P型硅晶體太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的仿真研究

【摘要】太陽能作為一種清潔再生的能源，在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。本文追朔了提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展歷程，詳細(xì)地介紹了太陽能電池的等效電路圖和發(fā)電原理。采用PC1D太陽能電池軟件模擬的方法，對(duì)用P型硅為襯底的晶硅1×1cm2太陽能電池進(jìn)行了模擬，分析了p型晶體硅的摻雜濃度與載流子濃度的關(guān)系，并分析了隨著入射光散射進(jìn)表面的距離的增加，載流子遷移率也增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，使電池表面的復(fù)合速率逐漸降低，從而提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

【關(guān)鍵詞】太陽能電池;等效電路;發(fā)電原理;PC1D

引言

太陽能電池是一種能量轉(zhuǎn)換的光電組件，它在經(jīng)由太陽光照射后，可以吧光的能量轉(zhuǎn)換成電能。在1927年提出了利用金屬（銅）及半導(dǎo)體材料（氧化銅）接合所形成的太陽能電池，由于這早期的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率都在1%以下，很難運(yùn)用到實(shí)際生活中。1976年以后，如何提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率成為了業(yè)內(nèi)所關(guān)注的焦點(diǎn)。直到1999年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究者們將單晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了25%[1]。

在2009年，周繼承[2]等人利用利用PC1D 軟件模擬了n+/p-p+結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池，在有/無鋁背場的情況下，隨著硅片厚度的變化，對(duì)電池輸出特性的影響以及對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響。結(jié)果表明，在有鋁背場時(shí)，太陽電池獲得明顯的開路電壓、短路電流以及光電轉(zhuǎn)換效率的增益;硅片厚度越小，鋁背場對(duì)其輸出特性的影響越大;在有鋁背場情況下，硅片厚度為120 um時(shí)，可獲得最大的光電轉(zhuǎn)換效率。

2011年，閆麗[3]等人為了降低單晶硅原材料成本，采用了PC1D軟件，提出了將p型硅為襯底的單晶硅125×125 太陽電池的鋁背場的背表面進(jìn)行鈍化，得出了電池的效率會(huì)隨著鋁背場結(jié)深的增加、背表面復(fù)合速率的降低、少數(shù)載流子壽命的提高而提高。鋁背場能夠改善背表面的鈍化質(zhì)量，降低背表面的復(fù)合速率，進(jìn)而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

張超[4]等人通過提高太陽能電池透明電極性能的方法來提高轉(zhuǎn)換效率，石墨烯僅有一個(gè)sp2 碳原子的厚度，超高的載流子遷移率使它可以極大地降低透過率與導(dǎo)電性之間此消彼長關(guān)系的影響，同時(shí)具備高透光和高導(dǎo)電的特性。通過化學(xué)摻雜石墨烯的透過率和導(dǎo)電性可以超過ITO，同時(shí)在透過率和面電阻之間有更大的調(diào)整空間，可以根據(jù)太陽能電池的實(shí)際工作情況（高壓或低壓電池陣），在電池效率和焦耳熱之間獲得最優(yōu)的條件以獲得最大的發(fā)電效率。

任丙彥[5]等人運(yùn)用AFORS-HET程序模擬計(jì)算了不同本征層厚度、能隙寬度、發(fā)射層厚度、以及不同界面態(tài)密度等參數(shù)對(duì)P型晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池光伏特性的影響。在其他參數(shù)不變的情況下，插入較薄本征層，轉(zhuǎn)換效率增加，但本征層年厚度增加時(shí)，短路電流密度較少、效率也隨之降低;隨能隙寬度增加，短路電流先增加，但當(dāng)能隙寬度大于某一特定值時(shí)，短路電流開始下降。

程雪梅[6]等人利用AFORS-HET軟件模擬分析了以p型晶體硅為襯底的異質(zhì)結(jié)太陽電池，分別以ZnO和ITO為透明導(dǎo)電極，發(fā)現(xiàn)用ZnO為導(dǎo)電極的電池效率明顯比ITO電極提高3.21%。為了提高電池性能，模擬了以高摻雜的非晶硅層為背場的太陽電池，結(jié)果電池的性能相對(duì)于無背場時(shí)有較大的提高，開路電壓增加達(dá)677.3mV，轉(zhuǎn)換效率達(dá)21.25%。

1.太陽能電池的發(fā)電原理

當(dāng)適當(dāng)波長的光照射到非均勻半導(dǎo)體（如PN結(jié)）時(shí)，由于內(nèi)建電場的作用（不加外電場），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢（光生電壓）;若將PN結(jié)短路，則出現(xiàn)光生電流。這種由于內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。晶硅太陽能電池就是利用PN結(jié)的光伏效應(yīng)來發(fā)電的。

通過擴(kuò)散形成PN結(jié)后，由于載流子存在濃度差，P型區(qū)中的多子（空穴）向N型區(qū)中擴(kuò)散，N型區(qū)中的多子（電子）向P型區(qū)中擴(kuò)散，從而在P區(qū)和N區(qū)的交界處產(chǎn)生空間電荷區(qū)，并形成一個(gè)由N區(qū)指向 P區(qū)的內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的存在又產(chǎn)生載流子的定向運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)），它阻止多子擴(kuò)散，促進(jìn)少子漂移;當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，PN結(jié)處于平衡態(tài)。

當(dāng)入射光照射到太陽能電池表面時(shí)，首先光子會(huì)通過反射防止膜，然后照射到硅的表面，進(jìn)入到PN結(jié)區(qū)，及太陽能電池內(nèi)部。若光子的能量hf等于或大于硅的禁帶寬度Eg（硅的禁帶寬度為 1.12eV）時(shí)，由于本征吸收，價(jià)帶內(nèi)的電子吸收足夠能量的光子使電子激發(fā)，越過禁帶躍遷入空的導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)的移動(dòng)又產(chǎn)生了光電流，也就是P-N接合處產(chǎn)生電位差。如果使用導(dǎo)線將太陽能電池與一個(gè)負(fù)載連接起來，形成一個(gè)回路，就會(huì)有電流流過負(fù)載，這就是太陽能電池發(fā)電的原理[7]。

2.太陽能電池的電路模型

由于太陽能電池的電壓、電流及功率受到光照條件及負(fù)載等因素的影響，當(dāng)太陽能電池不受光時(shí)，它就是一個(gè)由P-N結(jié)合的二極管。在理想二極管的狀態(tài)下，電流與電壓之間的關(guān)系如下：

其中，I為電流大小;V為電壓;I0為飽和電流;VT=kT/q。

太陽能電池在運(yùn)作時(shí)，由于一般二極管的正向電流定義為由P型流向N型，則電壓值為正值，而電流為負(fù)值。當(dāng)太陽能電池受到光照時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生負(fù)向的光生電流，因此一個(gè)理想的二極管加上一個(gè)負(fù)向的光電流IL就能表示太陽能電池的電流-電壓關(guān)系：

在沒有光照時(shí)IL=0，太陽能電池如圖一個(gè)二極管;當(dāng)太陽能電路短路時(shí)V=0，可知此時(shí)短路電流ISC=-IL，即短路狀態(tài)時(shí)的電流值等于入射光源所產(chǎn)生的光電流;當(dāng)太陽能處于開路狀態(tài)時(shí)I=0，則開路電壓[8]為：

以上都是太陽能處于理想化的推論。實(shí)際中，太陽能電池的等效電路如圖-2所示，它還存在分流電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs[9]。其中串聯(lián)電阻是半導(dǎo)體本身存在的電阻以及半導(dǎo)體與金屬的接觸間產(chǎn)生的電阻;在太陽能電路組件之間，也會(huì)有分流電流的存在Ileak，有Rsh=V/Ileak。當(dāng)Rsh越小，Ileak就會(huì)越大。考慮到這些電阻時(shí)，太陽能電池的電流-電壓關(guān)系[10]為：

3.太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響因素

晶體硅太陽電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率受到以下幾個(gè)方面因素的局限。一是太陽光的固有光譜;二是半導(dǎo)體材料有其固有禁帶寬度。這兩大因素使得太陽光中波長大于吸收限λ的部分對(duì)光伏發(fā)電完全失效;而太陽光中波長小于吸收限的部分，即使其每個(gè)光子都激發(fā)產(chǎn)生一對(duì)載流子，其光子能量大于禁帶寬度的部分，一般通過熱振動(dòng)釋放，或者說轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，也是全部多余無效的。三是則是p-n結(jié)的暗電流損失，它來自電池p-n結(jié)本身，無論其材料和工藝質(zhì)量如何理想，都免不了此種情況。四是溫度，硅晶體太陽電池作為一種半導(dǎo)體器件，它的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著溫度的變化作線性變化。其中最主要的還得說說技術(shù)因素對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響，可按光學(xué)損失、符復(fù)合損失和電路損失來分類，也可以從材料和工藝兩大方面來分類。其中光學(xué)損失的因素有表面反射、背面與正面投射、柵線遮蔽和非激發(fā)吸收;復(fù)合損失的因素有金屬雜質(zhì)復(fù)合中心、晶體結(jié)構(gòu)缺陷復(fù)合中心、表面或界面復(fù)合;電路損失有柵線電阻、背接觸電阻、邊緣漏電和缺陷漏電。

4.實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)置

PC1D是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)研發(fā)的一種模擬微電子器件特性的常用軟件，主要著重于光伏器件的模擬。它基于完全耦合的非線性方程來模擬分析半導(dǎo)體器件中電子和空穴的準(zhǔn)一維傳輸過程，是太陽能電池較常用的仿真軟件。如表1所示，給出了本論文中 PC1D 仿真的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。

本試驗(yàn)中，采用接近地表的光譜AM1.5（地表上太陽的平均照度），即太陽以450角入射到地表的情況，此狀態(tài)下的光強(qiáng)度為844W/m2;能量密度為0.08W/cm2，工作溫度在開爾文300K，電池面積為1×1cm2，前表面反射為10%，電池背表面設(shè)置為朗伯散射。

表1

Device PC1Dinput

Front surface texture depth 3 um

Exterior front reflectance 10%

Base contact 0.015 Ω

Internal conductor 0.3 S

Thickness 300 um

Dielectric constant 11.9

Band gap 1.124 V

Temperature 300 K（開爾文）

P-type background doping 1.513e^16

BSRV 1000 cm/s

Resistivity 0.1 Ω.m

Front diffusion Gaussion

5.實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析

如圖1所示，隨著發(fā)射極摻雜濃度的降低，多數(shù)載流子的濃度不斷減少，但是減少幅度逐漸增加，從而少數(shù)載流子的濃度便隨之增加，但增長幅度逐漸減少;少數(shù)載流子濃度的增加，增強(qiáng)了半導(dǎo)體硅的導(dǎo)電能力，使得電路中短路電流隨之升高，但是短路電流的增長速度會(huì)相應(yīng)逐漸減少，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到了1020cm-3量級(jí)時(shí)，載流子濃度基本不再增加，則短路電流也就不再增加。在高摻雜時(shí)，低場下的漂移速度或遷移率會(huì)因雜質(zhì)散射而降低，而高場下的漂移速度與摻雜基本無關(guān)，達(dá)到飽和值。

圖1

圖2

如圖2所示，當(dāng)太陽光入射到太陽能電池的表面時(shí)，隨著入射光透散射進(jìn)電池表面的距離增加時(shí)，載流子的遷移率會(huì)迅速增加，當(dāng)增加到一定值時(shí)載流子遷移率不再增加，即電路中電子-空穴對(duì)處于平衡狀態(tài)，從而降低了發(fā)射極表面的復(fù)合速率，使電壓達(dá)到飽和。利用PC1D的仿真結(jié)果表明，只有當(dāng)入射光散射進(jìn)表面的距離為2.7um左右，受主摻雜濃度在1020cm-3時(shí)，才能使短路電流和開路電壓達(dá)到相應(yīng)的最高值，由：可知，太陽能電池的效率才能夠達(dá)到更高。

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