Si3N4掩膜在太阳能电池选择性掺杂工艺中的应用研究(含图纸)
Si3N4掩膜在太阳能电池选择性掺杂工艺中的应用研究(含图纸)[20191223155800]
摘 要
太阳能光伏电池技术面临的问题主要是电池转换效率和原材料成本，也一直是光伏科学研究的主要方向。目前，晶体硅电池、砷化镓等薄膜电池的效率在逐年提高，更多的新型材料的太阳能电池不断地面世。但是，目前真正能够实现产业化、大规模生产的太阳能电池，主要还是依靠硅材料，现今主流产品仍然是单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。在目前的太阳能电池生产中，电池片的效率普遍较低，为了提高电池效率就必须研究新型的电池结构和制备工艺。而选择性掺杂太阳电池是人们实现高效率、低成本太阳电池的新方法之一。
本课题探索基于扩散掩膜法-Si3N4掩膜选择性掺杂电池研究，通过SILVACO仿真软件编程设计选择性掺杂扩散方法的仿真研究，分析出选择性掺杂工艺的掺杂时间、预淀积浓度和掺杂温度等参数对氮化硅掩膜选择性掺杂太阳能电池光谱响应性能的影响，同时探索出氮化硅掩膜选择性掺杂太阳能电池最佳的选择性掺杂工艺参数。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:字太阳能电池选择性掺杂转换效率光谱响应
目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 太阳能电池的发展现状与发展趋势 1
1.1.1太阳能电池的发展现状 1
1.1.2 太阳能电池的发展趋势 2
1.2 太阳能电池的研究意义 2
1.2.1 太阳能电池的优势 2
1.2.2 太阳能电池面临的技术问题 3
1.3 本课题的研究内容 3
2 太阳能电池 4
2.1 太阳能电池的原理及种类 4
2.1.1 太阳能电池的原理 4
2.1.2 太阳能电池的种类 6
2.2 选择性掺杂太阳能电池 7
2.2.1 选择性掺杂的理论基础 7
2.2.2 选择性掺杂的主要方法 9
2.3 选择性掺杂太阳能电池的研究结论 9
3 氮化硅掩膜 9
4 电池模型建立 10
4.1 非选择性掺杂太阳电池模型建立 10
4.2?Si3N4掩膜选择性掺杂太阳电池模型建立 11
4.2.1 Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池设计 11
4.2.2 Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池结构模型建立 12
5仿真测试 12
5.1 SILVACO TCAD仿真软件介绍 12
5.2 非选择性掺杂电池的参数优化 13
5.3 Si3N4掩膜选择性掺杂工艺参数优化 14
5.3.1 预掺杂浓度对Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池性能的影响 14
5.3.2 掺杂温度对Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池性能的影响 15
5.3.3 掺杂时间对Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池性能的影响 15
6 结束语 17
参考文献 18
致谢 19
1 绪论
1.1 太阳能电池的发展现状与发展趋势
1.1.1太阳能电池的发展现状
20世纪50年代末至80年代末，我国的光伏产业刚刚起步，半导体器件厂商利用废次单晶生产硅太阳能电池，光伏市场处于小规模发展阶段，光伏产业的萌芽时期开始。在此之后，国内光伏厂商推出了一系列的太阳能电池生产线，我国的光伏产业初步形成。欧洲市场的迅速扩大，给中国的光伏产业带来了空前绝后的发展机遇，带动了国内投资家对光伏产业的投资，大批的光伏产业发展起来。??
如今，中国对太阳能电池生产已占据了全球的主导地位，中国成功超越了欧洲部分国家，成为了全球太阳能电池供应大国之一。在国内光伏产业布局上，太阳能光伏产业已经形成了稳定的发展局势，在东部沿海地区和中西部地区，已经形成了极具特色的光伏产业群。??
我国对太阳能电池工艺研究落后于发达国家十几年，尽管我国最近十年加大了光伏产业的投资，也采取一些优惠政策，但是与发达国家的差距仍然较大。这些差距主要体现在：技术水平较低；专业技术人员和维修人员较少；生产规模小；自动化水平低。自从我国加入世界贸易组织（WTO）后的零关税后，使国内的光伏产业在国际竞争中处于不利地位，在国外的市场上也面临着严峻的考验。此外，政府应当加强地方上的政策引导以及政策激励。同时，我们也要借鉴国外的成功经验，如在公共场所、政府办公楼等领域强制推广应用太阳能电池，充分发挥政府的示范作用，推动国内光伏市场的健康发展。
未来太阳能将会替代大部分的常规能源成为世界能源供应的主体，太阳能电池发电也将占据世界能源消费的主导地位，这些足够体现出太阳能电池的发展前景以及太阳能光伏产业在能源领域的重要战略地位[]。
1.1.2 太阳能电池的发展趋势
20世纪末至21世纪初的几年内太阳能电池产量平均年增长率达到百分之三十以上，目前，全球的太阳能电池光伏产业已经初具规模。太阳能电池的发展主要还是依靠于政府投资和扶持，追溯根本是由于生产太阳能电池的成本过高及电池转换效率低两方面阻碍了光伏产业的发展。因此，必须降低成本，提高电池转换效率。?
从能量损失方面分析，太阳能电池在转换能量过程中的损失形式主要表现为：热损失；电子和空穴复合能量损失；PN结和接触电压所引起的能量损失。为了提高太阳能电池转换效率，可以通过对电池组件内部结构进行改善，根据其光伏研究的理论预计，太阳能电池的转换效率可达到42%以上。?
太阳能电池若想实现大规模产业化以及平民化，首要问题就是材料成本问题；其次，尽量减少太阳能电池在制造过程中的能耗；第三，提高太阳能电池的光电转换效率；第四，缩小设备投资成本；第五，选取大面积基片。
1.2 太阳能电池的研究意义
为何要研究太阳能电池？其主要体现在三个方面：
（一）常规能源的匮乏，导致可再生能源的需求加大；
（二）太阳能是其他可再生能源的基础；
（三）太阳能具有无污染、无噪声，安全，维护成本较低，适合大规模应用。
目前，在世界能源结构中，人类最常利用的当属煤炭、石油和天然气等不可再生能源，能源危机问题倍受关注。太阳能作为新型的可再生的清洁能源，与常规能源相比，太阳能具有普遍性、无害性、巨大性和长久性等优势，是未来替代常规能源的主力军，具有促进经济发展和环境保护等积极意义。尽管如此，太阳能的缺点也是不容忽略的。缺点体现在两个方面：
（一）分散性，尽管太阳能辐射总量很大，但单位面积内接收的太阳能辐射量却是少之又少；
（二）不稳定性，由于受到地理位置、海拔高度、四季变化、天气变化等条件的影响，给太阳能的发展增加了难度。
1.2.1 太阳能电池的优势
太阳能系统安装方便，具有易于拆卸、扩张等优势，同时利用太阳能也很经济实惠，家庭得到供电需求，多余电量可以卖给国家电网。太阳能电池不仅可以安装到中大型电站，也可以小到仅供一家之需的电池板，这也是其他电源所难以实现的。因此，光伏科学家们将致力于太阳能电池的研究，解决全球能源危机，造福于全人类。
1.2.2 太阳能电池面临的技术问题
太阳能电池主要问题在于原材料成本和电池光电转换效率两个方面，这一直都是困扰光伏科研人员的难题。目前，许多国家都制订了一系列长期太阳能发展计划，为太阳能电池技术的大规模发展奠定了基础，利用太阳能来解决人类所面临的能源危机。从上世纪的50年代开始，许多太阳能电池的模型和工艺方法就已经陆续研发出来，晶体硅电池的转换效率已提高到了20%。但是，目前的太阳能电池效率并不能达到实际生产应用的标准。
除此之外，太阳能电池还面临着其他方面的问题：
（1）硅原材料问题，随着太阳能电池的需求量逐年增加，硅材料的匮乏已经成为国际性的难题，带动了整个光伏产业硅材料价格的上涨，同时，也影响到其他硅电子元件材料成本。
（2）市场问题，目前，我国的太阳能电池产品主要是销往国外，我们要注意的是，现在中国的能源资源非常短缺，消耗紧缺的能源用来制备可再生的能源产品，运往国外销售所得的利润微薄，不符合国家发展的根本利益。如果一旦国外市场受到阻碍，而在国内的市场还没有发展起来，那么众多的太阳能电池生产厂商将会面临着十分困难的局面，将会造成太阳能电池产品和电池组件的滞销，大量产品堆积，企业将会面临破产。
（3）技术问题，近年来，中国的太阳能产业发展迅速，但是技术进步并不明显，晶体硅太阳能电池的主流技术完全依赖于国外的先进设备，缺少自主创新。而我国教育的现实情况却是：各大院校着重对太阳能电池模型的研究，缺乏对常规太阳能电池生产工艺的研发。
（4）国家政策扶持问题，由于太阳能电池的制造成本较高，发电成本比火力发电成本更高。因此，在当今社会主义市场经济为主体的环境下，政府必须采取相对应的扶持政策来促进国内光伏市场的健康发展。
1.3 本课题的研究内容
本课题主要是针对于太阳能电池展开讨论研究,介绍了太阳能电池的发展现状和趋势，并对其基本原理、基本特性以及面临的难题开展讨论。本论文提出了实现太阳能电池高效率、低成本的新方法——选择性掺杂太阳能电池。
摘 要
太阳能光伏电池技术面临的问题主要是电池转换效率和原材料成本，也一直是光伏科学研究的主要方向。目前，晶体硅电池、砷化镓等薄膜电池的效率在逐年提高，更多的新型材料的太阳能电池不断地面世。但是，目前真正能够实现产业化、大规模生产的太阳能电池，主要还是依靠硅材料，现今主流产品仍然是单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。在目前的太阳能电池生产中，电池片的效率普遍较低，为了提高电池效率就必须研究新型的电池结构和制备工艺。而选择性掺杂太阳电池是人们实现高效率、低成本太阳电池的新方法之一。
本课题探索基于扩散掩膜法-Si3N4掩膜选择性掺杂电池研究，通过SILVACO仿真软件编程设计选择性掺杂扩散方法的仿真研究，分析出选择性掺杂工艺的掺杂时间、预淀积浓度和掺杂温度等参数对氮化硅掩膜选择性掺杂太阳能电池光谱响应性能的影响，同时探索出氮化硅掩膜选择性掺杂太阳能电池最佳的选择性掺杂工艺参数。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:字太阳能电池选择性掺杂转换效率光谱响应
目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 太阳能电池的发展现状与发展趋势 1
1.1.1太阳能电池的发展现状 1
1.1.2 太阳能电池的发展趋势 2
1.2 太阳能电池的研究意义 2
1.2.1 太阳能电池的优势 2
1.2.2 太阳能电池面临的技术问题 3
1.3 本课题的研究内容 3
2 太阳能电池 4
2.1 太阳能电池的原理及种类 4
2.1.1 太阳能电池的原理 4
2.1.2 太阳能电池的种类 6
2.2 选择性掺杂太阳能电池 7
2.2.1 选择性掺杂的理论基础 7
2.2.2 选择性掺杂的主要方法 9
2.3 选择性掺杂太阳能电池的研究结论 9
3 氮化硅掩膜 9
4 电池模型建立 10
4.1 非选择性掺杂太阳电池模型建立 10
4.2?Si3N4掩膜选择性掺杂太阳电池模型建立 11
4.2.1 Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池设计 11
4.2.2 Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池结构模型建立 12
5仿真测试 12
5.1 SILVACO TCAD仿真软件介绍 12
5.2 非选择性掺杂电池的参数优化 13
5.3 Si3N4掩膜选择性掺杂工艺参数优化 14
5.3.1 预掺杂浓度对Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池性能的影响 14
5.3.2 掺杂温度对Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池性能的影响 15
5.3.3 掺杂时间对Si3N4掩膜选择性掺杂太阳能电池性能的影响 15
6 结束语 17
参考文献 18
致谢 19
1 绪论
1.1 太阳能电池的发展现状与发展趋势
1.1.1太阳能电池的发展现状
20世纪50年代末至80年代末，我国的光伏产业刚刚起步，半导体器件厂商利用废次单晶生产硅太阳能电池，光伏市场处于小规模发展阶段，光伏产业的萌芽时期开始。在此之后，国内光伏厂商推出了一系列的太阳能电池生产线，我国的光伏产业初步形成。欧洲市场的迅速扩大，给中国的光伏产业带来了空前绝后的发展机遇，带动了国内投资家对光伏产业的投资，大批的光伏产业发展起来。??
如今，中国对太阳能电池生产已占据了全球的主导地位，中国成功超越了欧洲部分国家，成为了全球太阳能电池供应大国之一。在国内光伏产业布局上，太阳能光伏产业已经形成了稳定的发展局势，在东部沿海地区和中西部地区，已经形成了极具特色的光伏产业群。??
我国对太阳能电池工艺研究落后于发达国家十几年，尽管我国最近十年加大了光伏产业的投资，也采取一些优惠政策，但是与发达国家的差距仍然较大。这些差距主要体现在：技术水平较低；专业技术人员和维修人员较少；生产规模小；自动化水平低。自从我国加入世界贸易组织（WTO）后的零关税后，使国内的光伏产业在国际竞争中处于不利地位，在国外的市场上也面临着严峻的考验。此外，政府应当加强地方上的政策引导以及政策激励。同时，我们也要借鉴国外的成功经验，如在公共场所、政府办公楼等领域强制推广应用太阳能电池，充分发挥政府的示范作用，推动国内光伏市场的健康发展。
未来太阳能将会替代大部分的常规能源成为世界能源供应的主体，太阳能电池发电也将占据世界能源消费的主导地位，这些足够体现出太阳能电池的发展前景以及太阳能光伏产业在能源领域的重要战略地位[]。
1.1.2 太阳能电池的发展趋势
20世纪末至21世纪初的几年内太阳能电池产量平均年增长率达到百分之三十以上，目前，全球的太阳能电池光伏产业已经初具规模。太阳能电池的发展主要还是依靠于政府投资和扶持，追溯根本是由于生产太阳能电池的成本过高及电池转换效率低两方面阻碍了光伏产业的发展。因此，必须降低成本，提高电池转换效率。?
从能量损失方面分析，太阳能电池在转换能量过程中的损失形式主要表现为：热损失；电子和空穴复合能量损失；PN结和接触电压所引起的能量损失。为了提高太阳能电池转换效率，可以通过对电池组件内部结构进行改善，根据其光伏研究的理论预计，太阳能电池的转换效率可达到42%以上。?
太阳能电池若想实现大规模产业化以及平民化，首要问题就是材料成本问题；其次，尽量减少太阳能电池在制造过程中的能耗；第三，提高太阳能电池的光电转换效率；第四，缩小设备投资成本；第五，选取大面积基片。
1.2 太阳能电池的研究意义
为何要研究太阳能电池？其主要体现在三个方面：
（一）常规能源的匮乏，导致可再生能源的需求加大；
（二）太阳能是其他可再生能源的基础；
（三）太阳能具有无污染、无噪声，安全，维护成本较低，适合大规模应用。
目前，在世界能源结构中，人类最常利用的当属煤炭、石油和天然气等不可再生能源，能源危机问题倍受关注。太阳能作为新型的可再生的清洁能源，与常规能源相比，太阳能具有普遍性、无害性、巨大性和长久性等优势，是未来替代常规能源的主力军，具有促进经济发展和环境保护等积极意义。尽管如此，太阳能的缺点也是不容忽略的。缺点体现在两个方面：
（一）分散性，尽管太阳能辐射总量很大，但单位面积内接收的太阳能辐射量却是少之又少；
（二）不稳定性，由于受到地理位置、海拔高度、四季变化、天气变化等条件的影响，给太阳能的发展增加了难度。
1.2.1 太阳能电池的优势
太阳能系统安装方便，具有易于拆卸、扩张等优势，同时利用太阳能也很经济实惠，家庭得到供电需求，多余电量可以卖给国家电网。太阳能电池不仅可以安装到中大型电站，也可以小到仅供一家之需的电池板，这也是其他电源所难以实现的。因此，光伏科学家们将致力于太阳能电池的研究，解决全球能源危机，造福于全人类。
1.2.2 太阳能电池面临的技术问题
太阳能电池主要问题在于原材料成本和电池光电转换效率两个方面，这一直都是困扰光伏科研人员的难题。目前，许多国家都制订了一系列长期太阳能发展计划，为太阳能电池技术的大规模发展奠定了基础，利用太阳能来解决人类所面临的能源危机。从上世纪的50年代开始，许多太阳能电池的模型和工艺方法就已经陆续研发出来，晶体硅电池的转换效率已提高到了20%。但是，目前的太阳能电池效率并不能达到实际生产应用的标准。
除此之外，太阳能电池还面临着其他方面的问题：
（1）硅原材料问题，随着太阳能电池的需求量逐年增加，硅材料的匮乏已经成为国际性的难题，带动了整个光伏产业硅材料价格的上涨，同时，也影响到其他硅电子元件材料成本。
（2）市场问题，目前，我国的太阳能电池产品主要是销往国外，我们要注意的是，现在中国的能源资源非常短缺，消耗紧缺的能源用来制备可再生的能源产品，运往国外销售所得的利润微薄，不符合国家发展的根本利益。如果一旦国外市场受到阻碍，而在国内的市场还没有发展起来，那么众多的太阳能电池生产厂商将会面临着十分困难的局面，将会造成太阳能电池产品和电池组件的滞销，大量产品堆积，企业将会面临破产。
（3）技术问题，近年来，中国的太阳能产业发展迅速，但是技术进步并不明显，晶体硅太阳能电池的主流技术完全依赖于国外的先进设备，缺少自主创新。而我国教育的现实情况却是：各大院校着重对太阳能电池模型的研究，缺乏对常规太阳能电池生产工艺的研发。
（4）国家政策扶持问题，由于太阳能电池的制造成本较高，发电成本比火力发电成本更高。因此，在当今社会主义市场经济为主体的环境下，政府必须采取相对应的扶持政策来促进国内光伏市场的健康发展。
1.3 本课题的研究内容
本课题主要是针对于太阳能电池展开讨论研究,介绍了太阳能电池的发展现状和趋势，并对其基本原理、基本特性以及面临的难题开展讨论。本论文提出了实现太阳能电池高效率、低成本的新方法——选择性掺杂太阳能电池。
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