《专业课程设计3（半导体物理）》课程设计说明书-异质结太阳能电池微晶硅背场的模拟优化汇.doc

目 录 1技术要求 2 2基本原理 2 2.1异质结太阳能电池的结构及原理 2 2.2背场的相关概念 3 2.3 Afors-he软件的学习了解 3 3参数描述 3 3.1太阳能电池前两层的固定参数 3 3.2太阳能电池背场的可调参数 4 3.3太阳能电池背场的固定参数 4 4调试过程及结论 5 4.1调试过程 5 4.1.1太阳能电池相关参数的设定 5 4.1.2太阳能电池模拟结果对比 7 4.2优化过程 9 4.2.1背场层厚的优化 9 4.2.2背场带隙宽度的优化 12 4.2.3背场掺杂浓度的优化 14 4.3结论 17 5心得体会 18 6参考文献 19 异质结太阳能电池微晶硅背场的 模拟与优化 1 技术要求 设计a-Si/c-Si/uc-Si太阳能电池，分析背场参数对异质结太阳能电池效率的影响。要求： （1）背场厚度对太阳能电池效率的影响； （2）背场掺杂浓度对太阳能电池效率的影响； （3）背场带隙对太阳能电池效率的影响； （4）采用Afors-het来进行模拟。 2 基本原理 2.1 异质结太阳能电池的结构及原理 异质结太阳能电池的基本结构是发射区、单晶硅基区、背场区，其物理模型如图1所示。 图1 太阳能电池的物理模型 太阳光从发射区前表面入射，进入单晶硅基区后被吸收，光生电子和空穴靠扩散运输到pn结区和背面高低结区，在结区空间电场的作用下分别向发射区和背场区漂移。在实际制作过程中，对于背场，希望利用的是高低结区对光生少子的背反作用，而这种作用主要取决于两边材料的能带匹配和掺杂浓度。影响异质结太阳能电池性能的最主要因素是单晶硅区的光电性质和前后两个结区的能带结构。 2.2 背场的相关概念 背场是用来提高太阳电池效率的有效手段。所谓背场指的是可对光生少子产生势垒效果的区域，从而减少光生少子在背表面的复合，这个势垒不但可以提高光电流，还可以在一定程度上提高光电压，因此背场的选择对太阳电池的性能影响很大。通常是靠一层与吸收区掺杂类型相同，但掺杂浓度更高的掺杂层来实现。 2.3 Afors-he软件的学习了解 Afors-he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。釆用Afors-he数值模拟软件，在已研究的异质结太阳能电池的基础上，加入微晶硅背场，来模拟微晶硅背场厚度，带隙和掺杂浓度对异质结太阳电池性能的影响，寻找微晶硅背场的最佳参数。采用微晶硅薄膜做背场的理由是，微晶硅是纳米晶硅，晶粒边界， 空洞和非晶硅共存的混合相，具有掺杂效率高，电导率高，载流子迁移率大等特点，它既具有非晶硅的高吸收系数，同时又具有单晶硅稳定的光学性质，而且微品硅的禁带宽度是可以随着晶相比变化连续可调，很容易得到与最高转化效率相对应的参数。通过老师的两次讲解，和自己的摸索，基本掌握了Afors-he软件的使用方法，并对异质结太阳能电池微晶硅背场进行模拟优化。 3 参数描述 3.1 太阳能电池前两层的固定参数 由于太阳能电池的模型和材料已固定，第一二层得相关参数也是固定的。由相关资料参考，得出其固定参数如表1所示。 表1 a-Si（n）和c-Si（p）的固定参数 3.2 太阳能电池背场的可调参数 基于模拟仿真优化要接近实际的考虑，系统的每个参数都要有一定的范围，该系统涉及的可调参数主要有三种：薄膜背场的层厚5nm—20nm；薄膜背场带隙宽度1.1—1.8eV；薄膜背场的掺杂浓度＜1E22cm3。 3.3 太阳能电池背场的固定参数 太阳能电池背场除了三个可调参数，其他参数也为固定的。由相关资料参考，得出其相关参数如表2所示。 表2 背场的相关参数 4 调试过程及结论 4.1 调试过程 4.1.1 太阳能电池相关参数的设定 使用Afors-he软件新建三个层，根据参考参数对每层的具体数值进行设置。根据相关资料，使用背场层厚5nm；薄膜背场带隙宽度1.74eV；薄膜背场的掺杂浓度为1E20 cm^-3作为参考背场。每一层的材料和参数设置如图2、3、4所示。 图2 太阳能电池第一层的参数 图3 太阳能电池第二层的参数 图4 太阳能电池第三层的参考参数 4.1.2 太阳能电池模拟结果对比 使用参考背场进行I-V模拟与未加背场的太阳能电池，在光照后对比开路电压，短路电流，填充因子，转化效率，四项指标，转化效率越高越好。未加背场的模拟结果如图5所示。 图5 未加背场的太阳能电池I-V模拟图 模拟结果为开路电压652.3mV，短路电流38.53mA/com2，填充因子83.19%，转化效率20.91%。 加参考背场后的模拟结果如图6所示 图6 加背场后的太阳能电池I-V模拟图 模拟结果为开路电压793mV，短路电流41.07mA/com2，填充因子87.07%，转化效率2