np型高效异质结太阳能电池的模拟

武汉理工大学《专业课程设计3（半导体物理）》课程设计说明书

目录

1 技术要求 ............................................................................................................................. 3 2 基本原理 ............................................................................................................................. 3

2.1 pn结的形成 ............................................................................................................ 3 2.2 pn结的光伏效应 .................................................................................................... 4 2.3 pn结的电流电压特性 ............................................................................................ 5 2.3.1 开路电压 ......................................................................................................... 5 2.3.2 短路电流 ......................................................................................................... 5 2.4 光电转化效率 ........................................................................................................ 6 2.5 影响太阳能电池性能的因素 ................................................................................ 6 2.6 相关参数介绍 ........................................................................................................ 6 2.6.1 电子亲和势 ..................................................................................................... 6 2.6.2 状态密度 ......................................................................................................... 7 2.6.3 迁移率带隙与光学带隙 ................................................................................. 7 2.6.4 迁移率 ............................................................................................................. 7

3 参数描述 ............................................................................................................................. 8

3.1 Afors-het软件 ......................................................................................................... 8 3.2各层基本参数的意义及选取 ................................................................................. 9 3.2.1 a-Si(n)层 ........................................................................................................... 9 3.2.2 a-Si(i)层............................................................................................................ 9 3.2.3 c-Si(p)层 ......................................................................................................... 10 3.2.4 其余相关参数设置 ....................................................................................... 10

4调试过程及结论 ................................................................................................................ 11

4.1 本征层对电池性能的影响 .................................................................................. 12 4.1.1 本征层厚度的影响 ....................................................................................... 12 4.1.2 本征层能隙宽度的影响 ............................................................................... 13 4.2 发射层厚度对电池性能的影响。 ...................................................................... 14 4.3 发射层厚度对光谱特性的影响 .......................................................................... 14

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4.4 界面态的影响 ...................................................................................................... 15 4.5 调试结论 .............................................................................................................. 17 5心得体会 ............................................................................................................................ 20 6参考文献 ............................................................................................................................ 20

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n/p型高效异质结太阳能电池的模拟

1 技术要求

利用Afors-het软件，通过参数的选取来实现高效率太阳能电池的设计。要求： （1）各层基本参数的选取及意义；

（2）本征层参数变化对太阳能电池效率的影响； （3）发射层及界面态对太阳能电池性能的影响； （4）用Afors-het来进行模拟。

2基本原理

2.1 pn结的形成

杂质半导体按照掺杂的杂质类型的不同可以分为p型半导体和n型半导体。 p型半导体主要掺杂的杂质为三价元素为主,而n型半导体主要掺杂的杂质主要以五价元素为主。所以二者在许多特性方面有着很大的不同。

在p型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。n型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当p型和n型半导体接触时，在界面附近空穴从p型半导体向n型半导体扩散，电子从n型半导体向p型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。p型半导体一边的空间电荷是负离子，n型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，此电场阻止载流子进一步扩散，产生电场与扩散两者产生的效果相当时，载流子分布达到平衡。如图1所示。

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图1载流子达到平衡示意图

2.2 pn结的光伏效应

一块半导体中p区与n区的交界面称为pn结。pn结受到光照时，可在pn结的两端产生电势差，这种现象则称为光伏效应。

当pn结受到光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因p区产生的光生空穴，n区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有p区的光生电子、n区的光生空穴以及结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时，能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在n区边界附近有光生电子积累，在p区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡pn结的内建电场方向相反的光生电场及光电流，其方向由p区指向n区，如图2所示。

图2 pn结受光照产生的光电流

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此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差。入射的光能就转变成了电能。pn结作电源的等效电路如图3所示。

图3 pn结作电源的等效电路

2.3 pn结的电流电压特性

与热平衡时比较，有光照时，pn结内将产生一个附加电流，即光电流Ip，其方向与pn结反向饱和电流I0相同，一般Ip>I0。此时

I=I0e(qU/KT)-(I0+Ip) 令Ip=SE，则 I=I0e (qU/KT) - (I0+SE)

2.3.1 开路电压

PN结的开路电压Voc表示在光照下的pn结外电路开路时，p端对n端的电压，即上述电流方程中I=0时的U的值，令I=0得到

0=I0e(qU/KT) - (I0+SE)

Voc= (KT/q) ln(SE+I0)/I0≈ (KT/q) ln(SE/I0)

2.3.2短路电流

pn结的短路电流Isc表示光照下的pn结在外电路短路时，从p端流出，经过外电路，从n端流入的电流。即上述电流方程中U=0时的I值，令U=0得到

得Isc=-SE。

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