np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1 目录1 技术要求 . 32 基本原理 . 32.1 pn结的形成 32.2 pn结的光伏效应 42.3 pn结的电流电压特性 52.3.1 开路电压 . 52.3.2 短路电流 . 52.4 光电转化效率 62.5 影响太阳能电池性能的因素 62.6 相关参数介绍 62.6.1 电子亲和势 . 62.6.2 状态密度 . 72.6.3 迁移率带隙与光学带隙 . 72.6.4 迁移率 . 73 参数描述 . 83.1 Afors-het软件 . 83.2 各层基本参数的意义及选取 . 93.2.1 a-Si(n)层 . 93.2.2 a-Si(i)层 93.2.3 c-Si(p)层 . 103.2.4 其余相关参数设置 . 104 调试过程及结论 114.1 本征层对电池性能的影响 124.1.1 本征层厚度的影响 . 124.1.2 本征层能隙宽度的影响 . 134.2 发射层厚度对电池性能的影响。 144.3 发射层厚度对光谱特性的影响 14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 4.4 界面态的影响 154.5 调试结论 175 心得体会 206 参考文献 20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 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 pn 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。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 图 1 载流子达到平衡示意图2.2 pn 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 2 pn结受光照产生的光电流武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理） 》课程设计说明书5 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 3 pn结作电源的等效电路2.3 pn 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+I p) 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。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 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= eηΦ 0/ h ν其中 Φ 0 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 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。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 3 参数描述3.1 Afors-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：1 Define structure: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。4 calc QE:用于观察光电池的量子效率及光谱响应。5 Parameter Variation: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 6 Afors-het软件主界面武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理） 》课程设计说明书9 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3.2.1 a-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 1019cm-3 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。3.2.2 a-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 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。3.2.3 c-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 0.38~1.10 μm 。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× 1019Nv（ cm-3） 1× 1020 1× 1020 1.4× 1019μ n（ cm2V -1s-1） 5 5 1350 μ p（ cm2V-1s -1） 1 1 450 ND（ cm-3） 1× 1019 0 0 NA （ cm-3） 0 1× 1017 0 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 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 =547.7 mV ， Jsc=43.46 mA/cm 2，FF =80.95%, 能量转 换效 率 =19.27( 未经 过参数 优化 )。 计算 出 Cell results 如 图 9 所 示。图 9 n/p 型异 质结 的 Cell results 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 4.1 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 39.9 mA· 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 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宽度以达到最大的光电转化效率。需要对不同本征层能隙宽度的非晶硅进行研究，找到不同本征层能隙宽度对太阳能光伏电池特性的影响。如图 11 所示， 只改变本征层能隙宽度， 保持发射层以及本征层其他参数不变， 研究本征层能隙宽度对太阳能光伏电池特性的影响，可以看出，当本征层能隙宽度到达 1.5eV 之前，能量转换效率从 18.5%一直提高至 19.5%，本征层能隙宽度超过 1.5eV 后，能量转换效率基本保持稳定 19.7%。 Voc 以及 Jsc也基本在 1.5eV 左右达到稳定。 Voc 近似 650mV， Jsc近似 39.9mA· cm-2。 填充因子 FF 在本征层能隙宽度到达 1.5eV 之后严重下降。 从 82%下降到 76%。其中在掺杂浓度和界面态密度一定的情况下，本征层能隙宽度的变化对开路电压影响最大， 这是由于非晶硅 /晶体硅异质节之间存在一定高度的势垒， 因此异质结中载流子在界面隧穿几率很小，从而使得 pn 结反向饱和电流减小，提高了开路电压。图 11 本征层能隙宽度对太阳能电池性能的影响武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理） 》课程设计说明书14 4.2 发射层厚度对电池性能的影响。发射层 n 层在不同厚度条件下太阳能电池的性能参数如图 12 所示， n/p 型高效异质结太阳能电池的能量转化效率随着发射层厚度的增加从 19.7%逐渐减少。Voc 随着发射层厚度的增加从 645mV 逐渐减少。Jsc 随着发射层厚度的增加从 40mA· cm-2 左右逐渐减少。图 12 发射层厚度对电池性能的影响4.3 发射层厚度对光谱特性的影响如图 13 所示，随着发射层厚度的增大，电池的短波响应逐渐减弱，这一结果将导致短路电流的减少。 进而影响 n/p 型高效异质结太阳能电池的效率。 从图 12 中可以看出随着发射层厚度的增加， n/p 型高效异质结太阳能电池的能量转化效率逐渐减少。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15 图 13 发射层厚度对电池光谱特性的影响4.4 界面态的影响从图 14~图 17 中可以看出，当界面态缺陷密度 Dit <1012cm-2· eV-1 时， n/p 型高效异质结太阳能电池的性能几乎不受界面态缺陷的影响。当界面态缺陷密度从 1012cm-2· eV-1 增加到 1015cm-2· eV-1 时， n/p 型高效异质结太阳能电池的能量转化效率从 19.19%下降到 6.16%。填充因子从 77.01%下降到 68.94%。 Jsc 从39.4mA· cm-2 下降到 19.6mA· cm-2。 Voc 从 638.3mV 下降到 466.4mV。Jsc 的减小是由于光生载流子在界面内复合增加，但由于界面曾很薄， Jsc 减小量较小。Voc 的减小主要是由于 pn 结反向饱和电流的增加，由于界面态密度的增加，载流子在界面复合的几率增大，导致反向饱和电流的增加。0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 IQEλ /nm1nm3nm5nm10nm20nm30nm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16 由此可以看出界面态密度对 n/p 型高效异质结太阳能电池性能影响非常大。为了获得较高效率的太阳能电池应该尽量降低界面态缺陷密度，使其低于 1012cm-2· eV-1。图 14 界面态对能量转换效率的影响图 15 界面态对填充因子的影响05101520253010 11 12 13 14 15η//%log(Dit)/cm -2· eV -1η -Dit6065707580859010 11 12 13 14 15FF//%log(Dit)/cm -2· eV-1FF-Dit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17 图 16 界面态对开路电压的影响图 17 界面态对短路电流的影响4.5 调试结论运用 Afors-het 程序模拟计算了不同本征层厚度、 本征层能隙宽度、 发射层厚度、 以及不同界面态密度等参数等对 n/p 型异质结太阳能电池性能的影响。结果表明 ,在其它参数条件不变的情况下 ,插入较薄本征层 ,有利于转换效率增加 ,但本征层厚度过厚时将导致短路电流密度减少、填充因子与能量转换效率也随之降低。本征层能隙宽度的变化对短路电流影响很大 ,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 ,短路电流饱和后减小。界面态密度的增大会导致开路电压迅速下降，以及能量转换效率的减小。故在设计时1520253035404510 11 12 13 14 15Jsc/mAcm-2log(Dit )/cm -2· eV-1Jsc-Dit40045050055060065070010 11 12 13 14 15Voc/mvlog(Di t)/cm -2· eV-1Voc-Dit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18 要尽量减小界面态密度以提高电池的性能。最终， 通过对每一层各个参数的不断研究， 不断优化， 按照如图 18~图 20 的参数设置，设计出了能量转化效率高达 23.76%的 n/p 型高效异质结太阳能电池。如图 21 所示。图 18 a-Si(n)层参数的设置图 19 a-Si(i)层参数的设置武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理） 》课程设计说明书19 图 20 c-Si(p)层参数的设置图 21 经过优化参数后得到的电池性能武汉理工大学《专业课程设计 3（半导体物理） 》课程设计说明书20 5 心得体会本次以“高效的 n/p 型高效异质结太阳能电池的模拟”为题的课程设计内容充实，不仅使我在课堂上学习到的内容得到了复习与巩固，而且还对我学习使用新软件提供了很大的帮助，起到了很大的作用。虽然之前通过一些课程学习对本次课程设计的题目有一点了解。但是对于做到设计出高效的 n/p 型高效异质结太阳能电池来说，则需要更加细致的掌握专业知识以及更加熟练得利用软件进行研究才能够做得到。在使用 Afors-het 的过程中，遇到了一些功能使用方面的问题，通过与同学们相互探讨，相互学习，对于软件的使用方法有了一定程度的掌握。并且可以顺利解决本次课程设计面临的难题。因此同学间的互相帮助对与高效得完成任务起到了相当大的帮助。在软件调试的过程中，我通过查阅资料，翻阅课本以及在软件本身功能的帮助下，顺利得模拟出了一些参数变化对于 n/p 型高效异质结太阳能电池性能的影响。并且通过不断的优化，使得我最终得到了较为理想能量转化效率。由此我不禁感叹此次用于 n/p 型高效异质结太阳能电池模拟的软件功能之强大。 毕竟如果进行实物研究的话， 需要很大的成本，而一款小小的软件即可帮助人们完成繁重的研究任务。因我总结出如果能够较好地掌握一些软件的使用方法将对我们的学习与研究很起到巨大的推动作用。本次以 n/p 型高效异质结太阳能电池的模拟为题的课程设计在陈老师的指导帮助下得以顺利完成，在此感谢陈老师！6 参考文献[1] 刘恩科 , 朱秉升 , 罗晋生 . 半导体物理学 ( 第 7 版 ). 电子工业出版社 ,2008 [2] 王庆有 . 光电技术 ( 第二版 ). 电子工业出版社 ,2008 [3] 汪文杰，曾学文，施建华 . 光电技术 . 科学出版社， 2009 [4] 任丙彦，王敏花，刘小平 .AFORS-HET软件模拟 N型非晶硅 /P 型非晶硅异质结太阳电池 . 太阳能学报， 2008,01-0125-05