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硅基薄膜太阳电池的优化设计与模拟计算

作　者: 韩兵
导　师: 周炳卿
学　校: 内蒙古师范大学
专　业: 光学
关键词: 硅基薄膜太阳电池结构设计渐变带隙转换效率
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

硅基薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体硅太阳电池具有更大的优势:制作工艺简单,耗材少;能沉积在廉价衬底上,适用于大面积生产;而且容易与建筑材料相结合,构成光伏建筑一体化系统。所以,硅基薄膜太阳电池引起国内外政府和研究机构的高度重视。本论文主要利用一维光电子结构分析模型(AMPS-1D)对硅基薄膜太阳能电池进行优化设计和模拟研究。首先对p-i-n型非晶硅薄膜太阳电池窗口层材料及本征层厚度进行了优化设计;然后对本征层带隙渐变的微晶硅薄膜太阳能电池进行数学物理建模,模拟优化了渐变带隙结构的太阳电池。最后对a-Si/μc-Si非晶硅叠层太阳电池结构及工艺参数进行了优化设计。主要的工作总结如下:(1)模拟仿真了pin型非晶硅太阳电池不同窗口层材料对电池性能的影响。首先对p-μc-Si:H窗口层进行模拟优化,p-μc-Si:H厚度为10nm,迁移率带隙Eμ=1.6eV时电池性能最佳,获得了13.096%的高效率。插入i-a-SiC:H缓冲层,明显改善电池性能,得到13.239%的效率。然后对p-a-SiC:H窗口层进行模拟优化,p-a-SiC:H厚度为10nm,掺杂浓度为1019cm2时,电池性能较好,效率为11.233%。最后,对采用p-μc-Si:H窗口层的非晶硅太阳电池i层厚度进行了优化,当i层厚度400nm时电池的转换效率最高,达到13.251%。(2)结合相关实验数据,利用微晶硅带隙与材料晶相比的关系,对pin型微晶硅薄膜太阳电池的i层带隙渐变结构的总光生载流子产额、载流子复合速率等参数进行模拟,并与普通的pin型微晶硅薄膜太阳电池进行对比分析。结果表明,一方面带隙渐变结构增加了进入微晶硅i层作为活性层的光吸收;另一方面渐变各层之间存在缺陷和复合中心,影响载流子的收集。对于带隙递增型微晶硅(μc-Si:H)pin型薄膜太阳电池,当i层总厚度在1.2μm的时候,得到14.843%光电转化效率。(3)设计了a-Si:H/μc-Si:H叠层结构太阳电池,优化了顶电池和底电池的最佳本征层厚度。当顶电池和底电池本征层厚度分别为90nm和1.5μm时,达到了最佳电流匹配。隧道结采用微晶硅材料,分别模拟计算了n/p结构和n/i/p结构隧道结的厚度、带隙宽度、掺杂浓度和缺陷态密度等参数对电池性能的影响,得出最佳工艺参数。当n/p隧道结的厚度为25nm,带隙为1.4eV,掺杂浓度为5×1018cm-3,缺陷态密度为3×1018cm-3时,a-Si:H/μc-Si:H双结叠层电池的效率为10.87%;而采用插入厚为5nm,缺陷态密度为3×1019cm-3的i-μc-Si:H层的n/i/p结构隧道结时,a-Si:H/μc-Si:H双结叠层电池效率达到12.086%。

全文目录

中文摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章概述  10-18
  1.1 薄膜太阳电池发展现状  10-12
  1.2 硅基薄膜太阳电池研究进展  12-15
    1.2.1 a-Si :H 薄膜太阳电池  12
    1.2.2 μc-Si:H 薄膜太阳电池  12-14
    1.2.3 a-Si:H/μc-Si:H 叠层太阳电池  14-15
  1.3 本学位论文的主要内容  15-16
  参考文献  16-18
第二章太阳电池的原理  18-28
  2.1 半导体材料的光吸收  18-19
  2.2 p-n 结的光生伏特效应  19-21
  2.3 p-i-n 结  21-22
  2.4 太阳电池电学特性及相关参数  22-24
  2.5 光电转换效率与材料的选择和设计考虑  24-27
    2.5.1 入射光的有效利用  24-25
    2.5.2 光生载流子的有效收集和光电效果的增大  25
    2.5.3 光生载流子复合损失的减少  25
    2.5.4 串联电阻的考虑  25
    2.5.5 更宽光谱光能的收集  25-27
  参考文献  27-28
第三章非晶硅薄膜太阳电池研究  28-46
  3.1 非晶硅薄膜的基本特征  28-29
  3.2 AMPS-1D 模型软件介绍  29-31
    3.2.1 AMPS 的原理和算法依据  29-31
    3.2.2 AMPS 的操作界面和条件设定  31
  3.3 物理模型  31-33
  3.4 窗口层材料研究  33-41
    3.4.1 P 型微晶硅窗口层材料研究  33-39
    3.4.2 P 型非晶碳化硅窗口层材料研究  39-41
  3.5 本征层材料研究  41-44
    3.5.1 本征层最佳厚度  41-44
  3.6 本章小结  44-45
  参考文献  45-46
第四章微晶硅渐变带隙太阳电池研究  46-54
  4.1 渐变带隙太阳电池结构设计  46
  4.2 物理模型与参数设置  46-47
    4.2.1 物理模型  46-47
    4.2.2 参数设置  47
  4.3 结果分析与讨论  47-52
  4.4 本章小结  52
  参考文献  52-54
第五章叠层太阳电池研究  54-68
  5.1 叠层太阳能电池原理  54-55
  5.2 器件结构和材料物理参数  55-56
  5.3 顶电池与底电池本征层厚度设计  56-57
  5.4 隧道结设计  57-67
    5.4.1 隧道结为 n/p 结构  58-62
    5.4.2 隧道结为 n/i/p 结构  62-67
  5.5 本章小结  67
  参考文献  67-68
第六章总结及展望  68-69
攻读学位期间所取得的相关科研成果  69-70
致谢  70

硅基薄膜太阳电池的优化设计与模拟计算

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