同型异质结的太阳能电池研究
同型异质结的太阳能电池研究[20200408094709]
摘 要
HIT是日本三洋公司最早开始研发的一种异质结太阳能电池[1]，如今利用等离子体化学沉积技术制备硅薄膜的太阳电池，通过优化能带结构、非晶硅层，使其具有高效低成本的优点。
本文采用顶层禁带较宽的P型非晶硅薄膜作光吸收层与多晶硅衬底构成异质结，且由底层禁带较窄的多晶硅作光吸收层。P型非晶硅薄膜与多晶硅的P区形成P-P同型异质结，与多晶硅中的PN结共用一个P型多晶硅层。不同于HIT多层多结的结构模型，此结构减少了一个电池间界面，从而消除间界面中电流的复合作用，以此提高光电转换效率。该电池对比普通多晶硅电池，其光谱响应优化，开路电压增强。通过对阳光光谱全波段仿真，其光谱响应强度的积分提高约2%。随着非晶硅薄膜厚度的增加，在300-850nm波段光谱响应强度开始减小，大于850nm波长，光谱响应强度开始增强。
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关键字:多晶硅异质结PN结太阳能电池
目 录
第一章 绪 论 1
1.1本课题研究的意义 1
1.2太阳能电池研究领域现状 1
1.2.1 光—热—电转换 2
1.2.2 光—电转换 2
1.3太阳能电池发展趋势 2
第二章 异质结太阳能电池分类 4
2.1太阳能电池原理 4
2.2光电转换过程 4
2.3太阳能电池的种类 7
2.4异质结太阳能电池在国内外的研究现状 9
2.4.1国外异质结太阳电池 9
2.4.2国内异质结太阳电池 11
第三章 普通晶硅太阳能电池模型的建立与参数分析 13
3.1 SILVACO TCAD简介[12] 13
3.2 Silvaco进行模型建立 14
第四章 设计硅基叠层太阳能电池模型 17
4.1模型建立 17
4.2电池光谱响应仿真 18
4.3开路电压仿真 21
4.4薄膜厚度对电池光谱响应的影响 22
总 结 23
参考文献 24
感 谢 25
第一章 绪 论
1.1本课题研究的意义
随着全球经济的快速发展、人口的持续激增以及社会发展水平的不断提高，人类使用的主要能源为石油，天然气，煤炭等一次能源消的耗持续增加，然而化石能源的消耗终将达到地球储量的极限。研究探明，地球上现有的能源储备已经接近枯竭。对将来社会的可持续发展带不可估量的危害。而大量使用化石燃料还对大气环境释放大量二氧化碳等，对环境影响巨大，也影响了很多生物品种的繁衍。因此世界各国加紧开发清洁能源来替换石油，煤炭等化石燃料。例如使用风能发电，利用海洋潮汐能来发电，通过生物能制造清洁燃料。核能的发电技术研
究较多，但其一旦发生泄漏对环境产生的污染将不可估计。太阳能是一种储量巨大的可再生清洁能源[2]，其每天辐射到达地球大地的能量非常巨大，太阳也是形成其他能源的重要推动因素，比如风能就是地球表面吸收热量不均匀，空气流动形成的。海洋潮汐也是由于太阳，月亮地球运动万有引力产生的。当前全球能源结构主要为石油，煤，天然气。太阳能及其他能源所占比例很小，这些新能源对于传统能源还有非常大的发展空间，因此合理开发利用太阳辐射能，不仅可以有效的减少环境的污染，并对全球的能源结构起着重要的影响。
太阳能资源丰富，几乎可以照射到所有的地方，而且阳光清洁，不限量使用。但是也存在着不可避免的不足。其辐射量全球各地区分部不均匀，且受到季节和天气等环境因素的影响。可以高效廉价的利用太阳能，正是现在研究的目的。发电是使用太阳能最佳途径,制作太阳电池可以将光能转换成电能。而太阳电池的制造技术从无到有，从无机到有机技术也有着快速的发展。
1.2太阳能电池研究领域现状
对于开发利用太阳能，在较早的时期人们利用太阳辐射热能。然而利用半导体材料的光生伏打效应成功制备单晶硅太阳电池则是在1954年美国贝尔实验室。太阳能之父Martin A. Green将太阳能电池划分为三代：以单晶、多晶等晶体硅基的第一代太阳能电池。第二代为代表的太阳能电池有铜铟镓硒(CIGS)、CdTe以及硅薄膜。而现在研究的第三代新型太阳电池：叠层太阳能电池，利用不同材料带隙宽度不同的特点，见这些材料按照禁带宽带从宽到窄往外层叠，宽带隙的材料优先吸收短波长光能，以此类推。通过这样的组合方式制作的太阳电池将不会局限于某一波段的阳光，可以充分利用到阳光了。量子点太阳能电池利用纳米技术以及量子效应，理论分析该种电池可以达到66%左右的光电转换效率。还包括有热载流子太阳能电池和上下转换太阳能电池等。
太阳能电池按照晶体结晶形式不同，可分为晶体系薄膜和非晶系薄膜两类，晶体按照其内部晶格排列方式不同还可以分成单晶和多晶。
太阳发电有两种形式[3]，一种是通过光能转换成热能，在转换成电的方式，另一种是光子转换成电子。
1.2.1 光—热—电转换
这种发电模式是通过集热装置，吸收太阳辐射热能转换成蒸汽动能，然后推动涡轮机发电。整个过程中先利用光能转换成热能，再利用热能转换成发电的动能，与火力发电过程相似，这就是光—热—电转换，其缺点是效率很低而耗费昂贵的设备，有研究表明，太阳能热电站的发电功率在1000MW左右的，投资建设的资金大概需要20个亿至25个亿美元，计算到每千瓦的投资平均为2000美元到2500美元，其相对于热电站的建设投资高出5至10倍的平均水平[4]。因此，太阳能热电站只在一些特殊的场合，小规模地应用，如果大规模建设将耗费资金过高，其优点不足够媲美普通的火电站或者核电站。
1.2.2 光—电转换
光电转换的过程是将光子将能量传递给材料内部的电子，电子受到激发跃迁，电子定向运动从而形成电流，将太阳能转变为直流电，也就是光生伏特效应。使用某些材料的光生伏特效应，将光能转换成电能，在发电过程中污染值很低。而能够产生光伏效应的材料所接受的阳光辐射并不是全波段，材料中的电子达到跃迁程度，需要吸收的光子能量大于要跃迁的禁带的宽度才行。故只有部分光波的能量能激发跃迁。因为电子跃迁产生光生电动势，所以太阳能电池发电过程不会产生CO2等温室气体，对环境影响小。具有光电效应的材料如硅材料（单晶、多晶、非晶），化合物半导体（砷化镓、铜铟硒）和其他有机材料可产生光伏效应。
1.3太阳能电池发展趋势
太阳电池技术发展至今，高效率和低成本这两大主题一直是各国研究的重点。而薄膜电池从一出现就以成本低廉的特点成了人们关注的焦点，当前能够实现规模化产业化生产的薄膜电池有三类，硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CDTE）。而研发技术发展最快的是硅薄膜电池。
硅基系列太阳能电池在太阳能光伏产业中几乎占据了整个市场。硅基系列太阳能电池的科研和开发已受到高度关注。晶体硅太阳能电池因为它的光电转换效率高，制造工艺过程完整，受到多方关注，所以硅太阳电池的应用越来越广，但是考虑到晶体硅太阳能电池所需的电池能耗大，导致价格上升，成本太大。而硅基薄膜近几年的制备技术提高明显，作为一种新型硅基太阳电池，利用PECVD技术能够在衬底上实现大范围、集中沉积，所用的材料也比晶体硅太阳能电池减少很多。因此人们为了降低硅基系列太阳能电池的制备成本，开始致力于薄膜太阳能电池制备的研究。
太阳能电池内部传输能量的形式是电子、光子以及声子。在电池表面小范围内进行光子和电子间能量的相互作用，这是薄膜太阳能电池制备的前提条件。
为了收集太阳光，让太阳能使用在平时的生活中，通常需要太阳能电池器件表面的面积要大。为了减小成本，发展薄膜太阳能电池就显得很重要。与晶硅太阳电池相比较，在相同的测试条件下，薄膜太阳能电池的转换效率较低。这是因为非晶硅材料的特性导致的。非晶硅材料中的缺陷密度大，导致电子-空穴对在薄膜中的复合率高，从而降低了电池的转换效率。但是，由于薄膜太阳能电池能够淀积在各种类型的衬底甚至可用柔性衬底，具有了性价比高的特点，成为了继晶体硅太阳能电池后的第二代太阳能电池。
第二章 异质结太阳能电池分类
2.1太阳能电池原理
当N型半导体与P型半导体通过工艺操作，掺杂质的方法组合到一起时，在两者接触的交界处就形成了PN结。P-N结的光生伏特效应是太阳电池的发电原理。刚形成的P-N结P区空穴多，N区电子多，由于浓度差进行扩散，在两端形成势垒，形成内建电场。因为内建电场所引起的漂移运动和电子的自由扩散运动，让PN结中间的地方形成一个薄薄的电荷区，这称为空间电荷区，也叫耗尽层。形成内建电场；在热平衡时，内建电场形成的漂移电流，完全被结两端自由活动的载流子构成的浓度梯度形成的扩散电流平衡。太阳光照在PN结上，当内建电场超过某固定值，载流子将获取到充足的动能，并通过碰撞晶格及断裂键在PN结的附近产生的电子空穴对，此时光能大于PN结的禁带宽度。PN结的电子和空穴在消失之前，将经过空间电荷区内的自建电场作用被各自隔开，使电子N区移动，空穴P区移动。电子和空穴隔离以后，会在P与N区域中形成一个对外的能够测量的电压。把负载连在太阳能电池的两边，导出两边的电极，这会产生电流，最终获得能够使用的电能。这就是太阳电池的工作原理。如果能把这种电池器件合并起来，拼成一个大型的太阳能电池阵列，就能为人们提供相当大功率的电能。PN结具有单向导电性。一般而言，p-n结可分为同质结与异质结。在一种材料中通过改变掺杂所形成的结称为同质结，有p-n结，p-p结和n-n结。由多种材料组合掺杂构成异质结，包含p-n结，n-p结，p-p结和n-n结。
摘 要
HIT是日本三洋公司最早开始研发的一种异质结太阳能电池[1]，如今利用等离子体化学沉积技术制备硅薄膜的太阳电池，通过优化能带结构、非晶硅层，使其具有高效低成本的优点。
本文采用顶层禁带较宽的P型非晶硅薄膜作光吸收层与多晶硅衬底构成异质结，且由底层禁带较窄的多晶硅作光吸收层。P型非晶硅薄膜与多晶硅的P区形成P-P同型异质结，与多晶硅中的PN结共用一个P型多晶硅层。不同于HIT多层多结的结构模型，此结构减少了一个电池间界面，从而消除间界面中电流的复合作用，以此提高光电转换效率。该电池对比普通多晶硅电池，其光谱响应优化，开路电压增强。通过对阳光光谱全波段仿真，其光谱响应强度的积分提高约2%。随着非晶硅薄膜厚度的增加，在300-850nm波段光谱响应强度开始减小，大于850nm波长，光谱响应强度开始增强。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:多晶硅异质结PN结太阳能电池
目 录
第一章 绪 论 1
1.1本课题研究的意义 1
1.2太阳能电池研究领域现状 1
1.2.1 光—热—电转换 2
1.2.2 光—电转换 2
1.3太阳能电池发展趋势 2
第二章 异质结太阳能电池分类 4
2.1太阳能电池原理 4
2.2光电转换过程 4
2.3太阳能电池的种类 7
2.4异质结太阳能电池在国内外的研究现状 9
2.4.1国外异质结太阳电池 9
2.4.2国内异质结太阳电池 11
第三章 普通晶硅太阳能电池模型的建立与参数分析 13
3.1 SILVACO TCAD简介[12] 13
3.2 Silvaco进行模型建立 14
第四章 设计硅基叠层太阳能电池模型 17
4.1模型建立 17
4.2电池光谱响应仿真 18
4.3开路电压仿真 21
4.4薄膜厚度对电池光谱响应的影响 22
总 结 23
参考文献 24
感 谢 25
第一章 绪 论
1.1本课题研究的意义
随着全球经济的快速发展、人口的持续激增以及社会发展水平的不断提高，人类使用的主要能源为石油，天然气，煤炭等一次能源消的耗持续增加，然而化石能源的消耗终将达到地球储量的极限。研究探明，地球上现有的能源储备已经接近枯竭。对将来社会的可持续发展带不可估量的危害。而大量使用化石燃料还对大气环境释放大量二氧化碳等，对环境影响巨大，也影响了很多生物品种的繁衍。因此世界各国加紧开发清洁能源来替换石油，煤炭等化石燃料。例如使用风能发电，利用海洋潮汐能来发电，通过生物能制造清洁燃料。核能的发电技术研
究较多，但其一旦发生泄漏对环境产生的污染将不可估计。太阳能是一种储量巨大的可再生清洁能源[2]，其每天辐射到达地球大地的能量非常巨大，太阳也是形成其他能源的重要推动因素，比如风能就是地球表面吸收热量不均匀，空气流动形成的。海洋潮汐也是由于太阳，月亮地球运动万有引力产生的。当前全球能源结构主要为石油，煤，天然气。太阳能及其他能源所占比例很小，这些新能源对于传统能源还有非常大的发展空间，因此合理开发利用太阳辐射能，不仅可以有效的减少环境的污染，并对全球的能源结构起着重要的影响。
太阳能资源丰富，几乎可以照射到所有的地方，而且阳光清洁，不限量使用。但是也存在着不可避免的不足。其辐射量全球各地区分部不均匀，且受到季节和天气等环境因素的影响。可以高效廉价的利用太阳能，正是现在研究的目的。发电是使用太阳能最佳途径,制作太阳电池可以将光能转换成电能。而太阳电池的制造技术从无到有，从无机到有机技术也有着快速的发展。
1.2太阳能电池研究领域现状
对于开发利用太阳能，在较早的时期人们利用太阳辐射热能。然而利用半导体材料的光生伏打效应成功制备单晶硅太阳电池则是在1954年美国贝尔实验室。太阳能之父Martin A. Green将太阳能电池划分为三代：以单晶、多晶等晶体硅基的第一代太阳能电池。第二代为代表的太阳能电池有铜铟镓硒(CIGS)、CdTe以及硅薄膜。而现在研究的第三代新型太阳电池：叠层太阳能电池，利用不同材料带隙宽度不同的特点，见这些材料按照禁带宽带从宽到窄往外层叠，宽带隙的材料优先吸收短波长光能，以此类推。通过这样的组合方式制作的太阳电池将不会局限于某一波段的阳光，可以充分利用到阳光了。量子点太阳能电池利用纳米技术以及量子效应，理论分析该种电池可以达到66%左右的光电转换效率。还包括有热载流子太阳能电池和上下转换太阳能电池等。
太阳能电池按照晶体结晶形式不同，可分为晶体系薄膜和非晶系薄膜两类，晶体按照其内部晶格排列方式不同还可以分成单晶和多晶。
太阳发电有两种形式[3]，一种是通过光能转换成热能，在转换成电的方式，另一种是光子转换成电子。
1.2.1 光—热—电转换
这种发电模式是通过集热装置，吸收太阳辐射热能转换成蒸汽动能，然后推动涡轮机发电。整个过程中先利用光能转换成热能，再利用热能转换成发电的动能，与火力发电过程相似，这就是光—热—电转换，其缺点是效率很低而耗费昂贵的设备，有研究表明，太阳能热电站的发电功率在1000MW左右的，投资建设的资金大概需要20个亿至25个亿美元，计算到每千瓦的投资平均为2000美元到2500美元，其相对于热电站的建设投资高出5至10倍的平均水平[4]。因此，太阳能热电站只在一些特殊的场合，小规模地应用，如果大规模建设将耗费资金过高，其优点不足够媲美普通的火电站或者核电站。
1.2.2 光—电转换
光电转换的过程是将光子将能量传递给材料内部的电子，电子受到激发跃迁，电子定向运动从而形成电流，将太阳能转变为直流电，也就是光生伏特效应。使用某些材料的光生伏特效应，将光能转换成电能，在发电过程中污染值很低。而能够产生光伏效应的材料所接受的阳光辐射并不是全波段，材料中的电子达到跃迁程度，需要吸收的光子能量大于要跃迁的禁带的宽度才行。故只有部分光波的能量能激发跃迁。因为电子跃迁产生光生电动势，所以太阳能电池发电过程不会产生CO2等温室气体，对环境影响小。具有光电效应的材料如硅材料（单晶、多晶、非晶），化合物半导体（砷化镓、铜铟硒）和其他有机材料可产生光伏效应。
1.3太阳能电池发展趋势
太阳电池技术发展至今，高效率和低成本这两大主题一直是各国研究的重点。而薄膜电池从一出现就以成本低廉的特点成了人们关注的焦点，当前能够实现规模化产业化生产的薄膜电池有三类，硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CDTE）。而研发技术发展最快的是硅薄膜电池。
硅基系列太阳能电池在太阳能光伏产业中几乎占据了整个市场。硅基系列太阳能电池的科研和开发已受到高度关注。晶体硅太阳能电池因为它的光电转换效率高，制造工艺过程完整，受到多方关注，所以硅太阳电池的应用越来越广，但是考虑到晶体硅太阳能电池所需的电池能耗大，导致价格上升，成本太大。而硅基薄膜近几年的制备技术提高明显，作为一种新型硅基太阳电池，利用PECVD技术能够在衬底上实现大范围、集中沉积，所用的材料也比晶体硅太阳能电池减少很多。因此人们为了降低硅基系列太阳能电池的制备成本，开始致力于薄膜太阳能电池制备的研究。
太阳能电池内部传输能量的形式是电子、光子以及声子。在电池表面小范围内进行光子和电子间能量的相互作用，这是薄膜太阳能电池制备的前提条件。
为了收集太阳光，让太阳能使用在平时的生活中，通常需要太阳能电池器件表面的面积要大。为了减小成本，发展薄膜太阳能电池就显得很重要。与晶硅太阳电池相比较，在相同的测试条件下，薄膜太阳能电池的转换效率较低。这是因为非晶硅材料的特性导致的。非晶硅材料中的缺陷密度大，导致电子-空穴对在薄膜中的复合率高，从而降低了电池的转换效率。但是，由于薄膜太阳能电池能够淀积在各种类型的衬底甚至可用柔性衬底，具有了性价比高的特点，成为了继晶体硅太阳能电池后的第二代太阳能电池。
第二章 异质结太阳能电池分类
2.1太阳能电池原理
当N型半导体与P型半导体通过工艺操作，掺杂质的方法组合到一起时，在两者接触的交界处就形成了PN结。P-N结的光生伏特效应是太阳电池的发电原理。刚形成的P-N结P区空穴多，N区电子多，由于浓度差进行扩散，在两端形成势垒，形成内建电场。因为内建电场所引起的漂移运动和电子的自由扩散运动，让PN结中间的地方形成一个薄薄的电荷区，这称为空间电荷区，也叫耗尽层。形成内建电场；在热平衡时，内建电场形成的漂移电流，完全被结两端自由活动的载流子构成的浓度梯度形成的扩散电流平衡。太阳光照在PN结上，当内建电场超过某固定值，载流子将获取到充足的动能，并通过碰撞晶格及断裂键在PN结的附近产生的电子空穴对，此时光能大于PN结的禁带宽度。PN结的电子和空穴在消失之前，将经过空间电荷区内的自建电场作用被各自隔开，使电子N区移动，空穴P区移动。电子和空穴隔离以后，会在P与N区域中形成一个对外的能够测量的电压。把负载连在太阳能电池的两边，导出两边的电极，这会产生电流，最终获得能够使用的电能。这就是太阳电池的工作原理。如果能把这种电池器件合并起来，拼成一个大型的太阳能电池阵列，就能为人们提供相当大功率的电能。PN结具有单向导电性
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