第七章 硅太阳能电池的设计讲解

微电子课程设计硅太阳能电池结构设计与参数提取第二章选题及要求2.1课题名称与背景课题名称：硅太阳电池结构设计与参数提取课题背景：1、太阳能利用太阳能是一种新型能源，具有无污染、可再生的特点。

太阳能电池/光伏电池（Solar Cells）是一种将太阳能转化为电能的元器件，其基本结构是PN结。

硅太阳电池因工艺成熟、成本低廉而占据全球光伏产业80%以上的份额。

图2.1 太阳能光谱图2、光伏效应太阳能电池的基本结构是半导体PN结，当存在光照时，光子被吸收而产生光生载流子，光生载流子发生扩散而在PN结中形成与内建电厂相反的光生电场。

称为光生伏特效应。

3、等效电路与负载特性在光照下，太阳电池的基本结构的等效电路如图2.2所示图2.2 等效电路电流公式为s 0()=exp(1)s ph sh q V IR V IR I I I nkT R ++---其中n 为二极管理想因子，s R 为串联电阻，sh R 为旁路电阻。

其负载特性曲线如图2.3所示图2.3 负载特性曲线定义FF 为填充因子，oc V 为开路电压，sc I 为短路电流，其中max .oc sc P FF V I =即两矩形面积之比，..oc sc inV I FF P η=2.2 课题内容（1）太阳电池结构设计：利用太阳能电池基础知识，完成电池PN结衬底、结深、掺杂浓度的设计，以及电极材料选择、电极宽度设计；（2）太阳电池虚拟制造：利用现代TCAD工艺仿真软件对太阳电池进行工艺仿真和虚拟制造，显示制造结果，并保存电池结构以进行下一步操作；（3）太阳电池性能仿真：利用现代TCAD工艺仿真软件对步骤2中的电池进行响应特性、负载特性等器件性能仿真，并与设计指标进行比对；（4）太阳电池参数提取：通过参考书和参考文献调研等方式，根据太阳电池等效电路模型，设计和编写响应的软件程序，从步骤3输出的负载特性曲线中提取电池性质参数，包括理想因子n，串联电阻Rs和旁路电阻Rsh；（5）太阳电池优化设计：若所设计电池的能量转换效率等指标未达到设计要求，则进一步根据步骤4获得的性质参数，分析改进电池的设计方案，并重复步骤1~4，直至电池开路电压、短路电流和能量转换效率达到设计的指标要求。

第七章 硅片参数对光电流密度的影响根据第二章的方程（2.34）可以知道，硅太阳电池的效率可以表示为：inSC OC in mP mP P FF I V P I V ==η 其中，开路电压V oc 可以表示为（见第二章公式2.32）：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=1ln O L OC I I q kT V 受照明的硅太阳电池被短路时，p-n 结处于零偏压，这时，短路电流密度J sc 等于光电流密度J L ，即J sc =J L 。

填充因数FF 可以表示为（见第二章公式2.33）：SCOC mP mP I V I V FF = 所以，硅太阳电池效率还可以表示为：inL O L mp mp L O L P I I I q kT I V I I I q kT ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=ln 1ln η （7.1） 因为k 是波尔兹曼常数，q 是电子电荷，考虑到输出功率V m P m ，温度T ，饱和电流I o 和入射光功率P in 一定时，由上面的公式可以看出，无论是开路电压，还是效率，都可以由光电流I L 来决定，而I L 的大小又是受到硅片的参数控制。

所以，本章主要对硅片的器件参数进行模拟实验，研究在单色光照射下，这些参数对光电流密度的影响。

§7.1 单色光的光电流计算对于给定波长来说，N/P 型硅太阳电池的光电流密度J L 可以表示为：J L =J P +J N +J dr （7.2）J P 是在结边界处单位光谱频带宽度的空穴电流密度[11]：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+×⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=)exp(cosh sinh sinh cosh )exp(cosh sinh )1()1(22j P P j P j P P P P j P j P P P j P j P j P P P P P P P P P P x L L L D L S L x L x D L S x L x L x D L S L D L S L L R qF J αααααα （7.3） q —电子电荷F —给定波长的太阳光光子流密度R —给定波长时，硅太阳电池表面的反射系数α —给定波长和温度时，硅片的吸收系数S P —N 区空穴的表面复合速度D p —N 区空穴扩散系数τP —N 区空穴寿命L P —N 区空穴扩散长度，P P P D L τ=x j —扩散层的厚度J N 是在结边界处单位光谱频带宽度的电子电流密度[11]：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+−+++⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−×+−−−=N N N N N N N N N N N N N N N N N j N N N L HL H D L S H L L H L H L H D L S H L H D L S L W x L L R qF J ''''''''22cosh sinh )exp(sinh cosh sinh )exp(cosh )](exp[1)1(ααααααα (7.4) q —电子电荷F —给定波长的太阳光光子流密度R —给定波长时，硅太阳电池表面的反射系数α —给定波长和温度时，硅片的吸收系数S N —P 区电子的表面复合速度D N —P 区电子的扩散系数τN —P 区电子寿命L N —P 区电子扩散长度，N N N D L τ=W —耗尽层厚度x j —扩散层的厚度H ' —硅片基区厚度，它等于硅片厚度H 减去扩散层厚度x j 和耗尽层厚度W ，H' = H − (x j +W)J dr 是耗尽层的光电流密度[11]：)]exp(1)[exp()1(W x R qF J j dr αα−−−−= （7.5）q —电子电荷F —给定波长的太阳光光子流密度R —给定波长时，硅太阳电池表面的反射系数α —给定波长和温度时，硅片的吸收系数W —耗尽层厚度x j —扩散层的厚度如果硅太阳电池的结构为P/N 型，那么只要将公式（7.3）中L P 、D P 、τP 、S P 的和（7.4）中的L N 、D N 、τN 、S N 互换，就可获得与N/P 电池相应的表示式。

第七章硅的理化性质，纯硅和硅片的制备7.1概述早在1876年，英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发现：当用太阳能照射硒半导体时，如同伏特电池一样，会产生电流，称为光生伏特电。

但是，硒产生的光电效应很弱，到20世纪中期转化率只有1%左右。

1954年，美国贝尔实验室的Chapin等研制出世界上第一块真正意义上的硅太阳电池，光电转化率达到6%左右，又很快达到10%，从此拉开了现代太阳能光伏的研究、开发和应用的序幕。

几乎同时，CuS/CdS异质结电池也被开发，称为薄膜太阳电池研究的基础。

到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料基础上，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用晶体硅制造的，其中单晶硅太阳电池是最早被研究和利用的。

但是由于生产成本较昂贵，至20世纪70年代铸造多晶硅发明以来，由于价格较便宜，迅速挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料。

目前，国际太阳电池材料电池市场中，单晶硅和多晶硅约占市场的80%以上。

7.1.1硅的理化性质（1）物理性质硅有晶态和无定形态两种同素异形体。

晶态硅根据原子排列不同分为单晶硅和多晶硅，它们均有金刚石晶格，属于原子晶体，晶体硬而脆，抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力下，产生滑移位错，形成塑性变形。

硅材料还具有一些特殊的物理化学性质，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。

硅具有良好的半导体性质，其本征载流子浓度为1.5×1010个/cm3，本征电阻率为1.5×1010Ω·cm，电子迁移率为1350cm2/(V·s)，空穴迁移率为480cm2/（V·s）。

作为半导体材料，硅具有典型的半导体材料的电学性质。

①电阻率特性硅材料的电阻率在10-5~1010Ω·cm之间，介于导体和绝缘体之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征半导体，电阻率在10Ω·cm以上。

硅基太阳能电池的结构设计与制备研究第一章：绪论随着全球能源危机的加剧和环保意识的抬高，太阳能电池作为一种绿色可再生能源得到越来越多的关注和研究。

而硅基太阳能电池作为当前最主流的太阳能电池形式，具有光电转换效率高、稳定性好、成本低等优点，在未来的能源领域具有广泛的应用前景。

本文将从硅基太阳能电池的结构设计和制备研究两个角度进行分析和探讨。

第二章：硅基太阳能电池的结构设计硅基太阳能电池的结构设计主要涉及三个方面，即：反射层的设计、p-n结构的设计和窗口层的设计。

2.1 反射层的设计反射层的设计是为了避免太阳光照射到电池表面时的反射和散射，提高光吸收效率。

常见的反射层材料有金属、金属化合物和光学材料等。

通过对反射层厚度、反射率、材料选择等的优化设计，可以有效地提高太阳能电池的光电转换效率。

2.2 p-n结构的设计p-n结构是硅基太阳能电池的重要组成部分，是实现太阳能光电转换的关键。

p-n结构的设计中，需要考虑pn结的大小、杂质掺杂浓度、加工工艺等因素。

通过对硅基太阳能电池的p-n结结构进行优化设计，可以有效地提高太阳能电池的电能转换效率。

2.3 窗口层的设计窗口层是硅基太阳能电池的另一重要组成部分，是保护p-n结的一个透明材料层。

窗口层的选择和设计需要考虑以下因素：透明性、稳定性、对太阳光谱的响应等。

同时，选择不同材料和厚度的窗口层，也可以实现硅基太阳能电池在不同波长范围内的能量吸收和转化。

第三章：硅基太阳能电池的制备研究硅基太阳能电池的制备是一个复杂和严格的过程，需要进行多钟工艺的设计和精细控制。

在本章中，将从材料的选择、硅基膜的生长和电池的加工三个方面进行阐述。

3.1 材料选择硅基太阳能电池的关键组成部分是p-n结，其制备需要不同掺杂浓度的硅基材料。

目前热门的硅基材料有单晶硅、多晶硅、微晶硅等。

不同材料的选择对太阳能电池的电性、稳定性等性能有着直接的影响。

3.2 硅基膜的生长硅基膜的生长是制备硅基太阳能电池的关键一步。

太阳能电池的原理与设计太阳能电池是一种通过将太阳能转换成电能的设备，而它的原理就是能量转化。

太阳能电池的设计则是为了充分利用能量转化这一原理，从而获得最佳转化效率与稳定性。

太阳能电池的原理太阳能电池采用的是光伏效应，也就是将太阳能转化为电能的一种方式。

当光照射在太阳能电池上时，光子被太阳能电池中的材料所吸收，这个材料就是半导体硅（Si）。

光子的能量会激发硅晶体中的电子，将其释放出来，在这个过程中，会制造出一个空位，这就形成了一个电子和空穴对。

在材料内部，所有的空穴与电子是有电荷的，如果这两种粒子靠近了，它们就会相互结合，释放出能量，这个能量就是电能，产生微弱的电流。

这样，太阳能电池就将光能转化为电能，使我们能够使用太阳能。

太阳能电池的设计太阳能电池的设计有许多方面需要考虑。

首先，太阳能电池需要选择合适的材料。

目前太阳能电池使用最多的材料是半导体硅，因为硅是一种稳定、效率高、成本低廉的材料。

其次，太阳能电池的设计需要考虑材料的精度和纯度。

太阳能电池需要采用高纯度的硅材料，在制作过程中还需要对硅进行精细晶格控制，以确保电池效率的最大化。

同时，太阳能电池的结构需要具备一定的特征，例如：控制吸收光子的深度、设计透明的电极以确保尽量多的光子被吸收等等。

另外，太阳能电池的设计还需要考虑电池的总体性能。

例如：可以设计太阳能电池阵列以提高电压和电流，还可以结合电池逆变器实现太阳能电能的有效利用。

同时，太阳能电池的尺寸和形状也是需要考虑的重要因素，它们可以影响电池的输出电量和效率。

总的来说，太阳能电池的设计需要共同考虑的因素包括材料、精度、结构和性能等多个方面。

对于太阳能电池来说，设计的合理性可以直接影响电池的效率和稳定性，影响到太阳能电池的应用。

随着新技术的不断涌现，太阳能电池的设计也在不断进化，可以预见，未来将会有更加先进的设计和更高效的太阳能电池问世。