np型高效异质结太阳能电池的模拟(2)

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

2.4 光电转化效率

光电转化效率指的是太阳能光伏系统中太阳能电池板把太阳光能转化为电能的效率。与量子效率有关。定义量子效率为每秒产生的平均光电子数与每秒入射波长为λ的

光子数之比。用η(λ)表示。如果光照时，每产生一个光电子，在外电路中都输出一个电

子。则电池输出光电流为

Ip= eηΦ0/ hν

其中Φ0为辐射通量。

2.5 影响太阳能电池性能的因素

能够对异质结太阳能电池性能产生影响的因素有很多，不同的结构，不同的材料以及环境因素都能够对其产生影响。而如何进行参数的选择，一些参数的改变对电池性能有什么影响，以及如何选取最合适的参数，是一个需要讨论研究的过程。

2.6 相关参数介绍

2.6.1 电子亲和势

电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，就越容易逸出。如果电子亲和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态。如图4所示，列举三种电子亲和势的示意图。

图4 三种电子亲和势示意图

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2.6.2 状态密度

状态密度是固体物理中的重要概念，即能量介于E～E+△E之间的量子态数目△Z与能量差△E之比，即单位频率间隔之内的模数。N-E关系反映出固体中电子能态的结构，固体中的性质。如图5所示，曲线1和曲线2分别表示gc(E)和gv(E)与E的关系曲线。

图5 状态密度与能量的关系

2.6.3 迁移率带隙与光学带隙

迁移率带隙的概念是针对非晶态半导体的，因为长程有序的消失，短程有序的保留，在晶态半导体的导带和价带基础上出现深入带隙的带尾态。同时，由于非晶态对完美晶格的背离使得电子能级出现扩展态和局域态的分别。扩展态中电子对应晶态半导体中的自由电子（及空穴），局域态中电子受到弥散输运机制的影响，与扩展态电子的主要差异在于迁移率的不同。因此能带中扩展态和局域态的分界被称为迁移率边，导带迁移率边到价带迁移率边被称为迁移率带隙。定义其光学带隙的简单方法是E03或E04，即吸收系数为103cm-1或104cm-1时所对应的光子能量。

2.6.4 迁移率

迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。溶液中带电粒子在电场中向着与它相异电荷的电极移动，它的移动速度V是电场E和粒子的有效质量m*的乘积，即：V= m*·E。

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3 参数描述

3.1 Afors-het软件

Afors-het软件是德国一个硏究所针对异质结电池专门研发的模拟软件，可以数值模拟各种结构因素对太阳能电池性能的影响，用Afors-het程序模拟计算了不同本征层厚度、能隙宽度、发射层厚度以及不同界面态密度等参数对太阳电池光伏特性的影响。 软件主界面如图6所示。主要利用到的按钮及其功能如下：

1 Define structure:定义光电池的结构，通过此按钮定义模拟光电池的结构。

2illumination/spectral:此按钮功能为给光电池提供模拟光照。一般选择spectral类型用模拟仿真。

3calcI-V:通过此按钮可以观察I-V特性曲线，并且计算出短路电流、开路电压、填充因子以及电池效率。

4 calc QE:用于观察光电池的量子效率及光谱响应。

5 Parameter Variation:用于设置特定参量的变化，观察电池性能受该参量变化引起的影响。

图6 Afors-het软件主界面

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3.2各层基本参数的意义及选取

本次课程设计通过选取n/p异质结太阳能电池作为研究对象。利用Afors-het软件，通过分析各层参数的改变，对电池各个特性产生的影响。最终通过参数的选取来实现高效率太阳能电池的设计。模拟分析n/p型高效异质结太阳能电池的结构如图7所示。

图7 异质结太阳能电池的结构

3.2.1 a-Si(n)层

n层作为发射层，其性能在决定电池性能上有重要作用，由于结构无序和高的掺杂量，发射层载流子的扩散长度很小，且只有漂移电流而无扩散电流。另一方面，由于掺杂浓度髙，发射区中空间电荷区的深度很小，甚至当厚度对于最薄的a-SiH层，将不存在电场区。因而发射区应尽可能的薄，且要做得重掺杂。

选取n型晶体硅作受光面。考虑到制作工艺及其他因素，n层厚度控制小于5nm。掺杂浓度控制在1019cm-3左右来研究各层参数变化对n/p型高效异质结太阳能电池的性能的影响。

3.2.2 a-Si(i)层

加入本征层i层后，能够改善蓝波段的光谱响应，大大提高了n/p型高效异质结太阳能电池的短路电流，从而提高了太阳能的转化效率。但是存在于非晶硅和晶体硅之间的本征非晶缓冲层的厚度不能设计得过厚，否则将对效率额提高不起到作用。模拟仿真时，i

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层厚度基本上在控制在0~30nm来研究其对n/p型高效异质结太阳能电池性能的影响。

3.2.3 c-Si(p)层

通过查阅资料后，将p区设计为衬底，厚度设置为300μm。材料选取具有较高迁移率的晶体硅。因此i层与p层之间将存在界面态缺陷密度。界面态缺陷密度对异质结太阳能电池的特性将产生影响。通过设置界面态密度范围为1010~1014cm-2/eV来研究其对n/p型高效异质结太阳能电池的性能的影响。

3.2.4 其余相关参数设置

模拟仿真中，n/p型高效异质结太阳能电池结构电无陷光结构和背场效应。正背面电极为欧姆接触，非晶硅和晶体硅的材料参数以及欧姆接触的载流子界面复合速率等模拟参数见表1。模拟光照为具有倾斜通过大气层的太阳光谱特征的光照量，即AM1.5，100mW/cm2。有效波段范围为0.38~1.10μm。

表1 模拟计算中采用的各层参数

结构参数 层厚（nm） 电子亲和势（eV） 能隙宽度（eV） Nc（cm-3） Nv（cm-3） μn（cm2V-1s-1） μp（cm2V-1s-1） ND（cm-3） NA（cm-3） a-Si(n) 5 3.8 1.12 1×1020 1×1020 5 1 1×1019 0 a-Si(i) 0~30 3.6 1.5 1×1020 1×1020 5 1 0 1×1017 c-Si(p) 300000 4.05 1.12 2.8×1019 1.4×1019 1350 450 0 0

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