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基于Afors-het的异质节背场设计.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.32M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1 技术指标
    2 基本原理
    2.1 非晶硅异质结背场太阳能电池的结构与原理
    2.2 背场的概念和作用
    2.3 Afors-het软件的学习应用
    3 参数描述
    3.1 异质结电池参数
    3.2 背场参数
    4 调试过程及结论
    4.1 异质结太阳能电池背场的模拟
    4.1.1 异质结太阳能电池的模拟
    4.1.2 添加背场
    4.2 背场优化
    4.2.1 背场厚度的优化
    4.2.2 掺杂浓度优化
    4.2.3 带隙的优化
    4.3 优化结果
    5 心得体会
    6 参考文献
    目录 1 技术指标...................................................................................................................................................1 2 基本原理...................................................................................................................................................1 2.1 非晶硅异质结背场太阳能电池的结构与原理...............................................................................1 2.2 背场的概念和作用...........................................................................................................................2 2.3 Afors-het 软件的学习应用............................................................................................................2 3 参数描述...................................................................................................................................................2 3.1 异质结电池参数...............................................................................................................................2 3.2 背场参数...........................................................................................................................................3 4 调试过程及结论.......................................................................................................................................4 4.1 异质结太阳能电池背场的模拟.......................................................................................................4 4.1.1 异质结太阳能电池的模拟.......................................................................................................4 4.1.2 添加背场...................................................................................................................................6 4.2 背场优化...........................................................................................................................................7 4.2.1 背场厚度的优化.......................................................................................................................7 4.2.2 掺杂浓度优化...........................................................................................................................9 4.2.3 带隙的优化.............................................................................................................................10 4.3 优化结果.........................................................................................................................................11 5 心得体会.................................................................................................................................................11 6 参考文献.................................................................................................................................................11
    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 异质结太阳电池微晶硅背场的模拟与优 化 1 技术指标 设计 a-si/c-si/uc-si 太阳能电池，分析背场参数对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 非晶硅异质结背场太阳能电池的结构与原理 异质结背场太阳能电池是由 n 型非晶硅（a-si）发射区、p 型单晶硅（c-si）基区和p+ 微晶硅（uc-si）背场区构成，其结构如图 1 所示。 图 1.1 异质结背场太阳能电池结构 阳光从发射区的非晶硅薄膜入射，非晶硅的弱光响应好，可提高充电效率；阳光进入 1
    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 单晶硅基区后被吸收，光生电子和空穴靠扩散运输到前面 pn 结区和电池背表面的高低结 区，在结区空间电场的作用下分别向发射区和背场区漂移，如此便在 pn 结的两侧形成了 正负电荷的积累，产生了光生伏特效应。 2.2 背场的概念和作用 背场是类型与基区相同、掺杂浓度更高的掺杂层。背场可对光生少子产生势垒效果， 可有效的减少非平衡勺子在背表面的复合，从而提高光电流，一定程度上提高光电压。添 加背场的目的就是希望利用背场的高低结区对光生少子的背反作用来提高异质结光电池 的性能。 模拟实验中采用微晶硅薄膜作背场。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。 2.3 Afors-het 软件的学习应用 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。实验采用 Afors-het 数值模拟软件，在已研究的异 质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 a-si（n）/c-si（p）异质结太阳电池性能的影响，寻找微晶硅背场的最佳参数。 通过老师的演示和自己对照电池参数表的摸索，我已掌握了 Afors-het 软件的基本使用 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 异质结电池参数 对于 a-si（n）/c-si（p）异质结太阳电池，各层材料已确定，查阅文献确定参数如下表 3-1， 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 表 3-1 a-si（n）层和 c-si（p）层参数 结构参数 层厚/nm 介电常数 电子亲和势/eV 带隙/eV 光学带隙/eV 有效导带密度/cm−3 有效价带密度/cm−3 电子迁移率/cm−2V−1s−1 空穴迁移率/cm−2V−1s−1 受主掺杂浓度/cm−3 施主掺杂浓度/cm−3 电子热速度/cm∙s−1 空穴热速度/cm∙s−1 层密度/g∙cm−3 电子俄歇复合系数/cm6s−1 空穴俄歇复合系数/cm6s−1 带间复合系数/cm3s−1 a-si（n） 10 11.9 3.9 1.74 c-si（p） 3×105 11.9 4.05 1.12 1 5 1.74 1×1020 1×1020 2.5×1019 1×1017 1×1017 2.328 0 0 0 0 412 1041 1.12 2.8×1019 1.04×1019 1.5×1016 1×1017 1×1017 2.2×10−31 9.9×10−32 2.328 0 0 3.2 背场参数 本模拟实验考虑背场厚度、掺杂浓度和带隙对异质结电池性能的影响，所以他们为可 变量，其他参数查阅文献资料设定如下表 3-2， 3
    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 表 3-2 背场的相关参数 结构参数 层厚/nm 介电常数 uc-si（p+） 可变 11.9 电子亲和势/eV 3.9 带隙/eV 光学带隙/eV 有效导带密度/cm−3 有效价带密度/cm−3 电子迁移率/cm−2V−1s−1 空穴迁移率/cm−2V−1s−1 受主掺杂浓度/cm−3 施主掺杂浓度/cm−3 电子热速度/cm∙s−1 空穴热速度/cm∙s−1 层密度/g∙cm−3 电子俄歇复合系数/cm6s−1 空穴俄歇复合系数/cm6s−1 带间复合系数/cm3s−1 可变 5 1 1.74 1×1020 1×1020 1×1017 1×1017 2.328 可变 0 0 0 0 注：1.背场的掺杂浓度和带隙应大于基区。 4 调试过程及结论 4.1 异质结太阳能电池背场的模拟 4.1.1 异质结太阳能电池的模拟 使用 Afors-he 软件新建三个层，根据参考参数对每层的具体数值进行设置，如图 4.1 和图 4.2 所示， 4
    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 图 4.1 a-si（n）层参数设置 图 4.2 c-si（p）层参数设置 5
    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 进行 I-V 模拟后，得 I-V 曲线图图 4.3 所示， 同时得到开路电压 652.3mV，短路电流密度 38.53mA/cm^2，填充因子 83.19%，转化 图 4.3 异质结电池 I-V 曲线 效率 20.91%。 4.1.2 添加背场 参考 a-si（n）层设置背场参数，厚度为 10nm，掺杂浓度大两个数量级，具体如图 4.4， 图 4.4 uc-si（p+）层参数设置 进行 I-V 模拟后，得 I-V 曲线图图 4.5 所示， 6
    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 图 4.5 异质结微晶硅背场电池 I-V 曲线 同时得到开路电压 793mV, 短路电流密度 41.08mA/cm^2，填充因子 86.76%，转化效 率 28.26%。 由图 4.3 和图 4.5 比较可以看出：与普通异质结太阳能电池相比较，加背场优化后的 伏安特性曲线更接近矩形，也就意味着加背场的太阳能电池的填充因子更大，转化效率更 高。 表 4-1 为加背场前、后太阳能电池性能对比，从表中可看出加背场优化后，异质结太 阳能电池的效率有了一个明显的提高，转化效率达到 28.26%。 表 4-1 加背场优化前后太阳能性能比较 类型 未加背场 加背场优化后 Voc（mV） Jsc（mA/cm^2） FF（%） η（%） 652.3 793 38.53 41.08 83.19 86.76 20.91 28.26 4.2 背场优化 影响背场的因素有多种，本次模拟实验只对背场的厚度、带隙宽度和掺杂浓度的影响 进行讨论。进行某一因素的模拟时，只这个因素设为变量，其他参数固定不变。 4.2.1 背场厚度的优化 带隙为 1.74eV、掺杂浓度为1×1018cm−3时，研究背场厚度对太阳能电池性能的影 响，记录模拟结果填入表 4-2。 7
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