毕业设计

题

目

薄膜半导体太阳能电池光电特性

学生姓名：

专业：

集成电路设计与制造

指导教师：

王强

完成日期：

原创性声明

本人声明：

所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。

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发表或撰写过的研究成果。

参与同一工作的其他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了谢意。

签名：

葛涛日期：

2010-5-01

本论文使用授权说明

本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

学生签名：

指导教师签名：

日期：

南通大学毕业设计（论文）立题卡

课题名称

薄膜半导体太阳能电池光电效应

出题人

王强

课题表述（简述课题的背景、目的、意义、主要内容、完成课题的条件、成果形式等）

本课题是是设计一个非晶硅薄膜太阳能电池单元。

非晶硅光伏电池是薄膜光伏电池中最成熟的产品，非晶硅光伏电池虽然在转换效率方面略逊于晶体硅光伏电池，但其制造成本低廉能耗小，这是晶体硅光伏电池所不能比的。

本课题首先分析了硅薄膜太阳能电池的输出特性，然后根据其特性设计了一个铝-薄膜-铝非晶硅薄膜太阳能电池单元。

设计完成后运用SILVACO—TCAD软件对此结构进行建模、仿真并分析此结构中PN结特性对光电流的影响。

本课题在深入理解了相关理论基础知识后，通过仿真工具，建立相关结构模型，并分析此结构的性能。

课题来源

课题类别

该课题对学生的要求

了解太阳能电池的发展历史以及现在的发展情况，然后通过查阅资料了解太阳能电池工作的基本原理，了解哪些因素会影响太阳能电池的工作效率，然后自行设计一非晶硅薄膜太阳能电池，并通过EDA软件TCAD对自己设计的太阳能电池进行仿真。

教研室意见

教研室主任签名：

______________

________年________月________日

学院意见

同意立题（　　）　

不同意立题（　　）　　教学院长签名：

______________

________年________月________日

注：

1、此表一式三份，学院、教研室、学生档案各一份。

2、课题来源是指：

1.科研，2.社会生产实际，3.其他。

3、课题类别是指：

1.毕业论文，2.毕业设计。

4、教研室意见：

在组织专业指导委员会审核后，就该课题的工作量大小，难易程度及是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。

5、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。

南通大学

毕业设计（论文）任务书

题目薄膜太阳能电池光电特性的研究

学生姓名葛涛

学院电子信息

专业集成电路设计与制造

班级集成062

学号0611002070

起讫日期2010-4-10——2010-5-24

指导教师王强职称教授

发任务书日期年月日

课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题）

本课题主要研究硅半导体太阳能电池的性能参数，了解太阳能电池单元结构，并能够通过有关资料设计出一件非晶硅薄膜太阳能电池单元，并且能够在设计完成后运用SILVACO—TCAD软件对此结构进行建模、仿真并分析此结构中PN结特性对光电流的影响。

以此理论基础能够分析出设计此太阳能电池参数时需要注意哪些环节

课题的研究方法和技术路线

本课题在深入理解了相关理论基础知识后。

通过运用SILVACO—TCAD工具软件模拟出非晶硅太阳能电池单元结构，并且设置外部参数，分析此电池单元结构中PN结结构的特性对光电流的影响，并分析如何改进。

基　础　条　件

具有较好的相关理论基础（主要是半导体器件物理和集成电路设计技术），具备一定的建模仿真，分析能力。

能够熟练的运用SILVACO—TCAD工具软件对非晶硅薄膜太阳能电池进行建模仿真。

参　考　文　献

本课题必须完成的任务

研究硅半导体太阳能电池的性能参数，了解太阳能电池单元结构，并能够通过有关资料设计出一件非晶硅薄膜太阳能电池单元，并且能够在设计完成后运用SILVACO—TCAD软件对此结构进行建模、仿真并分析此结构中PN结特性对光电流的影响。

成　果　形　式

通过SILVACO—TCAD软件对非晶硅薄膜太阳能电池单元结构结构进行图形仿真并分析此结构中PN结特性，以及对光电流的影响。

进度计划

起讫日期

工作内容

备注

2.16－2.20

查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。

2.21－3.17

消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告。

3月17日

上交开题报告

3.17－4.21

学习太阳能电池结构并学会如何使用TCAD软件的实现。

3.17－3.21

完成开题答辩

4.21－5.2

准备毕业设计中期检查。

5月2日前

完成中期检查

5.3－5.11

在silivaco-TCAD软件中进行建模并仿真调试

5.12－5.23

撰写毕业论文（设计说明书）。

5月23日

交毕业论文草稿

5.24－6.02

修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收。

6月3日前

毕业论文定稿

6.1－6.10

准备和进行毕业论文答辩。

教研室审核意见

教研室主任签名：

__　　______年___月___日

学院意见

　教学院长签名：

__　　______年___月___日

注：

此表为参考表格，学院可根据专业特点，对该表格进行适当的修改。

南通大学本科生毕业设计（论文）开题报告

学生姓名

葛涛

学号

0611002070

专业

电子信息

课题名称

薄膜太阳能电池光电特性的研究

阅读文献

情况

国内文献篇

开题日期

国外文献篇

开题地点

一文献综述与调研报告：

（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）

当今，越来越多的人认为，不论是通过光热途径还是光伏途径，直接应用太阳能不可避免地将成为人类使用能源的方式，特别是，这种方式将成为人类最终使用能源的重要组成部分。

太阳能将在21世纪（或可能在22世纪内）世界范围内直接替代数十亿吨人类现在的主要使用的化石能源。

太阳能具有环境友好特性，当前太阳能的一些直接应用，特别是前面提到的“光明前景”，驱使人们在言论中、在宣传上、在各国也确立了更多的太阳能项目，其中有一些在十万千瓦以上。

这些情况的确使人激动，也将以前所未有的力量与速度的推动整个太阳能事业，使太阳能大规模的使用更早到来。

就拿我国来说，未来如果十几亿人都能过上“小康”的现代生活；如果我国要有与其他发达国家相比的生产能力与防卫能力；如果我国要承担在世界上应承担的责任，即便节能水平能与美、欧、日相当，到2050年左右我国能耗也将达到40亿～50亿吨标煤以上，我国发电能力也将达十亿千瓦电功率。

有些人认为这时保守的估计，因为到那时我国人均年能耗也只约是美国的1/3，西欧和日本的一半。

长期支撑这样大的能耗，并考虑到我国资源情况及国际环境和我国的环境状况，到22世纪初如果不能用非化石能源，如核能、太阳能、替代相当一部分化石能源，我们国家、我们国家、我们名族的发展都会受到重大影响。

因此，大规模推进太阳能的发展和应用，对我国尤为重要。

这里特别强调的是着眼与为大规模发展太阳能，使太阳能在我国整个能源结构中占相当比重而去工作、去布局。

在众多的太阳能电池中，非晶硅薄膜太阳能电池有很明显的优势。

首先是所需要的原材料较少，特别是晶体硅短缺的情况下，对原材料较弱的依赖关系是薄膜硅电池的重要优势，其次是薄膜硅电池的生产成本较低，薄膜硅电池的生产成本还没有碲化镉电池低，但是确比单晶硅多晶硅电池低。

另一个重要的优势是大面积沉积。

随着生产规模的扩大，大面积沉积是非常重要的。

参考文献

[1]冯垛生，张淼，赵慧，林珊。

太阳能发电技术与应用[M].人民邮电出版社，2009，3-4

[2]王长贵，王斯成。

太阳能光伏发电实用技术[M].北京工业出版社，2009，46-47

[a3]魏奎先，戴永年，马文会等．太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势[J]．轻金属，2006：

52-56

[4]ZhaoJH，WangAH，GreenMA，ElectronDevices[M]，1999，46（10）：

1978～1983

[e5]张晓丹，张发荣，赵颖等．半导体学报，2007，209～212

[6]沐俊应，徐娟，粱氏秋水等．有机薄膜太阳能电池的研究进展[J]．电子工艺技术，2007，28

（2）:

93～96

[7]苏孙庆．多晶硅薄膜太阳能电池的研究进展[J]．技术物理教学，2007：

45～47

[8]钟文建．多晶硅太阳能电池工艺技术探讨及应用前景分析[J].陶瓷科学与技术，2005，39（5）：

36～40

[9]靳锐敏，卢景霄，扬仕娥，等．温度对非晶硅薄膜二次晶化的影响[J]．电子元件与材料，2005，24（8）：

4142．

[10]罗玉峰太阳能光伏发电技术[M],2009.02:

27～31

[11]TANAKAR.Non-Crystallinesiliconcellspreparedbyarapidliquidphase（RCPE）growthtechnique[J].ProgressinBatteriesandSolarCell,1992.

二本课题的基本内容，预计解决的难题

了解硅半导体太阳能电池的性能参数，了解太阳能电池单元结构，并能够通过有关资料设计出一件非晶硅薄膜太阳能电池单元，并且能够在设计完成后运用SILVACO—TCAD软件对此结构进行建模、仿真并分析此结构中PN结特性对光电流的影响。

二课题的研究方法、技术路线

硅半导体太阳能电池的性能参数，了解太阳能电池单元结构，并能够通过有关资料设计出一件非晶硅薄膜太阳能电池单元，并且能够在设计完成后运用SILVACO—TCAD软件对此结构进行建模、仿真并分析此结构中PN结特性对光电流的影响。

三研究工作条件和基础

具有较好的相关理论基础（主要是半导体器件物理和集成电路设计技术），具备一定的建模仿真，分析能力。

能够熟练的运用SILVACO—TCAD工具软件对非晶硅薄膜太阳能电池进行建模仿真。

五、进度计划

起讫日期

工作内容

2.16－2.20

查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。

2.21－3.17

消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告。

3.17－4.21

学习太阳能电池结构并学会如何使用TCAD软件的实现。

4.21－5.2

准备毕业设计中期检查。

5.3－5.11

在silivaco-TCAD软件中进行建模并仿真调试

5.12－5.23

撰写毕业论文（设计说明书）。

5.24－6.02

修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收。

6.03－6.10

准备和进行毕业论文答辩。

论文阶段完成日期

文献调研完成日期

论文实验完成日期

撰写论文完成日期

评议答辩完成日期

指

导

教

师

评

语

该同学毕业论文前期工作比较充分，对英文资料的翻译和认识也比较完整。

对硅太阳能电池基础理论都有较好的认识，尤其对应用SILVACO-TCAD软件对太阳能电池单元模型并仿真分析有直观的理解，以后还需要进一步加深这种理解。

对电池单元结构的分析过程也要进一步熟悉。

同意开题

导师签名：

　　　年月日

教

研

室

意

见

教研室主任签名：

　　　年月日

学院

意见

通过开题（　　）　

开题不通过（　　）

教学院长签名：

　　　年月日

注：

1、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。

南通大学

毕业设计（论文）

题目：

薄膜太阳能电池光电特性的研究　　　　　　　　

姓名：

　　葛涛　　　　

指导教师：

　　王强　　　　　　

专业：

　电子信息　　　　　　

南通大学电子信息学院

2007年6月

摘要

近几年来，由于能源减少和环境污染的双重压力，使得光伏产业迅猛发展。

太阳电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电，只要有阳光就可以产生电。

不消耗煤、石油等一次能源，对环境无污染，是新能源发展的重要组成部分。

本文从概述开始叙述了太阳能光伏电池的发展历史现状及未来发展趋势。

分析了太阳能光伏电池的分类，介绍每种光伏电池的特点，详细解释太阳能发电的技术原理，分析其参数特性。

在了解太阳能发电原理的基础上，通过SILVAC-TCAD软件对设计的非晶硅薄膜太阳能电池单元结构进行建模仿真，分析其参数特性。

关键词：

太阳能电池，非晶硅，TCAD，仿真

ABSTRACT

Inrecentyears,duetothedualenergyreductionandenvironmentalpressures,makingtherapiddevelopmentofphotovoltaicindustry.Solarcellistousesunlighttoproduceelectricitydirectlyinteractwiththematerial,aslongasthesunshinecanproduceelectricity.Donotconsumecoal,oilandotherprimaryenergy,environmentalpollution,thenewenergydevelopmentanimportantpart.Thispaperdescribesanoverviewofthebeginninghistoryofthedevelopmentofsolarphotovoltaiccellspresentsituationandfuturetrends.Analysisoftheclassificationofsolarphotovoltaiccells,introducingthecharacteristicsofeachtypeofphotovoltaiccells,solarpowergenerationtechnologydetailedexplanationoftheprinciplecharacteristicsofitsparameters.

InunderstandingthebasisoftheprincipleofsolarpowerthroughSILVAC-TCADsoftwaretodesignthestructureofamorphoussiliconthinfilmsolarcellmodulesformodelingandsimulation,analysisofcharacteristicsofitsparameters.

Keywords：

solarcells，amorphoussilicon，TCAD，simulation

第一章绪论

1.1概述

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。

尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

太阳能利用主要涉及两个技术领域，通过转换装置把太阳辐射能转换成热能属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，因此又称太阳能光伏技术。

过去10年里，全球太阳能电池产业1990～2006十几年里增长了50多倍，太阳能光伏发电是能源技术领域发展最快的一个行业，近几年的增长速度都在40%以上，而发达国家太阳能产业增长速度更是飞快。

2006年全球总产量达到2500MW,同比增长42.1%，累计装机发电容量已超过7GW。

全球总产量中，日本产量最大，为928MW，占全世界的37.1％；欧洲总产量657MW，约占26.2%；美国总产量202MW，约为8%；其他国家总产量714MW，其中我国产量已达到369MW，已经超过美国成为世界第三大太阳能电池生产国。

在美、日、德三国大规模的太阳能屋顶计划的推动下，以太阳能光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场已经超过离网应用，成为世界光伏工业的最主要发动机。

国外太阳能光伏产业市场拉动了我国光伏产业的发展，但国内的光伏市场太阳能应用只刚进入起步阶段。

我国目前的太阳能光伏产业主要在两方面发挥作用：

一是国家示范项目、民心工程和国际合作项目，如“西藏无电县建设”、“送电到乡”、“光明工程”等项目的建设；另外，就是无电地区通信、卫星信号的传输和接收，以及输油、输气管道的阴极保护等系统所用的电源；还有极少部分用作带有“科技示范效应”的路灯、广告牌、草坪灯等电源。

除此以外，其他方面的应用还比较少。

1.2太阳能光伏产业发展迅速

能源日益紧缺和环保的压力促使各国都掀起了开发、利用太阳能和可再生能源的热潮，开发和利用太阳能已成为了各国可持续发展战略的重要组成部分，近三十年来，太阳能利用技术在研发、产业化、市场开拓方面都取得了长足的进展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

光伏产业是20世纪80年代后世界上增长最快的高新技术产业之一。

自1990年开始，随着各国对可再生能源的重视和太阳电池转换效率不断提高而使成本不断降低，太阳电池产量快速增长。

2000年以后全球光伏市场的发展超过了工业历史上有过的任何一次飞跃，2006年光伏工业增长42%，达2.5GWp。

光伏发电的前景已经被越来越多的国家和金融界所认识，许多发达国家和地区纷纷制定发展计划。

1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。

1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。

美国规划“百万太阳能屋顶计划”，到2010年将为100万个家庭安装太阳能屋顶，每个光伏屋顶将有3kW~5kW光伏并网发电系统。

有太阳时，太阳能屋顶供电；无太阳时，电网向家庭供电。

仅此计划，美国到2010年将用太阳能供电至少可达3000MW以上。

美国能源部曾宣布：

计划到2010年累计安装的太阳能发电装置所能达到的容量将超过4600MW，这势必会大大刺激美国太阳能电池行业的发展。

日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。

日本政府对“新阳光计划”的支持力度很大。

日本政府提出在2010年实现全国太阳能发电装机总容量5000MW的新能源工程，截至2004年累计安装量已达到1900MW，而且近两年来发展速度惊人，增长率达到70%以上。

欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲的光伏产业发展的里程碑。

它的总目标是到2010年，欧盟内的光伏发电装机容量要达到3700MW，并同时出口3000MW。

欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙也开始制定本国的可再生能源法案，通过给予大量补贴和政策优惠，加速驱动光伏工业的发展。

我国在2005年3月，正式颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，并于2006年1月1日正式实施。

我国在新的《可再生能源中长期规划》提出，到2010年，我国太阳能光伏发电总容量将达到40万千瓦，2020年达到220万千瓦。

新政策的出台，将促进我国太阳能光伏发电产业的发展，将使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平。

1.3太阳能光伏产业发展空间巨大

太阳能利用中最重要的是光伏产业。

20世纪80年代以来，光伏产业是世界上增长最快的高新技术产业之一。

这些年来人们对太阳能光电池所做的努力，已经使多晶硅光电池转化率达到15%，单净硅光电转化率到20%，砷化镓光电池是25%，在实验室中特制的砷化镓光电池甚而已高达35~36%。

专家认为，太阳能光伏发电是目前已知发电方式中最清洁、最安全、潜力最大的新兴发电方式之一。

在现有太阳能光电池的发电模式中，多数采用方位固定的大面积的平板式光电转化模式。

如果能有高转化率的聚光光电池供应，亦即这一光电池不仅在通常太阳光的辐照下能维持25%~35%的光转化率，而且能在聚光条件下，如将太阳光聚光300～700倍，将能期望用较少量的聚光电池，获得较大的光伏能源。

现在国际市场上已出现有这种聚光电池，其光电转化率高达30%。

太阳能光发电比太阳能热发电有更为迅速的价格下降空间，而且还可能下降到比煤发电成本更为低廉。

煤是全程污染的能源，所以，如果太阳能光发电的成本能够下降到10美分／千瓦时，就将有巨大的经济效益。

很多人认为到了2020年，光伏电池成本将由现在的25美分／千瓦时下降到10美分／千瓦时，也有认为到2010年即能下降到10美分／千瓦时。

可以预见，随着技术进步和生产能力不断扩大，光电转换效率会逐步提高，太阳能电池光伏发电成本会逐步降低，并且价格也会随之下降。

沙漠地区将能集中地提供丰富的太阳能。

我国现有沙漠约52万平方公里，大部分集中在内蒙古地区和新疆地区。

如果太阳能转化为电的效率是15％，每平方米的面积将能提供约0.036千瓦的电能，其日平均将能提供约0.41千瓦小时的电能。

所以，仅内蒙古自治区的沙漠地区的太阳能就能为中国在2050年以及今后的发展提供所需要的足够的电力。

太阳能的利用并不限于光能转化为电能的光电效应。

太阳能还能广泛地用做日常生活的供暖和供冷，而太阳能定日镜的广泛利用，还能提供各类工业和家庭生活中所需要的处于高温状态下的热能。

人类的未来将是一个太阳能时代的未来。

1.4太阳能发电发展史

太阳能发电发展史如下表1.4.1所示，太阳能发电的历史可以追溯到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料光照后，会引起其伏安特性改变。

最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成的太阳能电池。

其后，对硒，氧化铜等半导体的研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的太阳能电池。

年份

成就

1800

1876

1904

1940

1954

1955

1956

1958

1972

1974

1976

1984

1985

1991

1992

1994