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1、毕 业 论 文题 目：本征层厚度及掺杂对a-Si：H太阳电池性能影响的模拟研究学院(直属系)：材料科学与工程学院 年级、专 业：2006级材料科学与工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 时 间：2010年6月7日 本征层厚度及掺杂对a-Si太阳电池性能影响的模拟研究 摘 要本文通过使用一维微光电子分析工具AMPS-1D重点分析了本征层掺杂和厚度对太阳能电池性能的影响。在掺杂方面研究了施主型杂质和受主型杂质的浓度分别在51015cm-3到51020cm-3之间时对太阳能电池产生的不同的影响。在厚度方面，考虑到了非晶硅的晶格结构，研究了本征层从20nm到700nm时太阳能的短
2、路电流、开路电压、转换效率、填充因子各自不同的变化，从而得出了各个因素对非晶硅太阳能电池的影响，对于提高太阳能电池转换效率具有实际的指导意义。关键词：非晶硅；太阳能；掺杂；本征层 AbstractBy use of Microelectronic and Photonic Structures-1D Analysis the intrinsic layer doping and thickness influences the performance of solar cells.In the doping aspect research donor impurity and acceptor
3、 impurity Concentration from 51015cm-3 to 51020cm-3 of solar cells between the different influences. In thickness， consider the lattice structure of amorphous Silicon,research when the layer from 20nm 700nm the short-circuit current,open voltage,conversion efficiency and fill factor of solar cells w
4、ith different changes,and various factors of amorphous Silicon solar battery,to improve the efficiency of solar cells with practical Significance.Keywords:a-Si;solar energy;doping;intrinsic layer目录第1章 绪论- 1 -1.1 引言- 1 -1.2 太阳电池技术的发展历史2- 2 -1.3 太阳电池的发展方向及应用- 4 -1.4本章小结- 5 -第2章 A-SI太阳电池结构及原理分析- 6 -2.1
5、 结构分析- 6 -2.2 原理分析- 8 -2.3 本章小结- 14 -第3章 A-SI太阳电池性能模拟研究- 15 -3.1 软件介绍- 15 -3.2 模型结构- 16 -3.3 掺杂模拟及结果- 17 -3.4 厚度模拟及结果- 21 -3.5 本章小结- 23 -第4章 模拟结果分析- 24 -4.1 受主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析- 24 -4.2 施主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析- 29 -4.3 两种掺杂浓度对太阳能电池性能影响的对比分析- 32 -4.4 本征层厚度对太阳能电池性能影响的分析- 34 -4.5 本章小结- 36 -第5章 结论- 38 -第6章 总结
6、与体会- 39 -致谢- 40 -参考文献- 41 -第1章 绪论1.1 引言由于上世纪人类物质文明的飞速发展是建立在大量消耗地球上蕴藏的能源资源和大规模破坏人类赖以生存的生态环境的基础上的，能源枯竭已成为人类社会最大的威胁之一，如表1-11所示。在节约能源的前提下发展经济已成为人们的共识。因此在新世纪内，人类文明可持续发展所面临的三大课题被称做”3E”，即energy、economy和environment。新世纪经济的发展不能仅看产值 ，还要看单位能耗的产值。表1-1 全世界能源资源情况种类探明可采储量年产量可采年数煤1.031012t(1996年)4.6109t223年石油1.05310
7、12桶（1998年）2.671010桶39年天然气1.461014m3（1998年）2.271012m364年太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应，进行质能转换，向宇宙辐射的总功率约为3181023kW，投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kW/m2，到达地表的功率密度仍有1kW/m2。如果太阳辐射维持不变，则太阳半衰期寿命还有71012年以上，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h，太阳能相当丰富。目前，太阳能的利用主要有太阳电池发电和太阳能热水器制热。太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发电两大类。太阳光能发电是通过太阳电池将太阳能
8、直接转换成电能的系统，又称作光伏系统 (photo-voltaic power generation system)。太阳热能发电是将太阳热能储蓄在热介质中产生水蒸气以推动蒸汽轮机发电的系统。由于太阳热能发电系统的集热装置和太阳跟踪装置均较复杂且尚未实用化，而太阳电池发电与其他发电方法相比具有无振动、无噪声、无污染的特点，如表1-2所示，因此太阳热能发电得到广泛使用。表1-2 各种发电方法产生大气污染物的量g/kWh发电方法煤石油天然气原子能风力水力太阳能污染物COX322.8258.51787.86.75.95.3NOX1.80.880.90.0030.007SOX3.41.70.0010.
9、030.021.2 太阳电池技术的发展历史2太阳电池源于“光生伏特效应”，是指光照使不均匀半导体或者半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象，于1887年，由Heinrich Hertz发现，1905年爱因斯坦用光子概念进行了成功的理论解释。光伏效应存在于所有的金属和非金属材，理论上金属太阳电池的光电转换效率不会高于1%，因此，各国都将太阳电池的发展重点放在非金属及具有半导体特征的化合物上。Shell和BP为最早的太阳能光电领导厂商，19011945年研究的太阳能装置，虽接近实用目标，但费用偏高。后来受两次世界大战以及石油及水电等能源被大量使用，太阳能应用研究被放缓。直到19461972
10、年，二战后的经济复苏阶段，由于石油资源的逐渐减少，各国重启太阳能研究。1954年美国贝尔实验室首次制作出硅基太阳电池，次年美国无线电公司（RCA）开始进行GaAs太阳电池的开发，美国波音（Boeing）公司在1956年通过其子公司Spectrolab，专门从事GaAs太阳电池的研发，并于1959年在探险家六号卫星上搭载该公司生产的太阳电池，作为主要电力来源。俄国科学家Zh.I.Alferov于1963年前后提出半导体异质接面概念，并率领研究团队于1970年首次制作了具有异质接面的GaAs太阳电池，而成为俄国科学院副院长。1973年10月爆发的中东战争，使各国进一步了解能源的重要性和调整能源结构
11、的必要性。同年底美国政府率先制定了阳光发电计划。至此，太阳能应用也由不计成本的卫星用途，转向地面发电装置。最初，太阳能发电首选偏远地区。1966年Sharp建成当时全球最大的太阳能灯塔。1980年，Sharp率先将太阳电池商品化。1990年后，由于德、美、日等国家采取多种措施鼓励发展太阳能发电装置，太阳电池的商业化开始提速。2000年后全球光伏电池增速进一步加快，仅2006年安装规模就达到1744mw，预计2010年将达到13GW，成为继风电之后发展最快的新能源产业。从全球范围来看，光伏技术发展正在朝着低成本、低能耗、低污染的方向发展。以日本为例，该国对太阳能技术的提升有明确的目标，如表1-3
12、和表1-4所示。表1-5 日本太阳电池模组转换效率目标 单位：%注：（）内为电池转换效率目标太阳电池种类现况2010年2020年2030年多晶硅电池1314.8（18.4）16（20）19（25）22（35）薄膜电池10（14.7）12（15）14（18）18（20）CIS系电池1012（18.9）13（19）18(25)22(25)超高效率电池（38.9）28（40）35（45）40（50）染料薄膜电池（10.5）6（10）10（15）15（18）表1-6 日本技术开发目标项 目现况（达成年）2010-2030年开发目标（达成年）降低模组制造成本生产成本：250日元/W(2003年)预期发展
13、：140日元/W(2003年)100日元/W(2010年)750日元/W(2020年)50日元/W(2030年)提升模组耐久性寿命20年寿命30年原料消耗指标化10-13g/W硅圆：1g/W(2030年)变频器30000日元/kW15000日元/kW(2020年)蓄电装置10日元/Wh10日元/Wh(2020年)以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为29，按目前技术路线，提升效率的难度已经非常大。薄膜太阳电池由于具有大面积沉积、低材料消耗及可在低成本基板上制作，有较大的成本下降潜力的优点，其发展前景非常看好，成为近阶段发展研究的重点。而薄膜电池的最大机遇是在建筑上应用，包括商业、工业
14、和住宅市场。由于薄膜技术固有的灵活性，能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，将电池集成到建筑材料有着极大的降低成本的潜力。目前，国际光伏巨头们大都放缓了晶体硅太阳电池产能的扩张，转而加强了对低成本非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池以及柔性电池、高效-族电池的投入，并规划了雄心勃勃扩产计划。全球排名第一的Q-Cells公司虽然晶体硅电池产能巨大，但早已全线推进现有商业化薄膜电池技术，对非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池均有投入，并初步实现产业化。全球领导大厂Sharp公司更是果断放弃了多年国际太阳能产业N.1的地位，停止了晶体硅电池的扩产，转而大力发展非晶硅薄膜太阳电池，计划到2010年薄膜电池投产1GW，
15、2012年达到6GW。Sharp意图在新一轮新技术驱动的新能源产业发展中重树霸主地位！美国薄膜电池新贵First Solar依仗其领先的CdTe薄膜电池技术，以503mw的实际产量更是在2008年一举超过尚德、Sharp等大型光伏企业，排在Q-Cells之后位列全球第二，并有望在2009年登上世界第一的宝座。Sharp预计，2012年全球薄膜电池产量将超过晶体硅电池，薄膜化正在成为国际光伏产业发展的大趋势。1.3 太阳电池的发展方向及应用太阳电池作为一种新兴的能源可以制成电池组件与现在相当成熟的水力、火力和风能一起提供动力及照明电源等，现在太阳电池正在以不同的形式悄然的进入我们的生活。在刚刚结
16、束的2009日本新科技博览会上，太阳电池大放异彩，各个公司均展览出了其最新产品和理念。将太阳能用于住房是目前各个公司最感兴趣的项目之一，而且各公司一致展出的不仅仅是设置在住宅屋顶的电池，还有在住宅内使用的色素增感型太阳电池。其着眼点分别在于提高住宅内低照度环境下的效率，以及提高设计性。色素增感型太阳电池的室内利用方案层出不穷，各公司纷纷展出通过组合蓄电池、提高设计性等方式强化了室内使用效果的色素增感型太阳电池。图1（a）：罗姆根据室内低照度环境对色素和电极进行了优化。图1（b）：TDK利用Ag膏布线绘制出了图案。图1（c）：太阳诱电通过结合Li离子电容器，使为电器充电变得简单。重视设计性的太阳
17、电池试制品来自TDK3。该公司试制出了不仅能在电池板上着色，还能够绘制图案的色素增感型太阳电池。由于使用了柔性的PEN薄膜，因此，该电池具有重量轻、耐冲击性优良的特点。图案的形成利用的是丝网印刷形成的Ag膏布线。但Ag膏描绘的图案必须发挥电极的作用。因此，图案需要由延伸至外围的连线构成。为了提高可靠性，TDK改进了Ag膏与电解液之间的保护层，防止了Ag膏腐蚀。在室温条件下可使用5年左右。单元的转换效率在实验阶段为7.9。这些新的太阳能技术的出现让我们更加有理由相信，在不久的将来以太阳能作为动力的产品将会出现在我们生活的各个角落。太阳能也会解决现在非常严重的环境及能源问题，让人类不断的向着可持续
18、的方向发展。1.4本章小结本章介绍了人类面临的能源及环境问题让人类不得不寻找新的能源发展方向太阳能，以及太阳能的发展历史及过程，太阳能的发展现状、最新的一些成果以及未来发展的趋势。第2章 a-Si太阳电池结构及原理分析非晶硅薄膜电池诞生于1976年，是用非晶硅半导体林料制备的一种薄膜电池。因其制造过程中的耗能少、易于大面积自动化生产、原材料消耗少等因素已成为目前最实用化的薄膜电池之一。其已经走出了国防、航空等领域，很多产品已经应用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费领域。下面将对非晶硅太阳能电池的结构及工作原理进行分析，以便于后面深入的对太阳能各种性能参数进行研究。2.1 结构分析典型的常规单结
19、非晶硅太阳电池结构示意图如图2-1所示4。由七层组成，包括减反射层、玻璃基片、透明导电薄膜、p层、i层、n层、金属电极，其工艺过程是在玻璃基片上依次制备右图中的各个薄膜层，最后在透明导电薄膜和金属电极上连接上导线向负载输送电流。图2-1 非晶硅太阳电池的典型结构1）减反射层、玻璃基片、TCO和金属电极减反射膜的原理是利用光在减反射膜上下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。在太阳电池材料和入射光谱确定的情况下，减反射的效果取决于减反射膜的折射率和厚度。其最佳厚度为入射波长的1/4倍，而根据入射光线的不同其厚度一般为60-100nm。研究和实际应用表明，具有单减
20、反射层的电池，其反射率可以降到10%以下。作为减反射层的薄膜材料通常要求有很好的透光性，对光线的吸收越小越好，同时具有良好的耐化学腐蚀性。其材料一般可以用SnO2、SiO2、MgF2、TiO2。在玻璃基片的向光一面是减反射膜，另一面是透明导电薄膜（TCO），玻璃基片在太阳电池中主要是用作为衬底起一个支撑作用，因为太阳光要透过它照射到硅层上去，因此，要求玻璃基片的透明度要非常的高，对光的吸收系数也要非常的小。在实际工程中可以使用超白玻璃，因其Fe2O3150ppm、透光率92%、软化点720、应变点500、杨氏弹性模量73Gpa是理想的光伏玻璃基片。其处在玻璃基片和p型硅之间，主要作用是用于导电
21、。主要原料包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。对其性能有以下几点要求：光谱透过率：为了能够充分地利用太阳光，TCO镀膜玻璃一定要保持相对较高的透过率。导电性能：TCO导电薄膜的导电原理是在原本导电能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他元素，使半导体的导电性能发生显著变化。激光刻蚀性能：薄膜电池在制作过程中，需要将表面划分成多个长条状的电池组，这些电池组被串联起来用以提高输出能效。因此，在镀半导体膜之前，必须要对表面的导电膜进行刻划，被刻蚀掉的部分必须完全除去氧化物导电膜层，以保持绝缘。耐磨性与耐久性：TCO镀膜一般都使用“硬膜”镀制工艺，膜层具有良好的耐磨性、耐酸碱性。
22、金属电极是处于电池的背光面，其主要作用是将太阳电池产生的电流引导到外加负载。其制作方法一般采用溅射镀膜，制作的过程温度较低对半导体薄膜的损伤较小。因为有一部分太阳光会透过其上面的所有膜层到达电极，因此要求电极具有较高的反射率，较低的透射率，使透射到电极上的光线从新反射回去再一次吸收以提高电池对光线的利用率，增加转换效率。其一般厚度在几十纳米到几百纳米之间。使用的材料有ZnO、Al等。2）p区、n区和i区在太阳能电池中p-n结为最核心的一个结构，电池质量的好坏、转换效率的高低很大程度取决于p-n结。对于非晶硅，由于其晶格长程无序短程有序的结构，其对载流子的散射作用非常的强。因此在p区和n区之间加
23、了一个i区，p区和n区的作用为产生内建电场收集由i区产生的光生载流子。因为在p区和n区有掺杂，因此在这两个区域里面有很多缺陷，当光生载流子运动到该区域内便会发生复合，因此这两个区域要尽量的小。在实际工程中，两个区域的厚度一般限制在几十个纳米范围内。为了增加光电转换效率，一般尽量增加光敏区i层的厚度。但是，非晶硅中的载流子的迁移率非常的低，因此，需要有足够的电场强度的内建电场将光生载流子输送到电极。为了保证内建电场强度，本征层又要尽量的薄，所以pin结构的非晶硅薄膜太阳电池的i层厚度设计在500nm左右。在i层中光电导和暗电导之比是105-106，其不仅是光敏区能够产生光生载流子还能够扼制隧道电
24、流。非晶硅的pin结构通常是利用气相沉积法制备的，根据不同的技术又可分为辉光放电法、溅射法、真空蒸发法、热丝法、光化学气相沉积法和等离子气相沉积法，其中等离子气相沉积法在工业界和研究界被广泛应用。当太阳光照在太阳能电池的受光面时，光线会透过减反射层、玻璃层、p层直达本征层：i层（一部分光也会被p层和n层吸收）。在I内光子将激发电子，产生载流子，载流子在内建电场的作用下分别向p区和i区运动，并在此堆积产生电势差。当有外接负载时电池将为外接负载提供电能。2.2 原理分析1）载流子5在半导体导电过程中，运载电流的粒子，可以是带负电的电子，也可以是带正电荷的空穴，这些电子或空穴叫做载流子。单位体积的载
25、流子数目叫做载流子浓度。半导体的导电性能和载流子的数目有关。半导体的载流子浓度随其中杂质的含量和外界条件（如加热、光照等）而显著变化。在高纯半导体中材料中，电子和空穴的浓度相等，称为本征半导体。如果向其中加入某种杂质元素，使得电子浓度大于空穴浓度，称其为n型半导体此时的电子称为多数载流子，空穴为少数载流子。反之可以形成p型半导体。对于半导体材料而言，由于电子和空穴同时导电，存在两种载流子，因此其导电率为： （2-1）式2-1中，n为电子浓度；p为空穴浓度；e为电子的电荷；e和p分别为电子和空穴的迁移率。2）能带结构图2-2为半导体晶体的能带示意图，通常在能量低的能带中填满了电子，称为满带，而能
26、带图中能量高的能带往往是全空或者半空的，称为导带。对于金属导电材料，其导带和价带是重合的，中间没有禁带。绝缘材料导带是空的，导带中始终没有电子，且禁带宽度很宽，电子也不能跃迁上去。而半导体与前两者不同，随导带中没有电子，但是其禁带不宽，在一定的条件下电子能跃迁上去，在价带中留下空穴，电子和空穴同时导电。图2-2 导体、绝缘体和半导体的能带示意图3）载流子的状态密度和统计分布我们知道电子的分布遵守费米-狄拉克分布，即能量为E的电子能级被一个电子占据的概率f(E)为： （2-2）式2-2中，f（E）为费米分布函数；为波尔兹曼常数；T为热力学温度；Ef为费米能级。当能量相等时，费米分布函数为： （2
27、-3）即电子占有率为1/2的能级为费米能级。半导体的电子占据一定的能级，可用电子波矢k表示，其对应的能级为E（k）。由于能级不是连续的，所以波矢k不能去任意值，而是受到一定边界条件的束缚。在导带底附近，E（k）与k的关系为： （2-4）式2-4中，h为普朗克常量；m*为电子的有效质量。由式2-4推导可知，导带底附近电子的状态密度和价带顶附近的空穴的状态密度分别为： （2-5） （2-6）对于导带底附近的电子而言，其占据能量为E的能级的概率服从费米分布函数，为f（E），而在能量E（E+dE）之间的量子态数为dZ，则在能量E（E+dE）之间被电子占据的量子态为f（E）dZ，因为每个被占据的量子态只
28、有一个电子，所以在能量E（E+dE）之间的电子数就是f（E）dZ。如果将导带的电子数相加，即从导带底到导带顶积分，即可得到导带内总的电子数，在除以半导体的体积，即可得到导带中的电子浓度。由以上分析加推导可知导带中的电子浓度为： （2-7）同理可知价带中的空穴的浓度为： （2-8）4）本征半导体的载流子浓度本征半导体是指没有杂质、没有缺陷的近乎完美的单晶半导体。在其中电子和空穴是成对出现的，因此，在本征半导体中，电子浓度与空穴浓度是相等的。如果设本征半导体载流子浓度为ni，则 （2-9）由式2-9可知，ni是温度T的函数。如果忽略T3/2的影响，ni就近似随温度呈线性变化。5）p-n结和空间电荷
29、区将一块p型硅和一块n型硅通过一定的方法使其结合在一起就形成了太阳电池中最重要的结构：p-n结。在n型硅中，电子很多而空穴很少。在p型硅中，空穴很多而电子很少。但是，在n型中的电离施主与少量空穴的正电荷严格平衡电子电荷。而p型中的电离受主与少量电子的负电荷平衡空穴电荷。因此，单独的n型和p型半导体是电中性的。当在两块半导体结合成p-n结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。对于p区空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性。因此，在p-n结附近p区一侧出现了一个负电区。同理，在p-n结附近n区一侧出现了
30、由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把p-n结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷。它们所在的区域称为空间电荷区，如图2-3所示。图2-3 p-n结的空间电荷区空间电荷区中存在正、负电荷区，形成了一个从n型半导体指向p型半导体的电场，称为内建电场。随着载流子扩散的进行，空间电荷区部断扩展增大，空间电荷量不断增加。在内建电场的作用下，载流子受到与扩散方向相反的作用力，产生漂移。由于载流子的扩散和漂移，导致空间电荷区和内建电场的存在，引起该部位的电势V和相关空穴势能（eV）或电子势能（-eV）随位置的改变，最终改变了p-n结的能带结构。6）电池的伏安特性6图2-4 太阳能电池等效电路图
31、由图2-4可知，其中有一个恒流源与p-n结并联，电流源I1是太阳光照射生成的过剩载流子产生的，I0为二极管的饱和电流，r为负载电阻，此时p-n结太阳电池的I-V特性为： （2-10）ID为太阳能电池在无光照时的饱和电流，A；q为电子电荷，C；K为波尔兹曼常数；T为热力学常数，K；A为常数因子；由式2-10可以得到图2-5所示太阳能电池的伏安特性曲线。图2-5 常用太阳能电池伏安特性曲线由图2-5可知在电压为0时，电流最大，称为短路电流（Isc），在电流为0时，电压最大，称为开路电压（Voc），由式2-10可知： （2-11）7）填充因子指太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值用”FF
32、”表示，是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。它与太阳能电池的的开路电压、短路电流和负载电压、负载电流有着密切的关系。影响填充因数的因素很多，串联电阻、旁路电阻对填充因数有直接的影响。从本质上讲，PN结的电流电压关系决定了电池的填充因数。不计入串联电阻及旁路电阻的影响，电池PN结的电流与电压关系是e指数关系。电池基区的掺杂浓度也会影响电池的填充因数。当掺杂浓度增加时，少子寿命就会衰减。除了串联电阻、旁路电阻外，光照强度对填充因数也有影响。在条件相同的情况下，在一定光照强度范围内，随着光强的减小，填充因素相应增加。8）太
33、阳电池的转换效率太阳电池的转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射功率Pin的比值，用符号表示。转换效率是评定一个器件好坏的最重要的参数之一，但是现在转换效率的测量还没有一个固定的标准，第一是光源的问题，外层空间的太阳光谱不同于地面的光谱，而在地面晴天和阴天的光谱又有区别，有点人采取人工合成，但是还没有模拟出良好的AM1和AM2光源。还有一个含混不清的地方就是接触面积、光的表面反射、串联电阻和旁路电阻的损失问题，未经校正的效率反应了电池的实际输出功率，而校正过后的效率反应的是电池的固有效率。在太阳电池中，大的短路电流、开路电压和填充因素可以获得很高的效率。可见光谱和近红外光谱
34、范围内，光谱响应宽阔而平坦，峰值光谱响应的量子效率接近1，因此光电流大。禁带宽度直接影响效率。从理论上将，材料禁带宽度越大，填充因素和开路电压就越大；而禁带宽度小的材料，可获得大的光电流。推算结果表明，禁带宽度1.5电子伏特的材料效率最高。2.3 本章小结本章主要介绍了a-Si太阳能电池的基本结构和原理。其中结构包括减反射层、玻璃基片、TCO和金属电极、p区、n区和i区等等。在这些结构中的前四项主要是起支撑吸光和导电等作用，而后面的三个结构的作用是产生光生载流子，因此后面三项是太阳能电池的核心结构。在原理的分析中详细的分析了能带、载流子、p-n结等半导体材料中的一些基本概念和光谱响应、少子电流
35、、j-v曲线、填充因子、转换效率等太阳电池的一些重要的参数。通过本章节的分析，更加清楚的了解了太阳能电池的基本结构和工作原理，为后面的章节打下了基础。第3章 a-Si太阳电池性能模拟研究通过上面对a-Si太阳电池的结构和原理的分析，我们清楚了太阳能电池的工作原理，下面将通过一维微光电子结构分析工具AMPS-1D对a-Si太阳能电池的i层厚度和掺杂进行模拟研究。3.1 软件介绍AMPS-1D有两种半导体电子学描述模式对光电器件进行直流模拟7，分别是态密度(DOS)和载流子寿命(life time)模式。在本研究中使用的是DOS模式，a-Si半导体的电子态分为导带和价带扩展态、导带和价带带尾定域态
36、以及隙间定域态。带尾定域态主要由键角畸变引起，可用指数函数描述其密度。隙间定域态主要由悬挂键造成，其密度呈双高斯函数分布，分别对应呈正相关能关系的类施主态和类受主态；也即类施主态在下，类受主态在上。对隙间定域态密度，AMPS还提供了一种平均分布的背景模式。对pin结构的薄膜太阳电池，若已知各层半导体材料的能带结构、电子和空穴态浓度分布、电子亲和能等信息，根据泊松方程、电子和空穴连续性方程，在适当的边界条件下即可求解出器件特性。对于非晶硅来说，带尾定域态相当重要，使用指数函数来模拟，用高斯分布来描述非晶硅的悬挂键。泊松方程把材料体系中的自由载流子数目，受陷电子和受陷空穴数目，离化杂质数目电场联系
37、起来。泊松方程表示为： （3-1）式3-1中，为器件x点单位正电荷电势，p(x)，n(x)分别为自由空穴和自由电子的浓度；ND（x）、NA（x）别为电离施主浓度和电离受主浓度；pt(x)，nt(x)分别为受陷空穴和受陷电子浓度。在稳态条件下，若自由载流子的浓度不随时间变化，则自由电子和自由空穴的连续性方程分别为： （3-2） （3-3）式3-3中，Jn为电子的电流密度，且有 （3-4）式3-4中EFN为电子的准费米能级。JP为空穴的电流密度，且有 （3-5）式3-5中EFP为空穴的准费米能级；GOP(x)为电子空穴对的光生效率，是位置x的函数。运用数值计算方法求解方程中的(x)、p(x)、n(
38、x)进而可以求出各特性参数。3.2 模型结构3-1 典型非晶硅太阳电池结构典型的a-Si:H太阳能电池结构如图3-1所示8。图中光从左边的p进入，该层为p型的非晶SiC材料，中间缓冲层为本征非晶硅，衬底为n型非晶硅材料。pin各层材料的光电特性参数如表3-17所示。a-SiC的电子亲合势设为3.90eV，比非晶硅(a-Si)小0.10eV，也就是说p/i界面的能带不连续性(1.961.80eV)在价带和导带上的偏移分别为其0.10eV和0.06eV。模拟过程中涉及到的具体参数如表3-1所示。表3-1 太阳能电池AMPS-1D模拟参数参数P层（a-SiC）i层(a-Si)n层(a-Si)迁移率带
39、隙/eV0.850.85 0.85 光学带隙/eV1.901.721.72电子亲和能/eV3.9244相对介电常数11.911.911.9有效态密度NC/(cm-3eV-1）2.510202.510202.51020有效态密度NV/(cm-3eV-1)2.510202.510202.51020电子迁移率n/(cm2v-1s-1）52010空穴迁移率p/(cm2v-1s-1）0.521价带尾态特征能量迁移率ED/eV0.20.050.05导带尾态特征能量迁移率EA/eV0.070.030.03掺杂浓度/cm-3NA=31019ND=11019Gdo/(cm-3ev-1）1.010191.0101
40、91.01019Gao/(cm-3ev-1）1.010191.010191.01019EDON/eV0.030.030.03EACP/eV0.050.050.05隙间定域态分布/cm-33101851016310183.3 掺杂模拟及结果由于a-Si:H太阳能电池的所有光生载流子都是在本征层中产生的，因此本征层的杂质浓度对太阳能电池的性能有强烈的影响，下面将对本征层中的杂质浓度进行模拟。掺杂份为施主型掺杂和受主型掺杂，下面将分别对着两种掺杂对太阳能电池的影响进行模拟。在模拟的过程中采用控制变量法，对掺杂浓度控制在51015cm-3到51020cm-3范围内变动，而其他的可变参数则选取典型值。1
41、）受主型掺杂模拟及结果本征层的掺杂浓度如表3-2所示，厚度为典型值450nm。p层的掺杂浓度为31019cm-3，厚度为10nm。n层的掺杂浓度为11019cm-3，厚度为20nm。计算中光照条件为AM1.5，100mW/cm2。其他各参数的设置见图3-2、图3-3和图3-4。表3-2 受主型杂质掺杂浓度表浓度（NA）/cm-35.00E+155.00E+165.00E+175.00E+185.00E+195.00E+20图3-2 典型参数设置图3-3 典型浓度的带尾态参数图3-4 典型浓度的光谱吸收系数经过模拟得到了短路电流密度Jsc、开路电压Voc、转换效率Eff、填充因子FF、空间电荷分
42、布、载流子分布、费米能级、载流子能级、空间电场分布等参数随各种掺杂浓度的变化关系。主要参数与掺杂浓度关系如表3-3所示。表3-3 受主型杂质浓度与太阳能电池各主要参数间关系NA（cm-3)Jsc（mA/cm2）Eff（%）FFVoc（eV）5.E+1511.53111.410.8851.1185.E+1611.39511.2890.8831.1225.E+179.859.7510.8771.1295.E+186.0736.1190.881.1455.E+194.5534.7070.8871.1665.E+204.2834.4370.8851.172）施主型掺杂模拟及结果本征层的掺杂浓度如表3-
43、4所示，厚度为典型值450nm。p层的掺杂浓度为NA=31019cm-3，厚度为10nm。n层的掺杂浓度为ND=11019cm-3厚度为20nm。其他各参数设置见图3-6、图3-6和图3-7。 表3-4施主型杂质掺杂浓度浓度（ND）/cm-35.00E+155.00E+165.00E+175.00E+185.00E+195.00E+20图3-5 典型掺杂浓度的基本参数设置图3-6典型掺杂浓度的带尾态参数 图3-7典型掺杂浓度的光谱吸收系数经过模拟得到了短路电流密度Jsc、开路电压Voc、转换效率Eff、填充因子FF、空间电荷分布、载流子分布、费米能级、载流子能级、空间电场分布等参数随各种掺杂浓
44、度的变化关系。主要参数与掺杂浓度关系如表3-5所示。表3-5 施主型杂质浓度与太阳能电池各主要参数间关系NA（cm-3）Jsc（mA/cm2）Eff（%）FFVoc（eV）5.E+1511.53511.3450.8821.1155.E+1611.26610.8130.8621.1145.E+178.6718.1280.8411.1155.E+185.4543.5690.8381.1085.E+193.8913.5690.8381.0945.E+203.3292.9680.8221.0843.4 厚度模拟及结果本征层的厚度分别取20nm、60nm、100nm、140nm、180nm、220nm、260nm、300 nm、340 nm、380 nm、420 nm、460 nm、500 nm、550 nm、600 nm、650nm、700 nm，掺杂浓度设置为0。P层厚度取10nm，掺杂浓度为NA=31019。N层厚度取20 nm，掺杂浓度为ND=11019。其他各参数的设置见图3-8、图3-9和图3-10。图3-8 典型厚度的基本参数设置3-9 典型厚度的带尾态参数设置图3-10 典型厚度的光谱吸收系数经过模拟得到了短路电流密度J
