pn结型半导体太阳能电池的结构设计与性能仿真【字数：10525】
随着工业化进程的不断推进，传统能源结构发生改变，太阳能以其无穷无尽、清洁无污染的优点获得了越来越多国家的重视。目前，太阳能的利用方式主要有光热、光电和光化学转换。太阳能电池就是基于光电转换做出的产品。但是，由于太阳能电池成本较高再加上转换效率较低，为此，本文决定利用Silvaco软件在pn结硅基半导体太阳能电池表面设计梯形、三角形结构并对结构进行性能优化，同时在三角形结构的基础上改变掺杂浓度，实际仿真的结果表明梯形和三角形结构可以让太阳光在电池表面进行多次反射，减少了入射光的损失，转换效率明显增加；掺杂浓度增加时，pn结内建电场增加，光生载流子收集率增加，转换效率也明显增加。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 太阳能概述 1
1.2 太阳能电池 3
1.3 研究内容 4
第二章 太阳能电池原理与Silvaco软件简介 5
2.1 太阳能电池原理 5
2.1.1 pn结 5
2.1.2 光生伏特效应 6
2.1.3 太阳能电池工作原理模型 6
2.1.4太阳能电池的性能参量 8
2.2仿真软件SilvacoTCAD简介 10
第三章 pn结型太阳能电池性能仿真与分析 12
3.1 pn结型太阳能电池结构设计 12
3.2梯形表面与三角形表面的性能优化 14
3.3掺杂浓度的性能优化 19
第四章 总结与展望 21
参考文献 22
致 谢 23
第一章 绪论
1.1 太阳能概述
在全球工业化进程不断推进的今天，经济快速发展，人口不断增加，人类对于能源的需求与日俱增，全球各个国家和地区都在疯狂地掠夺能源，美国和伊拉克之间的战争究其根本就是能源之争。常言道：巧妇难为无米之炊。在当今世纪，各行各业都在蓬勃发展，能源就是“巧妇”的“米”，没有能源，所有科技都会停滞不前，人类将寸步难行。在过去的200多年，人们一直赖以生存的传统能源比如煤、石油、天然气等，由于人们的不断开发利用，据英国BP石油公司的统计，按照当前能源消耗状况发展下去，世界上煤炭资源还能够使用150年，天然气能够使 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
用53年，而石油只能够再使用41年了[1]。传统能源的存储量正逐渐枯竭。然而还有一个更为严重的问题摆在人类面前，由于这几百年人们毫无节制地使用传统能源，它引发了一系列非常严重的环境问题，比如说酸雨，温室效应，冰川消融等。因此，能源危机和环境污染成为了全人类最急需解决的两大难题。这时，绿色无污染的新能源开始进入人们的视野。
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图1.1 2018年世界能源利用分布图
目前，新能源主要包括核能、风能、水能、生物质能和太阳能，各类能源的利用率如上图1.1所示。核能发电是通过核裂变产生电能[2]。虽然核能能够产生大量的能量，不会产生空气污染，但是它开采难度大、技术复杂，核废料、热污染和核安全一直是核电的难题。一旦操作不当产生核泄漏，它会对人类和环境产生难以挽回的不可逆的损害。风能发电主要是靠风力发电机。风能发电的主要优势是清洁无污染，但是它的能量密度低、随机性比较大，发电机运作时会发出噪声影响居民生活。水力发电是利用水位的落差，将其转换为机械能，再将机械能转换为电能。三峡发电站是世界上最大的水力发电站，它的总装机容量为1820 万千瓦，年平均发电量为846.8 亿千瓦时。但是，建造大坝工程巨大，而且建造大坝容易造成非常严重的生态环境问题，埃及的阿斯旺大水坝就是个非常著名的例子。生物质能是通过植物的叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。生物质能发电可以将城市垃圾变废为宝，优点是其容量较小，可以就地利用，独立的运行。但是它的缺点非常明显，它需要大量的有机物作为原料，而且相较于其他的新能源的发电量，生物质能的发电量是最低的，只能用于小规模的发电。
相比于上面的四种新能源，太阳能的优势显而易见。首先，太阳能是普遍的，它到处都有，不会受到地形的限制，可以直接开发利用，它不需要像水能利用的三峡大坝一样需要建造非常巨大的工程。其次，它是无害的，它是世界上最清洁的能源之一，不会产生任何环境污染。在这一点上，它完胜核能发电站所产生的具有辐射性的核废料。再者，太阳能是巨大的，它是世界上开发最大的能源。太阳能是由太阳能内部不断地发生核聚变所产生的能量，它产生的能量非常巨大，每秒钟到达地球的量相当于4.5亿吨的煤炭所产生的能量。上述的任何一种新能源所产生的量均无可与之相匹敌。最重要的是，太阳能是无穷无尽的，用之不竭的，在这一点上，传统的能源是望尘莫及的。
虽然到达地球表面的太阳能资源十分丰富，但是具体太阳能资源的分布与各地区的经纬度、海拔高度、地理状况等有关。我国太阳能资源的分布图如下图1.2所示。我国地处北半球，国土辽阔，经度和纬度跨度均比较大，距离均在5000 千米以上。每年，全国各地的年太阳辐射总量为928~2333 kWh/m2，我国有超过三分之二的地区日照时长比较丰富，能够达到2000 小时/年。尤其是我国的西藏地区，海拔极高，大气层对太阳辐射削减比较少，年日照时长能超过3000 小时，是世界上太阳能资源最丰富的地区，位居世界第二，仅次于撒哈拉大沙漠。由此可见，充分地利用太阳能对于缓解我国的能源危机、保护我国脆弱的生态环境具有非常重要的意义。
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图1.2 中国太阳能资源分布图
1.2 太阳能电池
目前，太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化学转换三种方式[3]。光热转换就是利用“集热器”将太阳能转换为热能，生活中常见的太阳能热水器就是利用这个原理制作而成的。光化学转换就是植物通过光合作用将太阳能转换为生物质能，有机物的光化学降解就是利用这个原理。光电转换是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能。三种方式中，光电转换是最普遍的。它具有巨大的优势，最显著的特点是光电转换所需要的光伏发电系统建设周期短，而且几乎可以在世界各地直接使用，完全不受地形的影响，它可以将建筑物的楼顶的优势发挥到最大。但是光热转换的限制就比较多，光热转换装置对地形有严格的要求，必须要直接辐射比较集中的区域。考虑到光电转换的巨大优势，各国都在大力发展光伏发电和太阳能电池。
太阳能电池在日常生活中有巨大的应用。屋顶上的太阳能电池板、道路上的新能源汽车的电池、十字路口交通信号灯电池都是太阳能电池的具体应用。我们国家是大力鼓励和发展光伏产业的，2018年11月份，国家能源局发布了有关于未来12年政策方向的信息。将2020年光伏装机的目标从110 GW提升至250270 GW，并确保了每年发布特定数量的光伏建设指标（确保新增光伏装机在未来获得补贴资格），这个意味着未来两年光伏新增装机将为4050 GW，相比于2019/2020预估计的37 GW要高出很多。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 太阳能概述 1
1.2 太阳能电池 3
1.3 研究内容 4
第二章 太阳能电池原理与Silvaco软件简介 5
2.1 太阳能电池原理 5
2.1.1 pn结 5
2.1.2 光生伏特效应 6
2.1.3 太阳能电池工作原理模型 6
2.1.4太阳能电池的性能参量 8
2.2仿真软件SilvacoTCAD简介 10
第三章 pn结型太阳能电池性能仿真与分析 12
3.1 pn结型太阳能电池结构设计 12
3.2梯形表面与三角形表面的性能优化 14
3.3掺杂浓度的性能优化 19
第四章 总结与展望 21
参考文献 22
致 谢 23
第一章 绪论
1.1 太阳能概述
在全球工业化进程不断推进的今天，经济快速发展，人口不断增加，人类对于能源的需求与日俱增，全球各个国家和地区都在疯狂地掠夺能源，美国和伊拉克之间的战争究其根本就是能源之争。常言道：巧妇难为无米之炊。在当今世纪，各行各业都在蓬勃发展，能源就是“巧妇”的“米”，没有能源，所有科技都会停滞不前，人类将寸步难行。在过去的200多年，人们一直赖以生存的传统能源比如煤、石油、天然气等，由于人们的不断开发利用，据英国BP石油公司的统计，按照当前能源消耗状况发展下去，世界上煤炭资源还能够使用150年，天然气能够使 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
用53年，而石油只能够再使用41年了[1]。传统能源的存储量正逐渐枯竭。然而还有一个更为严重的问题摆在人类面前，由于这几百年人们毫无节制地使用传统能源，它引发了一系列非常严重的环境问题，比如说酸雨，温室效应，冰川消融等。因此，能源危机和环境污染成为了全人类最急需解决的两大难题。这时，绿色无污染的新能源开始进入人们的视野。
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图1.1 2018年世界能源利用分布图
目前，新能源主要包括核能、风能、水能、生物质能和太阳能，各类能源的利用率如上图1.1所示。核能发电是通过核裂变产生电能[2]。虽然核能能够产生大量的能量，不会产生空气污染，但是它开采难度大、技术复杂，核废料、热污染和核安全一直是核电的难题。一旦操作不当产生核泄漏，它会对人类和环境产生难以挽回的不可逆的损害。风能发电主要是靠风力发电机。风能发电的主要优势是清洁无污染，但是它的能量密度低、随机性比较大，发电机运作时会发出噪声影响居民生活。水力发电是利用水位的落差，将其转换为机械能，再将机械能转换为电能。三峡发电站是世界上最大的水力发电站，它的总装机容量为1820 万千瓦，年平均发电量为846.8 亿千瓦时。但是，建造大坝工程巨大，而且建造大坝容易造成非常严重的生态环境问题，埃及的阿斯旺大水坝就是个非常著名的例子。生物质能是通过植物的叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。生物质能发电可以将城市垃圾变废为宝，优点是其容量较小，可以就地利用，独立的运行。但是它的缺点非常明显，它需要大量的有机物作为原料，而且相较于其他的新能源的发电量，生物质能的发电量是最低的，只能用于小规模的发电。
相比于上面的四种新能源，太阳能的优势显而易见。首先，太阳能是普遍的，它到处都有，不会受到地形的限制，可以直接开发利用，它不需要像水能利用的三峡大坝一样需要建造非常巨大的工程。其次，它是无害的，它是世界上最清洁的能源之一，不会产生任何环境污染。在这一点上，它完胜核能发电站所产生的具有辐射性的核废料。再者，太阳能是巨大的，它是世界上开发最大的能源。太阳能是由太阳能内部不断地发生核聚变所产生的能量，它产生的能量非常巨大，每秒钟到达地球的量相当于4.5亿吨的煤炭所产生的能量。上述的任何一种新能源所产生的量均无可与之相匹敌。最重要的是，太阳能是无穷无尽的，用之不竭的，在这一点上，传统的能源是望尘莫及的。
虽然到达地球表面的太阳能资源十分丰富，但是具体太阳能资源的分布与各地区的经纬度、海拔高度、地理状况等有关。我国太阳能资源的分布图如下图1.2所示。我国地处北半球，国土辽阔，经度和纬度跨度均比较大，距离均在5000 千米以上。每年，全国各地的年太阳辐射总量为928~2333 kWh/m2，我国有超过三分之二的地区日照时长比较丰富，能够达到2000 小时/年。尤其是我国的西藏地区，海拔极高，大气层对太阳辐射削减比较少，年日照时长能超过3000 小时，是世界上太阳能资源最丰富的地区，位居世界第二，仅次于撒哈拉大沙漠。由此可见，充分地利用太阳能对于缓解我国的能源危机、保护我国脆弱的生态环境具有非常重要的意义。
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图1.2 中国太阳能资源分布图
1.2 太阳能电池
目前，太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化学转换三种方式[3]。光热转换就是利用“集热器”将太阳能转换为热能，生活中常见的太阳能热水器就是利用这个原理制作而成的。光化学转换就是植物通过光合作用将太阳能转换为生物质能，有机物的光化学降解就是利用这个原理。光电转换是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能。三种方式中，光电转换是最普遍的。它具有巨大的优势，最显著的特点是光电转换所需要的光伏发电系统建设周期短，而且几乎可以在世界各地直接使用，完全不受地形的影响，它可以将建筑物的楼顶的优势发挥到最大。但是光热转换的限制就比较多，光热转换装置对地形有严格的要求，必须要直接辐射比较集中的区域。考虑到光电转换的巨大优势，各国都在大力发展光伏发电和太阳能电池。
太阳能电池在日常生活中有巨大的应用。屋顶上的太阳能电池板、道路上的新能源汽车的电池、十字路口交通信号灯电池都是太阳能电池的具体应用。我们国家是大力鼓励和发展光伏产业的，2018年11月份，国家能源局发布了有关于未来12年政策方向的信息。将2020年光伏装机的目标从110 GW提升至250270 GW，并确保了每年发布特定数量的光伏建设指标（确保新增光伏装机在未来获得补贴资格），这个意味着未来两年光伏新增装机将为4050 GW，相比于2019/2020预估计的37 GW要高出很多。
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