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新型硅基薄膜太陽能電池器件的設計與模擬_畢業論文-文庫吧

2023-08-20 17:55 本頁面


【正文】 IL () 圖 光電池的伏安特性 根據 pn 結整流方程,在正向偏壓下,通過結的正向電流為: IF=IS[exp(qV/kT)1] () 其中: V 是光生電 壓, IS 是反向飽和電流。 左圖分別是無光照和有光照時的光電池的伏安特性曲線。 湖北大學本科畢業論文(設計) 3 描述太陽能電池的參數 不論是一般的化學電池還是太陽能電池,其輸出特性一般都是用下圖所示的電流 電壓曲線來表示。由光電池的伏安特性曲線,可以得到描述太陽能電池的四個輸出參數 圖 光電池的伏安特性曲線 ( 1)開路電壓 Voc 在 pn結開路情況下( R=∞),此時 pn 結兩端的電壓即為開路電壓 Voc。 這時, I=0,即: IL=IF。將 I=0代入光電池的電流電壓方程,得開路電壓為: ? ?? ?1lnSL ?? IIqkTV oc () ( 2)短路電流 Isc 如將 pn結短路( V=0),因而 IF=0,這時所得的電流為短路電流 Isc。顯然,短路電流等于光生電流,即: Isc=IL () (3)填充因子 FF 在光電池的伏安特性曲線任意工作點上的輸出功率等于該點所對應的矩形面積,其中只有一點是輸出最大功率,成為最佳工作點,該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓 Vop 和最佳工作電流 Iop。填充因子定義為: scocscocpp IVPIV VIFF m a xoo ?? () 它表示了最大輸出功率點所對應的矩形面積中所占的百分比。特性好的太陽能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽能電池,也就是 Voc, Isc 和 FF乘積較大的電池。對于有合適效率的電池,該值應在 。 ( 4)太陽能電池的能量轉化效率 Eff 表示入射的太陽光能量有多少能轉換為有效地電能。即: Eff=(太陽能電池的輸出功率 /入射的太陽光功率) *100% = ( Vop*Iop/Pin*S) *100% = Voc*Isc*FF/(Pin*S) 湖北大學本科畢業論文(設計) 4 其中 Pin是入射光的能量密度, S為太陽能電池的面積,當 S是整個太陽能電池面積時, Eff成為實際轉換效率,當 S是指電池中的有效發電面積時, Eff叫本征轉換效率。 影響太陽電池轉換效率的因素 一、禁帶亮度 Voc隨 Eg的增大而增大,但另一方面, Jsc隨 Eg的增大而減小。結果是可期望在某一個確定的Eg隨處出現太陽電池效率的峰值。 二、溫度 隨溫度的增加,效率 Eff下降。 Isc對溫度 T很敏感,溫度還對 Voc起主要作用。 對于 Si,溫度每增加 1℃, Voc 下降室溫值的 %, Eff 也因而降低約同樣的百 分數。例如,一個硅電池在 20℃時的效率為 20%,當溫度升到 120℃時,效率僅為 12%。又如 GaAs電池,溫度每升高1℃, Voc降低 或降低 %。 三、復合壽命 希望載流子的復合壽命越長越好,這主要是因為這樣做 Isc大。在間接帶隙半導體材料如 Si中,離結 100um 處也產生相當多的載流子,所以希望它們的壽命能大于 1us。在直接帶隙材料,如 GaAs或 Gu2S中,只要 10ns的復合壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并增大 Voc。 達到長壽命的關鍵是在材料制備和電池的生產過程中,要避免形成復合中心。 在加工過程中,適當而且經常進行工藝處理,可以使復合中心移走,因而延長壽命。 四、光強 將太陽光聚焦于太陽電池,可使一個小小的太陽電池產生出大量的電能。設想光強被濃縮了 X倍,單位電池面積的輸入功率和 Jsc 都將增加 X倍,同時 VOC也隨著增加 (kT/q)lnX 倍。因而輸出功率的增加將大大超過 X倍,而且聚光的結果也使轉換效率提高了。 五、摻雜濃度及剖面分布 對 Voc 有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然 Nd和 Na 出現在 Voc定義的對數項中,它們的數量級也是很容易改變的。摻雜濃度愈高, Voc 愈高。一種稱為重摻雜效應 的現象近年來已引起較多的關注,在高摻雜濃度下,由于能帶結構變形及電子統計規律的變化,所有方程中的 Nd 和 Na都應以( Nd) eff和( Na) eff代替。既然( Nd) eff和( Na) eff顯現出峰值,那么用很高的 Nd和Na不會再有好處,特別是在高摻雜濃度下壽命還會減小。 目前,在 Si太陽電池中,摻雜濃度大約為 1016cm3,在直接帶隙材料制做的太陽電池中約為 1017 cm3,為了減小串聯電阻,前擴散區的摻雜濃度經常高于 1019 cm3,因此重摻雜效應在擴散區是較為重要的。 當 Nd和 Na或( Nd) eff和( Na) eff不均勻且朝著結的方向降低時,就會建立起一個電場,其方向能有助于光生載流子的收集,因而也改善了 ISC。這種不均勻摻雜的剖面分布,在電池基區中通常是做不到的;而在擴散區中是很自然的。 圖 高摻雜效應 湖北大學本科畢業論文(設計) 5 六、表面復合速率 低的表面復合速率有助于提高 Isc,并由于 Is的減小而使 Voc 改善。前表面的復合速率測量起來很困難,經常被假設為無窮大。一種稱為背表面場( BSF)電池設計為,在沉積金屬接觸之前,電池的背面先擴散一層 P+附加層。圖 表示了這種結構,在 P/P+界面 圖 背 表面場電池 存在一個電子勢壘,它容易做到歐姆接觸,在這里電子也被復合,在 P/P+界面處的復合速率可表示為 ??????npnnaan LWLDNNS c o th () 其中 N+a, Dn+和 Ln+分別是 P+區中的摻雜濃度、擴散系數和擴散長度。如果 Wp+=0,則 Sn=∞,正如前面提到的。如果 Wp+與 Ln+能比擬,且 N+aNa,則 Sn可以估計零, Sn對 JSC、 Voc和 Eff的影響見圖 。當 Sn很小時, Jsc和 Eff都呈現出一個峰。 圖 背表面復合速率對電場參數的影響 七、串聯電阻 在任何一個實際的太陽電池中,都存在著串聯電阻,其來源可以是引線、金屬接觸柵或電池體電阻。不過通常情況下,串聯電阻主要來自薄擴散層。 PN結收集的電流必須經過表面薄層再流入最靠近的金屬導線,這就是一條存在電阻的路線,顯然通過金屬線的密布可以使串聯電阻減小。一定的串聯電阻 RS的影響是改變 I- V曲線的位置。 如 左 圖 ,在P/P+結處的電場妨礙電子朝背表面流動 湖北大學本科畢業論文(設計) 6 八、金屬柵和光反射 在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。為了使 Isc最大,金屬柵占有的面積應最小。為了使 RS小,一般是使金屬柵做成又密又細的形 狀。因為有太陽光反射的存在,不是全部光線都能進入 Si中。裸 Si表面的反射率約為 40%。使用減反射膜可降低反射率。對于垂直地投射到電池上的單波長的光,用一種厚為 1/4 波長、折射率等于 n ( n 為 Si 的折射率)的涂層能使反射率降為零。對太陽光,采用多層涂層能得到更好的效果。 2 模擬軟件 AMPS1D 的介紹 AMPS1D ( A OneDimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structrues)軟件 ,即一維光電子和微電子器件結構分析模擬程序 ,是由美國賓西法尼亞州立大學電子材料工藝研究實驗室提供的一維固體器件模擬軟件。 AMPS 采用牛頓-拉普拉斯方法在一定邊界條件下數值求解聯立的泊松方程、電子和空穴的連續性方程,可以用來計算光伏電池、光電探測器等器件的結構與輸運物理特性。 AMPS的主要目的是研究材料性質(如帶隙、親和勢、摻雜濃度、遷移率、體內和表面能帶狀態缺陷分布)以及材料的設計及結構如何影響器件的物理特性,以及器件對光、偏壓、以及溫度的 響應。 AMPS允許使用者通過發覺和比較能帶圖,電流分量,載流子的復合、產生,電場分布圖,學會器件為什么對給定的條件會有特定的響應。 如圖 ,為 AMPS的界面: 圖 ( a) AMPS主界面 湖北大學本科畢業論文(設計) 7 圖 ( b) 器件各層的參數設置界面 圖 ( c) 器件各層的光譜特性 AMPS1D 可以用來模擬一系列的器件結構,如: ? 同質、異質 pn 結、 pin 結的太陽能電池以及探測器 ? 同質、異質 pn 結、 pin 結、 nin 結及 pip 結的微電子結構 ? 多結太陽能電池結構 ? 多結微電子結構 ? 多級結構的探測器和太陽能 電池結構 ? 多級結構的微電子結構 ? 新型微電子、光伏效應、光電感應器件結構 ? 具有可選襯底層的肖特基勢壘器件 湖北大學本科畢業論文(設計) 8 從 AMPS提供的解決方案來看,輸出比如黑暗環境或光照條件下的 IV特性都可以得到,這些可以被當做溫度的函數來計算。對于太陽能電池和二極管結構,作為偏壓、光照以及溫度函數的收集效率也能夠得到。另外,如作為位置函數的電場分布、自由和束縛載流子濃度、復合特性、單獨的載流子流密度也可以能從 AMPS 中得到。如先前所給出的, AMPS 的多功能性可以用來分析大量不同種類器件的輸運特性,比如單晶硅、多晶硅或非晶硅層的器件 。 AMPS是設計用來分析設計優化器件結構,比如微電子結構、光電子結構和光電器件。 3 單晶硅太陽能電池的設計與模擬 單晶硅太陽能電池的研究概況及單晶硅性質 硅系列太陽能電池中,單晶硅大陽能電池轉換效率最高,技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的?,F在單晶硅的電地工藝己近成熟,在電池制作中,一般都采用表面織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術,開發的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區摻雜 工藝。在此方面,德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統研究所保持著世界領先水平。該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化,制成倒金字塔結構。并在表面把 13nm 厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合.通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率:通過以上制得的電池轉化效率超過 23%,是大值可達 23. 3%。 Kyocera 公司制備的大面積( 225cm2)單電晶太陽能電池轉換效率為 19. 44%,國內北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發,研制的平面高效單晶硅電池( 2cm X 2cm)轉換效率達到 %,刻槽埋柵電極晶體硅電池( 5cm X 5cm)轉換效率達 %。 單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的,在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位,但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響,致使單晶硅成本價格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節省高質量材料,尋找單晶硅電池的替代產品,現在發展了薄膜太陽能電池,其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表 單晶硅特性:熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核,如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒,則這些晶粒平行結 合起來便結晶成單晶硅。單晶硅具有準金屬的物理性質,有較弱的導電性,其電導率隨溫度的升高而增加,有顯著的半導電性。超純的單晶硅是本征半導體。在超純單晶硅中摻入微量的Ⅲ A 族元素,如硼可提高其導電的程度,而形成 p 型硅半導體;如摻入微量的Ⅴ A 族元素,如磷或砷也可提高導電程度,形成 n 型硅半導體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。下圖為單晶硅晶胞結構: 圖 單晶硅的晶胞結構 湖北大學本科畢業論文(設計) 9 設計與模擬結果 單晶硅的性能參數 表 單 晶硅的性能參數 介電常數 本征載流子濃度( cm3) *1010 電子遷移率( cm2/V/s) 1450 空穴遷移率( cm2/V/s) 500 禁帶寬度( eV)( 300k) 載流子壽命( us) ≈ 130 導帶有效狀態密度 Nc( cm3) *1019 導帶有效狀態密度 Nv( cm3) *1019 電子親和能( eV) 功函數( eV) 單結型改變厚度 考慮頂層為 N區的情況(如 圖 ),固定 N區厚度, P 區厚度從小到大,依次增加,模擬中,所用參數如下: 表 頂層為 n型單結單晶硅太陽能厚度改變時電池參數設置 前端接觸電勢 PHIBO( eV) 前端電子復合速率 SNO(cm/s) +07 前端空穴復
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