专业课程设计3半导体物理课程设计说明书异质结太阳能电池微晶硅背场的模拟优化1

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1、目 录1技术要求22基本原理22.1异质结太阳能电池的结构及原理22.2背场的相关概念32.3 Afors-he软件的学习了解33参数描述33.1太阳能电池前两层的固定参数33.2太阳能电池背场的可调参数43.3太阳能电池背场的固定参数44调试过程及结论54.1调试过程54.1.1太阳能电池相关参数的设定54.1.2太阳能电池模拟结果对比74.2优化过程94.2.1背场层厚的优化94.2.2背场带隙宽度的优化124.2.3背场掺杂浓度的优化144.3结论175心得体会186参考文献19异质结太阳能电池微晶硅背场的模拟与优化1 技术要求设计a-Si/c-Si/uc-Si太阳能电池，分析背场参数对

2、异质结太阳能电池效率的影响。要求：（1）背场厚度对太阳能电池效率的影响；（2）背场掺杂浓度对太阳能电池效率的影响；（3）背场带隙对太阳能电池效率的影响；（4）采用Afors-het来进行模拟。 2 基本原理2.1 异质结太阳能电池的结构及原理异质结太阳能电池的基本结构是发射区、单晶硅基区、背场区，其物理模型如图1所示。图1 太阳能电池的物理模型太阳光从发射区前表面入射，进入单晶硅基区后被吸收，光生电子和空穴靠扩散运输到pn结区和背面高低结区，在结区空间电场的作用下分别向发射区和背场区漂移。在实际制作过程中，对于背场，希望利用的是高低结区对光生少子的背反作用，而这种作用主要取决于两边材料的能带匹

3、配和掺杂浓度。影响异质结太阳能电池性能的最主要因素是单晶硅区的光电性质和前后两个结区的能带结构。2.2 背场的相关概念背场是用来提高太阳电池效率的有效手段。所谓背场指的是可对光生少子产生势垒效果的区域，从而减少光生少子在背表面的复合，这个势垒不但可以提高光电流，还可以在一定程度上提高光电压，因此背场的选择对太阳电池的性能影响很大。通常是靠一层与吸收区掺杂类型相同，但掺杂浓度更高的掺杂层来实现。2.3 Afors-he软件的学习了解Afors-he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。釆用Afors-he数值模拟软件，在已研究的异质

4、结太阳能电池的基础上，加入微晶硅背场，来模拟微晶硅背场厚度，带隙和掺杂浓度对异质结太阳电池性能的影响，寻找微晶硅背场的最佳参数。采用微晶硅薄膜做背场的理由是，微晶硅是纳米晶硅，晶粒边界， 空洞和非晶硅共存的混合相，具有掺杂效率高，电导率高，载流子迁移率大等特点，它既具有非晶硅的高吸收系数，同时又具有单晶硅稳定的光学性质，而且微品硅的禁带宽度是可以随着晶相比变化连续可调，很容易得到与最高转化效率相对应的参数。通过老师的两次讲解，和自己的摸索，基本掌握了Afors-he软件的使用方法，并对异质结太阳能电池微晶硅背场进行模拟优化。3 参数描述 3.1 太阳能电池前两层的固定参数由于太阳能电池的模型和

5、材料已固定，第一二层得相关参数也是固定的。由相关资料参考，得出其固定参数如表1所示。表1 a-Si（n）和c-Si（p）的固定参数3.2 太阳能电池背场的可调参数 基于模拟仿真优化要接近实际的考虑，系统的每个参数都要有一定的范围，该系统涉及的可调参数主要有三种：薄膜背场的层厚5nm20nm；薄膜背场带隙宽度1.11.8eV；薄膜背场的掺杂浓度1E22cm。3.3 太阳能电池背场的固定参数太阳能电池背场除了三个可调参数，其他参数也为固定的。由相关资料参考，得出其相关参数如表2所示。表2 背场的相关参数4 调试过程及结论 4.1 调试过程4.1.1 太阳能电池相关参数的设定 使用Afors-he软

6、件新建三个层，根据参考参数对每层的具体数值进行设置。根据相关资料，使用背场层厚5nm；薄膜背场带隙宽度1.74eV；薄膜背场的掺杂浓度为1E20 cm-3作为参考背场。每一层的材料和参数设置如图2、3、4所示。图2 太阳能电池第一层的参数图3 太阳能电池第二层的参数图4 太阳能电池第三层的参考参数4.1.2 太阳能电池模拟结果对比 使用参考背场进行I-V模拟与未加背场的太阳能电池，在光照后对比开路电压，短路电流，填充因子，转化效率，四项指标，转化效率越高越好。未加背场的模拟结果如图5所示。图5 未加背场的太阳能电池I-V模拟图模拟结果为开路电压652.3mV，短路电流38.53mA/com，填

7、充因子83.19%，转化效率20.91%。加参考背场后的模拟结果如图6所示图6 加背场后的太阳能电池I-V模拟图模拟结果为开路电压793mV，短路电流41.07mA/com，填充因子87.07%，转化效率28.36%。未加背场的太阳能电池与加参考背场的太阳能电池I-V模拟对比图如图7所示。图7 未加背场与加背场后的太阳能电池I-V对比图未加背场的太阳能电池与加参考背场的太阳能电池I-V模拟后性能参数如表3所示。表3 未加背场与加背场后的太阳能电池性能参数对比性能参数开路电压短路电流填充因子转化效率未加背场的太阳能电池652.3mV38.53mA/com83.19%20.91%加参考背场的太阳能

8、电池793mV41.07mA/com87.07%28.36% 由对比图和性能参数对比表可以看出，加背场后四项参数都有所升高，其中转化效率提升了7.45%。可见背场的添加与背场的参数选择对太阳能电池转化效率影响很大。4.2 优化过程 在加入背场后，对背场进行优化。背场的固定参数已知，只对层厚、带隙宽度、掺杂浓度在调节范围内进行调节，找到最优的参数，即转化效率最高时的参数。在调节其中一项参数时，另外两项的参数使用参考背场的数值。4.2.1 背场层厚的优化 背场层厚的范围为5nm20nm，在这个范围内去不同的数值进行模拟，对比四项性能参数。在模拟过程中，由于在调节范围内四项性能参数几乎没有变化，所以

9、在范围外取层厚为0.1nm进行模拟，其模拟结果如表4所示。表4 背场层厚对太阳能电池性能的影响背场厚度(nm)0.15678910开路电压Voc(mV）791.4793793793793793793短路电流Isc（mA/com）41.0741.0741.0741.0741.0741.0741.07填充因子FF(%)87.187.0787.0787.0787.0787.0787.07转化效率（%）28.3128.3628.3628.3628.3628.3628.36背场厚度(nm)11121314151617开路电压Voc(mV）793793793793793793793短路电流Isc（mA/c

10、om）41.0741.0741.0741.0741.0741.0741.07填充因子FF(%)87.0787.0787.0787.0787.0787.0787.07转化效率（%）28.3628.3628.3628.3628.3628.3628.36背场厚度(nm)181920开路电压Voc(mV）793793793短路电流Isc（mA/com）41.0741.0741.07填充因子FF(%)87.0787.0787.07转化效率（%）28.3628.3628.36 通过所得数据可以看出背场层厚在固定范围内时，对转化效率和其他性能几乎没有影响，在实际制作时就应考虑成本和制作工艺。由数据可绘制背场

11、层厚对四项性能参数的影响图，如图8、9、10、11所示。 图8 背场层厚对开路电压的影响 图9 背场层厚对短路电流的影响图10 背场层厚对填充因子的影响图11 背场层厚对转化效率的影响4.2.2 背场带隙宽度的优化薄膜背场带隙宽度1.11.8eV，在此范围内对不同的点进行模拟，得到数值如表5所示。表5 背场带隙宽度对太阳能电池性能的影响背场带隙（eV）1.11.21.31.4开路电压Voc(mV）660.2739.8788.3793短路电流Isc（mA/com）39.1640.9241.0741.07填充因子FF(%)83.7179.7586.9987.06转化效率（%）21.6424.142

12、8.1628.36背场带隙（eV）1.51.61.71.8开路电压Voc(mV）793793793793短路电流Isc（mA/com）41.0741.0741.0741.07填充因子FF(%)87.0887.0787.0787.05转化效率（%）28.3628.3628.3628.35 由所得数据绘制出带隙宽度对四项性能参数的影响图，如图12、13、14、15所示。图12 背场带隙宽度对开路电压的影响图13 背场带隙宽度对短路电流的影响图14 背场带隙宽度对填充因子的影响图14 背场带隙宽度对转化效率的影响 由影响图和模拟数据，分析得到太阳能电池转化效率达到最高时，背场的带隙宽度应在1.7eV

13、左右，与参考资料相符。4.2.3 背场掺杂浓度的优化背场掺杂浓度的范围是1E22cm。在这个范围内，以10倍的数量级进行取点，模拟得到数值如表6所示。表6 背场掺杂浓度对太阳能电池性能的影响背场掺杂浓度（cm-3）1.00E+151.00E+161.00E+171.00E+18开路电压Voc(mV）793793793793短路电流Isc41.0741.0741.0741.07填充因子FF(%)81.886.7786.9787.02转化效率（%）26.6428.2628.3328.34背场掺杂浓度（cm-3）1.00E+191.00E+201.00E+211.00E+22开路电压Voc(mV）7

14、93793793791.4短路电流Isc41.0741.0741.0741.07填充因子FF(%)87.0587.0787.0487.1转化效率（%）28.3528.3628.3528.31由所得数据绘制出掺杂浓度对四项性能参数的影响图，如图16、17、18、19所示。图16 背场掺杂浓度对开路电压的影响图17 背场掺杂浓度对短路电流的影响图18 背场掺杂浓度对填充因子的影响图19 背场掺杂浓度对转化效率的影响由影响图和模拟数据，分析得到太阳能电池转化效率达到最高时，背场的掺杂浓度应在1E20 cm-3左右，与参考资料相符。4.3 结论在进行I-V曲线绘制时，有时运算结束后并未出现填充因子和转

15、化效率。可将I-V曲线绘制的最高电压和运算步骤调大，如图20所示。图20 I-V曲线运算设置 由对层厚、带隙宽度、掺杂浓度的逐个优化，模拟制图得到结论。背场的带隙宽度应在1.7eV左右，背场的掺杂浓度应在1E20 cm-3左右是转化效率最高，背场的层厚只要在范围内对转化效率几乎无影响。所以得到的优化背场参数为背场层厚10nm；薄膜背场带隙宽度1.70eV；薄膜背场的掺杂浓度为1E20 cm-3。模拟结果如图21所示。图21 优化后背场模拟结果 得到优化背场的转化效率为28.36%，优化背场的带隙宽度、掺杂浓度和层厚，与参考理论值相符，异质结太阳能电池微晶硅背场的模拟与优化成功。5 心得体会通过

16、这两周的课程设计与实践，我又一次复习了半导体物理的相关知识。同时对太阳能电池有了更加深刻的认识。学习使用Afors-he软件对异质结太阳能电池背场的模拟和优化。同时，更加培养了自己的自学能力和解决问题的能力。在拿到任务书后，面临的第一个问题就是Afors-he软件的使用。由于软件是德国一个硏究所针对异质结电池专门研发的，本身并没有汉化。在对软件的使用首先是一头雾水，第一天一直在查单词，了解每个按键是什么意思。不过效果并不好，还是不知道应该怎么做。在预答辩时，陈老师讲解了这款软件的基本使用方法，并且详细说明了本次课程设计所需要用到的部分，才使我真正学会使用这款软件。然后是查阅参考资料，并且上网搜

17、索相关文献。对异质结太阳能电池和背场有了进一步的认识，了解了其工作原理和工作特性还有每层相关的各个参数。同时也了解了现在太阳能电池在实践生活中的应用，和其转化效率。为在软件上实现模拟做好了充分的前期准备。总体而言本次课程设计相对比较简单，只需对背场的层厚、掺杂浓度还有带隙宽度进行研究。在真正进行模拟时，由于电脑需要进行比较多的运算，常常死机，这为我完成课程设计带来了不少的阻碍。实际操作时，又出现了新的问题，模拟后并未出现转化效率的数值。对于这个问题我一直不知道怎么办，请教同学后，发现大家也有类似的情况出现。在请教完陈老师后才知道是运算范围和运算步骤太少的原因。通过修改终于完成了设计要求，并且模

18、拟效果较好，使转化效率达到了28.36%。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。这次课程设计我受益匪浅，掌握了Afors-he软件的使用方法。同时对太阳能电池和背场有了进一步的认识和了解。在此感谢陈老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。特别是在我制作时遇到困难时，陈老师和同学们为我提供了很多帮助。在此十分感谢。 由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。6 参考文献1 赵雷，周春兰，李海玲，刁宏伟，王文静 著, a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳能电池微晶硅背场的模拟优化,物理学报,2008年5月第57卷。2 刘恩科 著，半导体物理学，电子工业出版社，2008年5月。3 林鸿生，段开敏，马雷 著，a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳能电池设计分析，半导体学报，2002年5月第23卷。