薄膜太阳能电池后退火工艺的仿真研究
薄膜太阳能电池后退火工艺的仿真研究[20191223155811]
摘 要
本文通过分析薄膜太阳能电池的工作原理和电学性能，了解其电池结构和电压电流特性等,从研究电池工艺流程的角度出发，选取了后退火工艺作为侧重点展开研究。
应用 SILVACO软件, 仿真研究薄膜太阳能电池的后退火工艺，研究对象是P,N区的杂质浓度分别为1×1017cm和1×1016的非晶硅。研究结果显示：随着后退火时间和温度的增加，非晶硅薄膜太阳能电池的光谱响应性能也随之提高,和没有进行后退火工艺的电池相比，改变一项退火参数的同时保持另一项退火参数不变，电池的短路电流也会随之变化。要注意的是，电池后退火工艺参数和电池的光谱响应特性并不成正比例，从减小后退火工艺对电池杂质再分布影响的角度出发，将最佳退火参数定为四分钟和950摄氏度。研究证明后退火工艺的确可以提高薄膜太阳能电池的光谱响应特性。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:非晶硅薄膜太阳能电池后退火SILVACO仿真研究
目录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究的意义 1
1.2 课题研究的领域现状和发展趋势 1
1.3 本文的主要工作 2
第二章 薄膜太阳能电池的工作原理和电学性能的描述 3
2.1 非晶硅薄膜太阳能电池的结构 3
2.1.1 p-i-n单结非晶硅薄膜太阳能电池 3
2.1.2 n-i-p单结非晶硅薄膜太阳能电池 3
2.2 薄膜太阳能电池的原理分析 3
2.3薄膜太阳能电池的电学性能 4
2.3.1 等效电路 4
2.3.2太阳能电池的电流-电压特性 5
2.3.3 太阳能电池的转换效率 6
2.4薄膜太阳能电池的常见类型 7
2.4.1 非晶硅薄膜太阳能电池 7
2.4.2 多元化薄膜太阳能电池 8
2.4.3 染料敏化太阳能电池 8
2.4.4 有机高分子太阳能电池 9
第三章 太阳能电池参数的仿真 10
3.1 SILVACO TCAD—ATLAS简介 10
3.2 非晶硅太阳能电池模型设计 10
3.3 P、N区杂质浓度对太阳能电池的光谱响应及短路电流（ISC）的影响 11
3.3.1 N型区杂质浓度对电池光谱响应及短路电流（Isc）的影响 11
3.3.2 P型区杂质浓度对电池光谱响应及短路电流（Isc）的影响 13
3.4各区厚度对太阳能电池的光谱响应的影响 15
3.4.1 N型区厚度对电池光谱响应的影响 15
3.4.2 P型区厚度对电池光谱响应的影响 16
第四章 后退火工艺对非晶硅薄膜太阳能电池性能的影响与分析 17
4.1 非晶硅薄膜太阳能电池工艺流程分析 17
4.2 退火温度对电池光电性能的影响 17
4.3 退火时间对电池光电性能的影响 18
4.4 结果与分析 19
结 语 20
参考文献 21
致 谢 22
第一章 绪 论
1.1 课题研究的意义
如今，太阳能电池的应用已经从日常的商业，工业生活进入航天领域，因为它们不需要架设输出线，因此其能够在很多领域被使用，但是目前来看其价格较高，制造成本短时间降不下来，这是不能广泛的运用在日常生活中的原因。薄膜太阳能电池有40多年的发展历史。随着技术的提高，制造成本也在一步步降低，目前要解决的是转换效率的问题，提高效率就能大量生产，从而广泛应用在家庭，学校，通讯部门等各行各业的领域当中。
在本文中，主要目的的是对非晶硅薄膜太阳能电池高温后退火的最佳方法的探究，所使用的方法就是研究高温后退火后太阳能电池的光谱，根据光谱的变化得出最终的结论。
1.2 课题研究的领域现状和发展趋势
当今世界不可再生能源日益枯竭，关于能源危机的问题逐渐引起了人们的重视，一些新兴能源越来越受到世界各地的重视并逐步开发和利用。利用太阳能的主要途径就是太阳能发电。但是，硅类太阳能电池的原材料高纯硅价格比较大，与普通发电模式相比，太阳能发电成本高出很多，这个是制约其发展的一大重要因素，所以薄膜太阳能电池是以后发展的主要方向。新化合物薄膜太阳能电池的光电转换效率高，主要代表的锑化镓，磷化铟镓，砷化镓薄膜太阳能电池。砷化镓电池的转换效率比较可观，达到30%，但是由于制造此类电池所用到的元素比较稀有并且有的甚至还为有毒元素，在发展此类电池的过程中或多或少会对环境造成伤害。那么，状态稳定的薄膜太阳能电池就成了人们关注的焦点，其具有多项优点：质量轻，柔软便于加工，成本较低，能够大面积制备等。
目前我国薄膜太阳能电池的效率不高，仍达不到大规模工业生产的要求，但前景是很广阔的，为了实现太阳能发电低价上网这一目标，必须进一步研究薄膜太阳能电池来提高其发电效率。，由此薄膜硅太阳能电池迎来了发展的曙光，相比较于厚度较厚的晶硅太阳能电池，使用薄膜硅为原材料的太阳能电池厚度要小很多，这样就极大了减少了材料的消耗，节省了费用。薄膜硅太阳能电池的制作方法比晶体硅太阳能电池简单，价格比晶体硅电池低廉，因此，相信在不久的将来薄膜太阳能电池这一产业会快速迅猛发展起来。
在我国，太阳能电池首次出现于50年代后期，我国刚开始投身于该领域的研究也源于那个时期。我国参与研发太阳能电池是在80年代之后，那是个比较缓慢的过程，经历了大约10年的时间，研发太阳能电池的进程才逐渐稳定，主要是电池质量和生产方法得到了提高和改善，这样才能符合市场的要求。我们国家正逐渐的成为太阳能电池的制造大国。
薄膜太阳能电池是太阳能电池中的潜力股，其拥有不错的效率并且成本不高，是未来发展的方向。目前被市场广为认可的有双结非晶硅电池和单节非晶硅电池，其共有的最大优点是成本不高，这种电池已被人们广泛认可并投入使用，前景不可估量。相关数据表示，通过优化掺杂材料，并且使用适当的工艺进行退火，能够开发出达到20%转换率的薄膜太阳能电池，该非晶硅薄膜太阳能电池有望运用到平时的生活当中。
1.3 本文的主要工作
本次论文对薄膜太阳能电池进行研究的方法是进行仿真退火实验，研究的主要步骤内容如下:
1、对薄膜太阳电池的结构和电学性能进行分析。
2、利用silvaco软件对薄膜太阳电池的最佳参数进行分析和研究。
3、分析后退火工艺对薄膜太阳电池的影响。
技术路线：
学习和使用slivaco软件模拟薄膜太阳能电池退火过程。
1、制定出太阳能电池的模型结构
2、通过仿真获得太阳电池的最好性能参数
3、最终进行模拟后退火实验，对得到的结果进行研究分析
第二章 薄膜太阳能电池的工作原理和电学性能的描述
2.1 非晶硅薄膜太阳能电池的结构
非晶硅薄膜太阳能电池可分为两类，分别为p-i-n型和n-i-p型电池。
2.1.1 p-i-n单结非晶硅薄膜太阳能电池
p-i-n结构的太阳能电池，在沉积过程中是按照p、i、n的顺序进行操作。为了增加透光性，提高电池对太阳能的利用效率，要把一层透明导电膜沉积在衬底上，其不但能提高太阳能的使用效率，并且还有提供电流的作用。该种电池材料来源广，价格适中，效率可观，可适用于规模化生产。
2.1.2 n-i-p单结非晶硅薄膜太阳能电池
n-i-p结构的电池，制作方法是在不透明的衬底上进行沉积，该种结构是制备电池的最佳方式。在沉积反射膜的过程中，考虑到成本以及效率的问题，使用的材料是铝/氧化锌，该种材料成本不高，能够进行工厂化生产。与p-i-n结构相同的是也要把透明导电膜进行沉积，导电膜使用的材料是铟锡氧化物，ITO膜的缺点是其电导率比不上透明导电膜，为了弥补这个缺点，在ITO表面增加金属栅线，通过这个方法来增加电池效率。
n-i-p结构电池有如下特点，由于使用金属/氧化锌作为沉积材料，因此电池结构稳固，化学性质不活泼，不易被周围环境所腐蚀。
2.2 薄膜太阳能电池的原理分析
太阳能电池作用是将光的能量直接转换成电能，薄膜太阳能电池中主流的是利用光电效应进行工作的一类，利用光化学转换原理制造的太阳能电池目前仍在初级阶段。光电转换的原理是：阳光照射在半导体PN结，所产生的电子-空穴对，通过内建电场的作用下，P区的电子流向N区，N区空穴流到P区，此时接入外部电场就能形成电流。
再深入一点来说就是价电子吸收能量大于p-n结半导体禁带宽度的光子，吸收光子后价电子激发到导带，从而产生电子-空穴对。电子空穴在内建电场的作用下分离，光生空穴和光生电子分别存在于p区和n区，p区产生过剩空穴，n区产生过剩电子，那么这样子就形成了以n区为负，p区为正的光生电动势能，称为光生伏特效应，这就是太阳能电池的工作原理。
摘 要
本文通过分析薄膜太阳能电池的工作原理和电学性能，了解其电池结构和电压电流特性等,从研究电池工艺流程的角度出发，选取了后退火工艺作为侧重点展开研究。
应用 SILVACO软件, 仿真研究薄膜太阳能电池的后退火工艺，研究对象是P,N区的杂质浓度分别为1×1017cm和1×1016的非晶硅。研究结果显示：随着后退火时间和温度的增加，非晶硅薄膜太阳能电池的光谱响应性能也随之提高,和没有进行后退火工艺的电池相比，改变一项退火参数的同时保持另一项退火参数不变，电池的短路电流也会随之变化。要注意的是，电池后退火工艺参数和电池的光谱响应特性并不成正比例，从减小后退火工艺对电池杂质再分布影响的角度出发，将最佳退火参数定为四分钟和950摄氏度。研究证明后退火工艺的确可以提高薄膜太阳能电池的光谱响应特性。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:非晶硅薄膜太阳能电池后退火SILVACO仿真研究
目录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究的意义 1
1.2 课题研究的领域现状和发展趋势 1
1.3 本文的主要工作 2
第二章 薄膜太阳能电池的工作原理和电学性能的描述 3
2.1 非晶硅薄膜太阳能电池的结构 3
2.1.1 p-i-n单结非晶硅薄膜太阳能电池 3
2.1.2 n-i-p单结非晶硅薄膜太阳能电池 3
2.2 薄膜太阳能电池的原理分析 3
2.3薄膜太阳能电池的电学性能 4
2.3.1 等效电路 4
2.3.2太阳能电池的电流-电压特性 5
2.3.3 太阳能电池的转换效率 6
2.4薄膜太阳能电池的常见类型 7
2.4.1 非晶硅薄膜太阳能电池 7
2.4.2 多元化薄膜太阳能电池 8
2.4.3 染料敏化太阳能电池 8
2.4.4 有机高分子太阳能电池 9
第三章 太阳能电池参数的仿真 10
3.1 SILVACO TCAD—ATLAS简介 10
3.2 非晶硅太阳能电池模型设计 10
3.3 P、N区杂质浓度对太阳能电池的光谱响应及短路电流（ISC）的影响 11
3.3.1 N型区杂质浓度对电池光谱响应及短路电流（Isc）的影响 11
3.3.2 P型区杂质浓度对电池光谱响应及短路电流（Isc）的影响 13
3.4各区厚度对太阳能电池的光谱响应的影响 15
3.4.1 N型区厚度对电池光谱响应的影响 15
3.4.2 P型区厚度对电池光谱响应的影响 16
第四章 后退火工艺对非晶硅薄膜太阳能电池性能的影响与分析 17
4.1 非晶硅薄膜太阳能电池工艺流程分析 17
4.2 退火温度对电池光电性能的影响 17
4.3 退火时间对电池光电性能的影响 18
4.4 结果与分析 19
结 语 20
参考文献 21
致 谢 22
第一章 绪 论
1.1 课题研究的意义
如今，太阳能电池的应用已经从日常的商业，工业生活进入航天领域，因为它们不需要架设输出线，因此其能够在很多领域被使用，但是目前来看其价格较高，制造成本短时间降不下来，这是不能广泛的运用在日常生活中的原因。薄膜太阳能电池有40多年的发展历史。随着技术的提高，制造成本也在一步步降低，目前要解决的是转换效率的问题，提高效率就能大量生产，从而广泛应用在家庭，学校，通讯部门等各行各业的领域当中。
在本文中，主要目的的是对非晶硅薄膜太阳能电池高温后退火的最佳方法的探究，所使用的方法就是研究高温后退火后太阳能电池的光谱，根据光谱的变化得出最终的结论。
1.2 课题研究的领域现状和发展趋势
当今世界不可再生能源日益枯竭，关于能源危机的问题逐渐引起了人们的重视，一些新兴能源越来越受到世界各地的重视并逐步开发和利用。利用太阳能的主要途径就是太阳能发电。但是，硅类太阳能电池的原材料高纯硅价格比较大，与普通发电模式相比，太阳能发电成本高出很多，这个是制约其发展的一大重要因素，所以薄膜太阳能电池是以后发展的主要方向。新化合物薄膜太阳能电池的光电转换效率高，主要代表的锑化镓，磷化铟镓，砷化镓薄膜太阳能电池。砷化镓电池的转换效率比较可观，达到30%，但是由于制造此类电池所用到的元素比较稀有并且有的甚至还为有毒元素，在发展此类电池的过程中或多或少会对环境造成伤害。那么，状态稳定的薄膜太阳能电池就成了人们关注的焦点，其具有多项优点：质量轻，柔软便于加工，成本较低，能够大面积制备等。
目前我国薄膜太阳能电池的效率不高，仍达不到大规模工业生产的要求，但前景是很广阔的，为了实现太阳能发电低价上网这一目标，必须进一步研究薄膜太阳能电池来提高其发电效率。，由此薄膜硅太阳能电池迎来了发展的曙光，相比较于厚度较厚的晶硅太阳能电池，使用薄膜硅为原材料的太阳能电池厚度要小很多，这样就极大了减少了材料的消耗，节省了费用。薄膜硅太阳能电池的制作方法比晶体硅太阳能电池简单，价格比晶体硅电池低廉，因此，相信在不久的将来薄膜太阳能电池这一产业会快速迅猛发展起来。
在我国，太阳能电池首次出现于50年代后期，我国刚开始投身于该领域的研究也源于那个时期。我国参与研发太阳能电池是在80年代之后，那是个比较缓慢的过程，经历了大约10年的时间，研发太阳能电池的进程才逐渐稳定，主要是电池质量和生产方法得到了提高和改善，这样才能符合市场的要求。我们国家正逐渐的成为太阳能电池的制造大国。
薄膜太阳能电池是太阳能电池中的潜力股，其拥有不错的效率并且成本不高，是未来发展的方向。目前被市场广为认可的有双结非晶硅电池和单节非晶硅电池，其共有的最大优点是成本不高，这种电池已被人们广泛认可并投入使用，前景不可估量。相关数据表示，通过优化掺杂材料，并且使用适当的工艺进行退火，能够开发出达到20%转换率的薄膜太阳能电池，该非晶硅薄膜太阳能电池有望运用到平时的生活当中。
1.3 本文的主要工作
本次论文对薄膜太阳能电池进行研究的方法是进行仿真退火实验，研究的主要步骤内容如下:
1、对薄膜太阳电池的结构和电学性能进行分析。
2、利用silvaco软件对薄膜太阳电池的最佳参数进行分析和研究。
3、分析后退火工艺对薄膜太阳电池的影响。
技术路线：
学习和使用slivaco软件模拟薄膜太阳能电池退火过程。
1、制定出太阳能电池的模型结构
2、通过仿真获得太阳电池的最好性能参数
3、最终进行模拟后退火实验，对得到的结果进行研究分析
第二章 薄膜太阳能电池的工作原理和电学性能的描述
2.1 非晶硅薄膜太阳能电池的结构
非晶硅薄膜太阳能电池可分为两类，分别为p-i-n型和n-i-p型电池。
2.1.1 p-i-n单结非晶硅薄膜太阳能电池
p-i-n结构的太阳能电池，在沉积过程中是按照p、i、n的顺序进行操作。为了增加透光性，提高电池对太阳能的利用效率，要把一层透明导电膜沉积在衬底上，其不但能提高太阳能的使用效率，并且还有提供电流的作用。该种电池材料来源广，价格适中，效率可观，可适用于规模化生产。
2.1.2 n-i-p单结非晶硅薄膜太阳能电池
n-i-p结构的电池，制作方法是在不透明的衬底上进行沉积，该种结构是制备电池的最佳方式。在沉积反射膜的过程中，考虑到成本以及效率的问题，使用的材料是铝/氧化锌，该种材料成本不高，能够进行工厂化生产。与p-i-n结构相同的是也要把透明导电膜进行沉积，导电膜使用的材料是铟锡氧化物，ITO膜的缺点是其电导率比不上透明导电膜，为了弥补这个缺点，在ITO表面增加金属栅线，通过这个方法来增加电池效率。
n-i-p结构电池有如下特点，由于使用金属/氧化锌作为沉积材料，因此电池结构稳固，化学性质不活泼，不易被周围环境所腐蚀。
2.2 薄膜太阳能电池的原理分析
太阳能电池作用是将光的能量直接转换成电能，薄膜太阳能电池中主流的是利用光电效应进行工作的一类，利用光化学转换原理制造的太阳能电池目前仍在初级阶段。光电转换的原理是：阳光照射在半导体PN结，所产生的电子-空穴对，通过内建电场的作用下，P区的电子流向N区，N区空穴流到P区，此时接入外部电场就能形成电流。
再深入一点来说就是价电子吸收能量大于p-n结半导体禁带宽度的光子，吸收光子后价电子激发到导带，从而产生电子-空穴对。电子空穴在内建电场的作用下分离，光生空穴和光生电子分别存在于p区和n区，p区产生过剩空穴，n区产生过剩电子，那么这样子就形成了以n区为负，p区为正的光生电动势能，称为光生伏特效应，这就是太阳能电池的工作原理。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/439.html
