n-p型高效异质结太阳能电池的模拟

武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书目录1 技术要求 1 2 基本原理 1 2.1 软件支持 1 2.2 n-p 型异质结原理及相关特性 . 1 2.3 异质结太阳电池原理 2 3 参数描述 2 3.1 物理模型 2 3.2 主要测量参数描述 3 4 调试过程及结论 4 4.1 太阳电池相关参数的设定 4 4.2 发射层厚度对电池性能的影响 6 4.3 本征层对光伏性能的影响 7 4.3.1 本 征层厚度的影响 . 7 4.3.2 本 征层能隙宽度的影响 . 9 4.4 界面态对电池光伏性能的影响 . 10 4.5 结论 . 12 5 心得体会 . 12 6 参考文献 . 13 武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书1 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2.1 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 异质结能带图武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书2 其基本特性： (1) 量子效应：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，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 物理模型武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书3 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 AM 1.5,100 mW/cm2， 有效波段范围 0.38-1.10 μ m。ITO N-a-SiH i-a-SiH p-c-Si Al 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 11.9 11.9 11.9 电子亲和势（ eV） 3.9 4 4.05 能隙宽度（ eV） 1.72 1.72 1.12 导带态密度 Nc（ cm-3） 1020 1020 2.8 · 1019 价带态密度 Nv（ cm-3） 1020 1020 1.04 · 1019 电子迁移率（ cm2· （ V· s） -1） 10 10 1040 空穴迁移率（ cm2· （ V· s） -1） 3 3 412 受主浓度 NA（ cm-3） 2.49 · 1019 0 0 施主浓度 ND（ cm-3） 0 1000 1.5 · 1016 电子热速度（ cm· s-1） 107 107 107空穴热速度（ cm· s-1） 107 107 107层密度（ g· cm-3） 2.328 2.328 2.328 电子俄歇复合系（ cm6s-1） 0 0 2.2 · 10-31 空穴俄歇复合系（ cm6s-1） 0 0 9.9 · 10-32 带间复合系数（ cm3s-1） 0 0 0 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。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。武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书4 （ 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 ( IoptVopt ) 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武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书5 图 4.2 太阳电池第一层参数图 4.3 太阳电池第二层参数武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书6 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。武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书7 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 2.3 mV 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。武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书8 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 4.7 所示为当本征层厚度设定为 5nm 是的 I- V 特性曲线，无背场和陷光效应。图 4.7 本征层为 5nm 时的 I- V 特性曲线武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书9 此时 n- p 型异质结太阳电池的特性参数为： Voc=652.3 mV， Jsc=38.72 mA/ cm2，FF=83.17%， Eff=21.01%。4.3.2 本征层能隙宽度的影响实验可以通过沉积参数来控制材料的晶化度，不同晶化度的硅材料能隙宽度也不同，不同的能隙宽度的薄膜材料对太阳电池光伏特性会有不同的影响，为了找到合适的能隙宽度可以成就最大的光电转换效率，我们首先模拟计算非晶硅对太阳电池光伏特性的影响，只能改变本征层能隙宽度，保持发射层和界面层参数不变。图 4.8 到图 4.11 给出了不同本征层非晶硅能隙宽度时太阳电池的性能参数。图 4.8 能隙宽度对转换效率的影响图 4.9 能隙宽度对填充因子的影响图 4.10 能隙宽度对短路电流的影响2020.52121.50.8 1 1.2 1.4 1.6 1.72 1.8 2Eff/%607080900.8 1 1.2 1.4 1.6 1.72 1.8 2FF/%3738390.8 1 1.2 1.4 1.6 1.72 1.8 2Jsc/mA·cm2武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书10 图 4.11 能隙宽度对开路电压的影响从以上几幅图可以看出，在掺杂浓度和界面缺陷态密度一定的情况下，能隙宽度的变化对开路电压的影响最大，转换效率和填充因子也有细微变化，对短路电流影响最小，基本无变化。随着能隙宽度的增加，开路电压从 450mV 增加到了 647.2 mV。这是由于非晶硅和晶体硅之间存在一定高度的势垒，因此异质结中的载流子在界面的隧穿几率较小，从而使得 pn结反向饱和电流减小，提高了开路电压。4.4 界面态对电池光伏性能的影响以上是在理想情况下对异质结太阳电池的模拟计算，但在实际的太阳电池的生产过程中，界面态的影响是不容忽视的。界面态主要是由于晶体的周期性在界面处发生变化，在导带与价带之间的带隙中产生了很多能级，这些能级会影响半导体的电学特性。本文假设在 i 层非晶硅和 p 型晶体硅衬底界面处插入界面缺陷态。界面态在带隙中设定为连续类施主态和连续类受主态，呈平均分布，电子和空穴俘获截面均为 1014cm2，界面缺陷态密度在 109-10 14cm-2· eV-1 之间，其对电池光伏特性的影响如下几图所示。图 4.12 界面态密度对转换效率的影响4506500.8 1 1.2 1.4 1.6 1.72 1.8 2Voc/mV914199 10 11 12 13 14Eff/%武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书11 图 4.13 界面态密度对填充因子的影响图 4.14 界面态密度对短路电流的影响图 4.15 界面态密度对开路电压的影响从以上几幅图可以看出，当界面态密度 Dit ? 1011cm-2· eV -1 时，太阳电池性能几乎不受界面态的影响，效率仍然保持在 19%左右，与无界面态时转换效率接近；但当界面态密度 Dit? 1011 cm-2· eV-1 之后，太阳电池的开路电压下降幅度增大，但短路电流几乎保持不变。开路电压的减少主要来自 pn结反向饱和电流的增加。由于界面缺陷态的增加，载流子在界面处的复合几率增大，导致漏电电流的增加，从而降低了开路电压和填充因子。因此为获得高效率的太阳电池，需要采用表面钝化的方法，如等离子体辅助 H 钝化等，尽可能将界面缺陷态控制在 1011cm-2· eV-1 以下。这是在改变 i- p 之间的界面态密度得到的结果，同时发现在改变 n- i 之间的界面态密度时得到的效果基本没有什么变化。607080909 10 11 12 13 14FF/%3738399 10 11 12 13 14Jsc/mA·cm24506509 10 11 12 13 14Voc/mV武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书12 4.5 结论通过数值模拟运算，分析讨论了界面态密度、能隙宽度、发射层和本征层厚度等对太阳电池性能的影响。在其他参数不变的情况下，插入较薄的本征层，转换效率增加，但本征层厚度继续增加是，短路电流密度减小，效率也随之降低。本征层的能隙宽度的变化对短路电流影响较大，随能隙宽度增加，短路电流先增加，但当能隙宽度大于某一特定值时，短路电流开始下降。综合模拟的参数分析，在低界面缺陷态密度和合适的掺杂浓度下，插入能隙宽度为 1.72 eV，厚度约为 5nm 的本征层，在没有减反层、陷光结构和 背 场 时 ， 可 以 得 到 性 能 最 高 为 ： Voc=652.3 mV ， Jsc=38.72 mA/ cm2 ， FF=83.17%，Eff=21.01%。5 心得体会通过这两周的课程设计与实践，我再次复习了半导体物理的相关知识。同时也对太阳电池的相关原理和设计过程有了更加深刻的认识。学习使用 Afors-het 软件对异质结太阳电池的模拟占用了相当一部分时间。当然与此同时夜培养了自己的自学能力和解决问题的能力。在拿到任务书后，首先面临的问题就是模拟软件的使用。 Afors-het 是一款德国设计的软件，用的人较少，所以没有相关的汉化包。其中很多词汇是德语，所以即使使用有道翻译也不能解决很多问题。自己摸索了几天后还是在预答辩时通过老师的演示才了解了其基本的一些使用。第二步是查阅参考资料，对异质结太阳电池原理和其影响因素有了一定的认识，特别是各层参数的意义。就这次课设而言，我觉得还是比较有难度的。首先体现在对软件的使用上，之前没有接触过相关的软件，因此要从头学起，又由于是德国软件更加深了学习的难度，要熟练掌握课设中要求使用的模块。其次是太阳电池的设计模拟，其中涉及到不少参数的调试，因此要控制好模拟中的变量，使得模拟结果达到理想效果。在模拟计算之后，我得到的最佳转换效率在 21.01%，虽然相比与其他同学的结果有些低，但是这是我通过反复模拟的结果，其中的差距只能说明我的相关模拟还有改进的地方，有不少不足和薄弱环节，有更多需要学习的地方。武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理）》课程设计说明书13 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．在此感谢我们的陈凤祥老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次异质结太阳电池的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教 , 我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。6 参考文献[1] 刘恩科，朱秉升，罗晋生 著 . 《半导体物理学》 . 电子工业出版社， 2008 年 5 月[2] 任丙彦，王敏花等 . AFORS-HET 软件模拟 N 型非晶硅 / P型晶体硅异质结太阳电池 . 太阳能学报， 2008， 29（ 2）： 0254-0096 [3] 汪礼胜，陈凤祥，艾雨 . 基于 AFORS-HET 的高效异质结太阳电池的模拟 . 武汉理工大学理学院物理科学与技术系， 2008