返回
首页 市场
首页 >> 市场

晶体硅异质结太阳电池的模拟与优化在线阅读

2019-07-19 16:10

内蒙古师范大学硕士学位论文微晶硅晶体硅异质结太阳电池的模拟与优化姓名:李力猛申请学位级别:硕士专业:光学指导教师:周炳卿内蒙古师范人学硕:b学位论文中文摘要微晶硅材料是微晶粒、晶粒间界和非晶相共存的混合相材料一般都存在微空洞其带隙随着晶相比的不同由.eV到.eV连续可调而且几乎没有光致衰退效应。由于微晶硅薄膜电池兼有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池的低成本的优势因此被视为硅基薄膜太阳电池的下一代技术。本论文对微晶硅/晶体硅异质结太阳电池的窗口层、界面态密度、本征缓冲层、缺陷态浓度、背场及双结叠层太阳电池等方面进行了计算机模拟的研究工作采用AFORS.HET模拟软件研究了微晶硅/晶体硅异质结太阳电池各项参数对异质结电池性能钓影响。根据理论模拟的要求我们选取了P型微晶硅/n型晶体硅异质结太阳电池结构模拟结果主要表明:()窗口层对太阳’电池的性能有重要影响。随着窗口层厚度的增加开路电压、短路电流下降填充因子减小效率随之降低在厚度为nm时电池效率最高。随着窗口层掺杂浓度的增加短波段光谱响应变小从而使短路电流减小开路电压增大当掺杂浓度为cm一电池效率最高。带隙宽度的变大对开路电压的影响明显填充因子和电池效率略有增大短路电流无明显变化当带隙宽度大于.eV以后开路电压增大短路电流减小电池效率开始下降。在窗口层厚度为nm掺杂浓度为cm~带隙宽度为.eV时电池各项参数为Voc=.VJsc=.mA/cmzFF=.%=.%。在∥c.Si/c.Si异质结太阳电池中插入本征层有助于电池性能的提高。本征层厚度从nm增大时填充因子逐渐减小电池性能下降模拟的太阳电池的本征层厚度为nm。随着本征层缺陷态浓度N。的增加中长波的光谱响应显著降低而nm的短波的光谱响应没有任何变化开路电压短路电流填充因子和转化效率明显降低。()为减小少子的复合我们对/zc.Si(p)//tc.si(i)/c.Si(n)太阳电池引入一微晶硅背场性能。微晶硅背场的厚度对电池性能影响不是很明内蒙古师范大学硕上学位论义显随着带隙的增大电涟的开路电压先增大后无变化当带隙超过.ev填充因子开始降低而短路电流和效率均是先增大后变小在带隙为.ev时电池转化效率最高。随着掺杂浓度的提高太阳电池的开路电压几乎不变而短路电流和填充因予都有逐渐提高电池效率随之增大当微晶硅背场厚度为lOnm掺杂浓度为xK意带隙为.ev时/tc.Si(p)/ktc。Si(i)/c。Si(n)//teSi(n)太阳电池的性能最好为:Voc=。VJsc=mA/cmzFF=。%r/=.%。()叠层太阳电池的研究是为了更好的吸收太阳光谱。本论文中发展了一种双结叠层太阳电池的理论模鍪初步得到了电流匹配是影响叠层太阳电池转换效率的重要因素之~在I㈣=I蛾=mA/cm时得到了最大效率朝=。l%麓薄膜菲螽硅磁晶硅叠层太阳电池。关键词:异质缝太阳电池微晶硅模拟与优化转化效率叠层太阳电池内淤古师范犬学硕:卜学位论文ABSTRACTGenerallyspeakingthemicrocrystallinesiliconismadeupofmicrocrystajlinegrain、amorphousphaseandboundaryitsexistenceofmicro*holeanditsopticalbandgapchangesfrom.eVto.eVwiththedifferentcrystallinevolumefractionoffilms.MicrocrystallinesiliconthinfilmsolarcellhastheadvantagesofbothcrystallinesiliconsolarcellandthinfilmsolarceltSOitisbelievedasthetechnologyofsiliconfilmsolarcellsinthenextgeneration.Thisthesisfocusedonthestudyofthenovel∥esi/csisolarcelltheperformancesofHITsolarcellswithdifferentthicknessofwindowlayer,thedensityofinterfacedefectstates圆it)theintrinsiclayerdefectconcentrationandbackSUrcacefieldweresimulated。AFORS.HETsoftwarewasusedinthesimulationofthe芦eSi惩一siheterojunctionsolarcell.Wechoose芦esi(p)/csi(n)solarcellaccordingtotherequestofsimulation.somemeaningfulresultswereachieved:()Themodelingresultsshowthatopencircuitvoltageshortcircuitcurrentandefficiencydecreasewithincreasingofthicknessofwindowlayertheoptimalthicknessofemitterlayeraboutnm.Howevertheefficienciesfirstlyincreasewithincreasingofthebandgapenergywhilethebandgapenergyincreasesto.eVtheefficienciesbegintodecrease.The黟eSi(p№一Si(n)heterojunctionsolarcellhasahighesttransitefficiencyof.%withoptimumparameterse.g.thethicknessofwindowlayerofnmbandgapenergyof.evanddopingconcentrationofcm~。ThemainroleoftheintrinsiclayeristopassivatethesurfacestatesofeSiwaferopencircuitvoltageshortcircuitcurrentandefficiencydecreasewithincreasingofthicknessofintrinsiclayertheoptimalthicknessofintrinsiclayeraboutnm.thedefectsconcentrationoftheilayeraffecttheIVcharacteristicsandspectralresponseatlongwavelengthimportantly.()Backsurfacefield(BSF)effectof∥eSi(p)//隧cSi(i)/cSi(n)内蒙古师范大学硕上学位论文heterojunctionsolarcellwassimulatedbyAFORS.HETsoftware.TheresultsshowthatthethicknessoftheBSFhasslightinfluenceontheperformanceofthesolarcell.Theshortcircuitcurrentandtranslateefficiencyincreasewiththebandgapbutitalsodropswhenthebandgapreaches.ev.Theshortcircuitcurrentandfillfactorincreasewiththedopedconcentration.TheIzcSi(p)/IzcSi(i)/cSi(n)heterojunction·solarcellhasthehighesttranslateefficiencyof.%withthethicknessoftheBSFofnmbandgapof.ev.andthedopedconcentrationofx州cm一.()Thetandemsolarcellshavebecomethemostcompetitivenewgenerationsolarcellacrosstheworld.Wehavedevelopedasemiempiricalmoteltocalculatetheconversionefficiencyofabasedtwo{unctionsolarcellsupontheperformancesofthecomponentcells.CurrentmatchingisoneofthekeyfactorsaffectingtheconversionefficiencyoftWOterminaltandemsolarcellsthenthehighestefficiencyofthetwo.terminaltandemsolarcellsof%canbereachedwithIscx=Isc=mA/cm.Keywords:HITmicrocrystallinesiliconsimulationandoptimizationconversionefficiencytandemsolarcells独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。签名:j皿日期:乱唧年广月冲日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完金了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位论文的规定:内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签名:啼·力让导师签名:嘲:叶F月哼日第一章引言.能源危机第一章引言能源危机和环境污染是人类在世纪面临的最大的挑战【。能源一直是主导和制约全球经济发展的重要因素之一从世纪年代开始能源危机已经成为全世界关注的焦点问题随着经济的快速增长人与自然的矛盾越来越突出“能源与可持续发展”之间的矛盾也越来越尖锐。一方面社会对能源的需求量越来越大近百年来全球能源消耗基本呈稳定增长态势按%指数增加另一方面在世界范围内煤、石油、天然气等常规能源(不可再生能源)存储量剧减即将被人类耗尽。据估计石油和天然气将在未来.年间枯竭煤的开采年限也只有年见图而且常规能源的使用伴随着大量的污染各种氮化物、硫化物在矿物燃料的燃烧中排放到空气中酸雨、臭氧层空洞等环境问题日益突出大气层中温室效应气体的含量亦不断上升全球变暖已是每个人都能切身感受得到的现象严重影响了人类正常的生活和生产其可能带来的气候灾难不可估量。锯(X)年年焦年(I拒誉圜世界.:中国约年:{I牛f,s纯圈',J太阳能石油天然气煤铀图世界及中国能源使用年限预测图年全球人口已经超过亿能源需求折合成发电装机容量为.TW而世界上水能资源经济开采量只有.TW风能实际可开采资源为孙Ⅳ生物质能韫一拜婢缃纵网内蒙古师范人学硕上学位论文TW于是可再生的、丰富的、无污染的能源急需得到开发和利用太阳能正是因为具有这些优点而步入科学家的视野的【】’【。太阳辐射能资源非常丰富分布广泛不受地域和季节的限制其潜在资源TW实际可利用资源高达TW表.每秒钟照射到地球上的太阳能相当于万吨标准煤每天到达地球表面的太阳辐射能大约相当于.亿万桶石油到达地球表面上的能量密度约为Ⅵ/m因此合理开发利用太阳能、实现能源工业的可持续发展对世界各国来讲都具有重大意义。表能源需求与可再生资源年世界实际能耗TW年世界预测能耗TW年世界预测能耗TW未开发水力O.TW海洋能(潮汐、海浪、海流)TW地热能TW可利用风能TW全球太阳能TW经济可利用TW我国地处北半球幅员广阔有着丰富的太阳能资源。特别是西部地区年日照时间达h以上。太阳能分布最丰富的是青藏高原地区可与地球上最好的印巴地区相媲美。全国/以上的地区年日照大于h年均辐射量约为ViJ/m。青藏高原、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区光照资源尤为丰富而这些地区恰恰是我国供电困难的地区。.太阳能的发展状况及前景太阳能的利用主要有两种方式【】一是太阳能集热以太阳能热水器为代表另一种是太阳能发电主要依靠太阳电池来完成。太阳电池因其环保可单独发电迅速成为研究的热点。太阳电池是利用光生伏特效应直接将太阳能转化为电能的第一章弓l言光电器件【鄂。太阳电池的研究已有相当长的历史早在年法国Becquerel在电解槽中发现了光生伏特效应年Fdtts描述了第一个用硒制造的光生伏特电池年Ohl提出了硅pn结光伏器件在此基础上二十世纪弱年代太阳能利用领域出现了两项重大突破:一是年美国贝尔实验室的Chapin等入研制出了第一个实用的硅扩散pn结太阳电池其光电转换效率为%并很快将效率提高到%。二是年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志也是人类能源技术又一次变革的技术基础。年太阳电池首先在人造卫星上得以应用从此开始了研究、剥用太阳能发电的薪阶段。至今为止太阳电池已从最开始的单晶硅电池向薄膜电池【}发展如非晶硅太阳能电池、CIS太阳能电池、CdTe太阳能电池和纳米敏化太阳能电池还有~些新型的量子点太阳电池等。此外主要的生产技术也得到了快速的发展多晶硅铸造炉的发明及改进使多晶硅铸造形成规模化生产年多晶硅电池产量超过单晶硅成为光伏市场的主导产品用于多晶硅电池钝化和减反射膜涂层的PECVD氮化硅设备对提高商业化多晶硅效率发挥了重要作用而且推广到单晶硅电池上全自动化丝印机及分选机对提高商业化电池性能、生产效率、扩大规模等均发挥了重要作用这些技术都代表蓿太阳电池的技术发展到了~个相对成熟的阶段。{。..世界太阳能光伏产业现状及展望l世纪赫半期是人类能源结构发生根本性变革的时期在这个变革时期可再生能源将逐渐替代常规化石能源世界上很多国家和机构都预测了可再生能源在未来一段时间在总能源消耗中所占的比例按照预测年可蒋生能源占到%年占到%年占至lj%到年将超过%那时可再生能源将占有绝大数市场。世界太阳能光伏产业和市场在严峻的能源形势秽生态环境的压力下在技术进步促进下以及在法规政策强力推动下自世纪年代歼始步入了快速发展时期最近十年(.)太阳电池的年平均增长率为.%最近五年()的年平均增长率为.%特别是自年德国实施了经过修订的上两电价法以来市场需求急捌扩大光伏产品供不应求尽管有材料短缺的制约因素但年太阳电池/组件的年增长率仍然达到.%表王.为年不同国家和地区太阳电池产量及份额。内蒙古师范大学硕二t学位论文根据SolarbuzzLLC年度PV业报告年世界光伏系统安装量为MWp比年增长了%其中德国安装量为MWp占世界光扶市场总量的%继续为世界之首其余依次为西班牙(MWp)翻本(MWp)和美匿(MWp)表年世界主要国家和地区光伏市场及份额。年欧洲光伏市场占世界的%持续为世界最大的市场这主要是欧洲大部分国家实施了上网电价法使光伏市场得到了非常有效的启动年亚洲光伏市场占世界的%市场份额明显缩小主要原因是溅洲的光伏市场主要在同本而日本已经结束了政府补贴政策日本虽然仍是亚洲最大的光伏市场但总量有所减少加上世界总量在扩大导致鳆洲光伏市场明显缩小。表王一为年不冠国家秘地区太黧电池产爨及份额年国家和地区产量MW比例%日本中霞.中国TW.德国.欧洲。.美国...世界其他.。合计.世界光伏产业和市场发展的~个突出特点是并网发电应用比例越来越大从本世纪开始已经成为光伏发电的主导市场年欧洲的并网光伏系统比例达到%以上世界平均水平达到%说明光伏发电在能源中正在发挥着越来越大的替代作用太阳能光伏发电具有最广阔的发展前景是各国最着力发展的可褥生能源之一世界能源组织(匝A)对太阳能光伏发电的未来作如如下预测:年世界光伏发电的发电量占总发电量的l%年占总发电量的%。欧洲光伏工业协会(EPIA)对光伏发电的预测年世界光铰组件年产量将达到GWp光伏发电总装机容量GWp发电量TWh占全球发电量的第一章引言l%年光伏发电量为TWh占全球发电量的%。表卜年世界主要国家和地区光伏市场及份额国家和地区安装量MWp份额%排序德国.王西班牙.R本.美国.意大利.l中国O.王韩国O.l‘法国lSO.世界其他.表年至年革晶硅、多晶硅耩薄膜太辩电池的产量变化情况。单位:Mwp年份单晶硅电池多晶硅.‘..电池薄膜电池总计。。.上世纪年代以来联合国召开了一系列高峰会议讨论和制定世界太阳熊战略规划、国际太阳能公约设立国际太阳能基金等旨在推动全球太阳能和可再生能源的开发剩用。}{本逶产省(MITI)第二次新熊源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划目标是年光伏发电装机容量达到GW欧盟的可再生能源彝皮’持及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里科碑总墨标是年光内蒙吉师范大学硕士学位论文伏发电装机容量达到GW美国能源部也制订了相应的光伏规划以实现美国能源供应、社会发展和保持世界光伏产业领导地位的战略目标按照预计的发展速度年美国光伏发电装机容量将达到.GW澳大利亚计划于年使光伏发电的装机容量达到.GW。表美、欧、日太阳能光伏发电路线图及世界光伏发电预测(GWp)年度’美国..欧洲O..l日本O..世界总计.在光伏产业不断扩大的同时太阳电池制作技术也得到了快速发展技术是降低光伏发电成本、促进光伏市场产业和市场发展的重要因素先进技术不断向产业注入使商业化电池的效率不断提高单晶硅%.%多晶硅%.%非晶硅%.%非晶硅/微晶硅叠层电池效率为%.%而且性能不断提高。多年来太阳电池的硅片厚度从年代的.#m降低到目前的.#m降低了一半以上降低硅片厚度是减少材料消耗降低成本的有效技术措施。澳大利亚新南威尔士大学开发的高效单晶硅电池效率己达.%美国、日本、德国的单晶硅电池效率也达到%以上。在微晶硅薄膜太阳电池研究方面:年德国Julich光伏技术研究所利用等离子化学气相沉积技术制备出了单结微晶硅薄膜太阳能电池其转换效率达到了%。年美国UnitedSolar制备出微晶硅单结太阳电池其转换效率为.%但其微晶硅与非晶硅的叠层电池的转换效率达到了.%而在异质结太阳电池的研发中日本三洋公司具有较大优势其转换效率已达到.%。..中国太阳能光伏发电现状及展望太阳电池在我国已有半个多世纪的发展历史【我国第一个空间太阳电池载于年发射的VangtuardI体装式结构单晶硅衬底效率约%(*C)到了年第一章引言代科学家们改善了电池结构采用BSF、光刻技术及更好减反射膜等技术使电池的效率增加到%。我国光伏产业从无到有从小到大在世界光伏市场的强力拉动下我国太阳能电池产业持续快速发展截至年底从事太阳电池生产的企业达到余家年我国太阳电池的产量为MWp(其中非晶硅电池为.MWp)比上一年增长.%产量超过日本(MWp)和欧洲(.MWp)成为世界上第一大太阳电池生产国。年我国光伏系统的安装总量约为MWp累计装机MWp。:在我国已经制定的可再生能源长期发展规划中明确提出了光伏发电的发展目标:到年光伏发电总容量达到万千瓦到年光伏发电总容量达到万千瓦:根据初步预测到年光伏发电有可能实现亿千瓦的容量水平到年则能形成上亿千瓦装机的水平在我国发电装机中占%左右。.开题思想及本学位论文的主要内容光伏产业是未来的一个朝阳产业。太阳电池中研究最早的单晶硅太阳电池因成本高材料消耗严重因此大规模推广的可能性很小。非晶硅薄膜太阳能电池因其采用低温工艺技术㈦(约。C)耗材少(电池厚度小于肛m)材料与器件同时完成便于大面积连续生产这种低耗材、低功耗的低成本优势倍受重视从而得到迅速发展。但是由于非晶硅的光学带隙为.eV对太阳光谱的长波区域反应不敏感限制了光电转换效率且非晶硅薄膜的光致衰退(SM效应【】使得电池的性能不稳定这些是亟待解决的方向性问题。近些年来微晶硅薄膜太阳能电池以及非晶/微晶叠层电池【】的研究成为热点。通常认为:微晶硅薄膜是微晶粒、晶粒间界、空洞和非晶相共存的混合相材料【j即具有高的吸收系数和光学稳定性又可拓展光谱响应范围而且其制备工艺与非晶硅材料的制备工艺相同。为了获得成本低、效率高的微占^硅太阳电池人们做了大量的实验工作取得了很大的进展但是理论模拟部分的研究工作相对较少。本文选择微晶硅/晶体硅异质结太阳电池为研究对象探索影Ⅱ向微晶硅太阳电池性能的主要原因最终设计、模拟了微晶硅/晶体硅异质结太阳电池。本文研究的主要内容可总结如‘F:()用np型和pn型微晶硅电池作比较比较了两者的I.V特性。发现pn型内蒙古师范大学硕士学位论文太阳电池有更大的优越性。()微晶硅窗口层主要是建立内电场并且吸收短波光子探讨了窗口层厚度、带隙和掺杂浓度影响微晶硅太阳电池效率的主要原因并得到窗口层的最佳参数。()本征i层、背场的引入有效的提高了电池的效率改善了电池的稳定性主要讨论了本征i层、缺陷态浓度和背场对电池性能的影响得到本征层和背场的最佳参数模拟发现合适的本征i层、微晶硅背场可以将电池的转化效率提高个百分点。()叠层电池具有不同的带隙吸收不同波长的光子有效提高了太阳光的利用率我们发展了一种双结叠层太阳电池的模型在单结电池光伏实验参数的基础上模拟微晶硅双结叠层电池的性能首先优化各组分电池的性能然后获得各组分电池之间的最佳匹配。第二牵太弱电漶鳇工作聂理第二章太阳电池的原理太阳能是一种辐射能如果想要利用太阳能就必须借助予能量转化器才能转变为电能这个把太阳能转变成电能的器件就是太阳电池。太阳电池工作的基础是半导体PN结的光生伏打效应【。所谓光生伏打效应简单的说就是当半导体受到光照时其体内的电荷分布状态发生变化价带电予就可以吸收光子的能量跃过禁带进入导带在PN结的两端产生电动势和电流的一种效应。半导体太弱电池的工作原理可以概括成下面几个主要过程【。第一必须有光的照射可以是单色光、太阳光或模拟太阳光源等而且要求入射光的光子能量要大于半导体的禁带宽度。第二光子注入到半导体内后激发出电予.空穴对。这些电子和空穴应有足够长的寿命在它们被分离之前不会复合消失。第三必须有空闷电荷场在电场的作用下激发磁来的电子.空穴对被空间电场分离电子集中在一边空穴集中在另一边。绝大部分太阳电池利用PN结势垒区的静电场实现分离电子一空穴对的目的PN结是太阳能电池的核心部分。第四被分离的电子和空穴由电极收集经由外电路输出到电池体外形成电流。.PN结众所周知高纯半导体材料具有很大的电阻因此导电性能很差。绝对纯的且没有缺陷的半导体称为本征半导体根据需要在本征半导体中掺入一定数量的杂质就可以得到掺杂半导体。硅是一种重要的半导体材料它具有个价电子若在硅中加入V族元素(如磷)在硅的晶格中的一个磷原子的四个电子与周围的四个硅原子的电子形成共价键还剩一个价电子处于游离状态雨使磷原子电离这科提供电子的杂质称为施兰杂质这种掺有施主的半导体称为N型半导体】。在N型半导体中电子的浓度远大于空穴浓度电流主要靠电子来输运由于掺入的杂质比硅多一个价电于这个电子在硅中可以起传输电流的作用这里多数载流予是电子称为(多子>空穴是少数载流子称为(少内蒙古师拖犬学硕”{:学位论文子)。若在硅中加入III族元素(如硼)一个硼原子在晶格中与周围的四个硅原予组成共价键时缺少一个电子也就相当于多了一个空穴在这种半导体中相当予空穴是多子而电子是少子这种杂质称为受主杂质。把这种掺有受主杂质的半导体称为P型半导体。由于掺入的杂质比硅少一个价电子P型半导体材料中空穴超导电作用在P型半导体中存在着大量带正电荷的空穴同时也存在着等量的带负电荷的电离了的受主离子因此也保持电中性。电‘静’。敞^’阳·四《≈固g蛰鬯嬉萄萤对§鬯鬯曹固≈镱蟪c镑◇镑≈留憩四固锈锩鬯N区P垅浏一l形成pn结游载流子的扩散过程把N型半导体和P型半导体十分紧密的接触在两者的交界面处就形成PN结疆。如图.所示N型和P型半导体接触后由于交界面处存在着电子和空穴的浓度差N区中的多数载流予(电子>要淘P区扩散P区中多数载流子(空穴)要向N区扩数。扩散后对予P区空穴离开后留下了不能移动的带负电荷的电离受主.这些电离受主没有正电荷与之保持电中性因此在pn结附近P区一侧出现了一个负电区。同理在pn结附近n一侧}B现了由电离施主构成的一个难电荷区通常就把这层~侧带正电荷而另一侧带负电荷的很薄的区域称为空闻电荷区郎通常所说的PN结如匿。。够鬯譬$囝o奄奄鬯心譬时e◇◇e奄鬯罅啦心o④oo奄§楚书碍①oe尊鬯镑N迭‘密闻电衙区‘p试圈空间电荷区簿l内建电场第二章太霞电池熬t裕聚理空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向P区即从正电荷指向负电荷的电场称梵内建电场。在内建电场俸用下载流子作漂移运动。显然电子和空穴的漂移运动方囱与它们各翻的扩散运动方向相反因此内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散运动的进行空间电荷逐渐增多空间电荷区也逐渐扩展同时内建电场逐渐增强载流予的漂移运动也逐渐增强。在无外电压的情况下载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡郎从n区向P区扩散过去多少电子网时就将有丽样多的电子在内建电场作用下返回rl区毽丽电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反丽互相抵消对于空穴情况完全相似因此没有电流流过pn缁。或者说流过pn结的净电流为零。这时空间的数量~定空间电荷去不再继续扩展保持一定的宽度其中存在一定的内建电场。~般称这种情况为热平衡状态下的pn结。平衡龋结酶情况可以用熊带匿表示】。如蓬.表示n型、P型两块半导体的能带图EFn辜iq.妻一.VDN区P区图pn结的接触势垒’图中EFn和EFp分别表示n型和P型半导体的费米能级当两块半导体结合形成pn结时按照费米能级的意义(费米能级标志着电子填充能级的水平费米能级位置越高说明有较多的能量较高的量子态上有电子)电子将从费米能缴高的n区流内费米能级低的P区空穴则麸P区流向n区因而EF.不断下移且‰不断上移直至EFn=EFp时为止。这时pn结中有统一的费米能级勖pn结处于平衡状态其能带如图.所示。事实上EF.是随着n区能带一起下移EFp是随着P区能带一起上移的。能带相对移动的原因是pn结空间电荷区中存在内建电场的结果。随着从n区指向P区的内建电场的不断增加空闻电荷区内电势V(x)壹n区内P区不断降低丽电子的电势能.qV(x)则由n区向P区不断升高所以P区的能带相对il区上移而n区的能带相对P区下移直至费米能级处处相等时能带才停止相对移动pn结达到平衡状态肉蒙吉师范犬学硕士攀位论文因此pn结中费米能级处处相等恰好标志了每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消没有净电流通过pn结。厂jL盛>r∥铲惫/N区k瓣哼P区圈熟平衡pn结能带圈导带从图.中可以看出在pn结的空间电荷区中能带发生弯曲这是空间电荷区中电势能变化的结果。因能带弯曲电子从势能低的n区向势能高的P区运动时必须克服这一势能高坡才能到达P区这一势能高坡通常称为pn结的势垒故空间电荷区又称势垒区。平德p藏结的空间电荷区两端间的电势差VD称为内建电势差或接触电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为pn结的势垒高度从图中可以看出势垒高度正好补偿了n区和P区费米能级之差使平衡pn结的费米能级处处相等因此键yDEF。一E隧即%=盟q一坚q(觑》no坚q沏埤ni)p上式表织VD和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定的温度下结两边的掺杂浓度越高接触电势差VD就越大禁带宽度越大ni越小VD也越大若NA=cm‘ND=cm一室温下硅材料ni=.xcm~则硅的VD=.V。第二窀太阳电池的工作原理...非平衡的pn结所谓非平衡pn结楚指外加偏压请况下的髓结此时舯结不平衡其势垒和平衡时不同扩散电流将不能与漂移电流相消这时有电流通过P.N结。秘结加正向电压V(即P区按电源正板n区接负极)时因势垒区域载流子浓度很小电阻很大势垒区外的P区和n区中载流子浓度很大电阻很小所以外加正向偏压基本降落在势垒区正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场因而减弱了势垒区中的电场强度这就说明空间电荷相应减少故势垒区中的宽度也减小同时势垒高度从qVD下降为q(vD.v)如图.。钕蒋//空闻电荷区N区一Fp嚣图外加正向电压时的pn结能带势垒高度降低了破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原来的平衡削弱了漂移运动使扩散流大于漂移流所以在加正向偏压时产生了电子从n区向P区以及空穴从P区向n区的净扩散流。电子逶过势垒区扩散如P区在边晃pp’处形成电子的积累成为P区的非平衡少数载流子结果使PP处电子浓度院P区内部高形戒了从即’处向P区内部的电子扩教流。j}平衡少予边扩散边与P区的空穴符合经过比扩散长度大若干倍的距离后全部被复合。这一区域成为扩散区在~定的j}i蠢偏噩下单位时闻从n区来到Pp处的非平衡少子浓度是一定的并在扩散区内形成稳定的分布所以当正向偏压一定时在鞭’处就有一不变的窝P区内部流动的电子扩散流固理在边界nn处也有一不变的向内部流动的空穴扩散流n区的电子和P区的空穴都是多数载流孑分别进入P区和鼗区看成为P区和n区的非平衡少数载流予。当增大征偏压时势垒降得更低增大了流入P区的电子流和流入n区的空穴流。内蒙古帅范大学顾I:学位论文n再考虑PN结加反向电压V的情况即P型一边接负N型一边接正。反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致因此加上反向电压后势垒中电场将增大势垒区变宽势垒高度将比平衡时升高变成q(VDV)如图所示。导静/『jj、>·言>苫专/『N区卜案一P区图加反向偏压时pn结能带图由于受反向P.N结势垒中强电场的作用势垒边缘处的少数载流子都被电场驱走使得势垒边缘处的少数载流子都被电场拉走使得势垒两边扩散区中少数载流子浓度低于平衡时浓度。在N型一边扩散区中产生的空穴扩散到势垒区受强电场作用拉入P型区与那里扩散区产生的空穴汇合在一起向负电极运动。电:子的运动情况也完全类似P型一边扩散区中产生的电子扩散到势垒区再受电场作用漂移过势垒区与N型一边扩散区中产生的电子汇合在一起向正电极运动。电子电流和空穴电流在势垒区扩散区互相接替转换组成由N区到P区的反向电流。由于从N区抽出的空穴及从P区抽出的电子都是少数载流子因为少子浓度很低而扩散长度基本不变化所以反向偏压时少子的浓度梯度电较小当反向电压很大时边界处的少子可以认为是零。也就是说少数载流子浓度梯度不随反向电压而变而反向电流的大小取决于扩散区的少数载流子浓度梯度。这时少子的浓度梯度不再随电压变化因此扩散流也不随电压变化所以在反向偏压下pn结的电流较小并且趋于稳定不变。当外加正向电压V时流过PN结的电流密度Ji可由下式表示【llJiaaJ。【exp(西qV)一II()第二章太阳电池的工作原理式中反向饱和电流密度为:J。鲑盟uN膏LNDLP其中ni为平衡时半导体的本征载流子浓度。NA、ND分别为p区和n区的掺杂浓度。Dn、DP为电子和空穴的扩散系数。k、b分别是电子和空穴的扩散长度。..光照下的PN结光照下的P.N结也是一个非平衡的PN结。前面的讨论中指出由于外加电压产生非平衡载流子注入破坏了P.N结的平衡电流通过P.N结。在光照情况下注入的非平衡载流子是由于光激发后的电子一空穴对产生。只要光子的能量等于或大于Eg光子照射入半导体内把电子从价带激发到导带在价带中留下一个空穴产生了一个电子一空穴对。被激发的电子有一种自发的倾向重新跳回价带与空穴复合把吸收的能量放掉恢复平衡位黄。所以必须在电子和空穴复合之前把电子和空穴分开使它们不会再复合实现光转换成电的目的。这个分离作用可以通过P.N结的空间电荷区来实现。若一束光照射在PN结的表面上由于不同光的光子的波长和能量不一样半导体材料的吸收系数也不一样高能光予在PN结的顶层产生电子.空穴对。由于pn结势垒区存在着较强的自n区指向p区的内建场如果所产生的电子与空穴对有足够长的寿命那么P区和N区中的光生少子各自扩散到P.N结的势垒区附近结两边的光生少子受到该场的作用各自向相反的方向运动:p区的电子穿过pn结进入n区n区的空穴穿过pn结进入p区使p端电势升高n端电势降低于是pn结两端形成了光生电动势。由于光照产生的载流子各自向相反的方向运动从而在pn结内部形成了自n区向p区的光生电流IL。由于光照在pn结两端产生的光生电动势注意到光生电场的方向与原来PN结空间电荷区的电场方向相反棚当于在pn结两端加上正向电压v使势垒降低为q(VD.Ⅵ产生正向电流ID根据pn结的整流方程(又称肖克莱方程)【在正向偏压V作用下通过结的正向电流为:内蒙古师范大学硕上学位论文L一exp(西qV一)()电流ID与光生电流IL方向相反达到平衡时IL=IDQ一a)即DIoexp(西qV一)=o(b).太阳电池的伏安特性如果在太阳能电池两端接上一个负载电阻尺那么太阳能电池在工作状态下的等效电路【冽如图。所示如图太阳电池等效电路上tR它相当于一个电流为锄的恒流源与一只正向二极管并联流过二极管的电流在太阳能电池中称为暗电流易流过负载的电流为。这是理想太阳能电池的等效电路。电池的理想伏安特性为【l皇兰=工一L=‘一盯一)(.)在存在电阻负载时负载为一直线如图.所示第二章太阳电池的工作原理IlI、\一繁曲线\V图.a电池伏安特性曲线图.b电池工作点其斜率由电阻的大小决定。负载线与伏.安特性曲线的交点w为工作点。负载电阻RL从电池获褥的功率为:PI×V(。)即圈中矩形面积能使矩形面积为最大的负载电阻称为最佳负载。最佳负载能够从太阳电池获得最大输出功率。表征太阳电池特性有以下几个重要参数翻】.()开路电压Voc当电池处于开路状态时RL趋于无穷I=所以可以解出光生电压Vph表达式如下:‰。坚砌(争)(.)日』o由予lL与入射光强成疆比因此Voc它也随入射光强增加而增大与入射光强的对数成正比不过Voc并不会无限增大当它增大到pn结势垒消失时达到最大值因此有VocMARACEK首次制备了微晶硅薄膜以来。人们对其展开了大量的研究年瑞士的MEIER等报导了第一个单结微晶硅薄膜电池Neuchate团队提出了以微晶硅为底电池、非晶硅为顶电池的叠层电池【l这种电池结合了非晶硅及其制备技术的优点和微晶硅良好的长波响应和稳定性好的优点。由于微晶硅薄膜电池兼有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池的低成本的优势很快就成为光伏领域研究的热点并被视为太鞭电池的下~代技术。微晶硅太阳电池的研究热潮起始于年经过近十年的广泛研究单结微晶硅电池最高效率达到.%衰退率约为%:z晶硅/微晶硅叠层电池最高效率达到.%非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层电池最高效率达到.%稳定效率.%衰退率.%L:iN差N(cmxcm)三结叠层电洼最高效率为.%。我囡对微晶硅材料稠电池的研究始于项目(年)经过五年多的努力单结微晶硅电池效率达到.%非晶硅/微晶硅叠层电池效率.%非晶硅/微晶硅叠层组件效率.%(PSi开大学)以上结果接近国际先进水平。..微晶硅材料的介绍.。微晶硅材料的性质一般认为微晶硅材料fl毒蚓是l裔纳米晶硅、晶粒边界、空洞和非晶硅共存的混合相材料微晶硅最重要的特征体现在微结构萁性质主要有:晶化率、结晶择优取向、晶粒大小、组分的键和情况等。年Luysberg等人发现:在高氢稀释和低衬底温度下生长的微晶硅薄膜中柱状晶粒是形态学上的主要特点。微晶硅的制备可采用与非舀硅求{兼容的技术醐f姻具有接近单晶硅的光学带隙兰.ev可将光谱响应扩展到乡l:外区域丽虽几乎没有光致衰退效应其提高效率的潜力很大成为国内外埘究的热点。内蒙古师范大学硕士攀位论文。.。微晶硅的表征微晶硅晶化率的研究主要是以拉曼散射谱为手段单晶的拉曼散射峰在cm矗处在这个峰对应着晶体硅中的类TO模式对于晶化率比较高的微晶磋薄膜类TO模式通常在cm。处。而非晶硅的类TO模式在cm"处微晶硅薄膜中在cm五处有一弱峰这个峰是归因于在微晶硅中孪生晶粒边界处六角形硅的出现。通常用如(.)式计算材料的晶化率【:x.。L(.)‘c÷l。、》这里k是cm五和∞cm。处的高斯峰面积之和Ia是cm矗处菲晶硅的高斯峰面晶体硅异质结太阳电池的模拟与优化在线阅读积。x衍射谱能够确定晶粒的尺寸与方向衍射模式可以揭示主要方向()也可以显示()()沉积的薄膜首先出现()处的衍射峰随着薄膜的生长()方向的峰越来越强显示了()方向的择优取向晶粒尺寸可以由Debye.Scherrer公式(KlugandAlexander)估算求得:d?一生一。..一(.)(A)cos式()中冀

上一篇:晶体硅太阳能电池,crystalline silicon cells,音标,读音

下一篇:信阳市太阳能光伏焊带回收服务

推荐文章