新型高效太阳电池的设计与性能研究

作     者：吴正军 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾晓峰

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：太阳电池 PIN 光电特性 模拟 选择性发射极 陷阱模型 

摘      要：太阳能是一种重要的可再生能源。太阳电池利用太阳辐照发电,清洁无污染,对缓解日益严峻的能源危机和环境污染有十分重要的意义。自20世纪70年代能源危机爆发以来,太阳电池获得了广泛的重视,以美国的“百万屋顶计划、日本的“阳光计划、德国的“十万屋顶计划、我国的“西部省区无电乡光明工程等为代表的太阳电池技术开发和应用发展很快。 本文在理解太阳电池基本概念、原理及发展趋势的基础上,对当前研究和应用最广泛的硅系太阳电池的物理模型、结构参数和性能做了深入的模拟研究。 常规晶体硅太阳电池工艺流程简单,便于大规模生产,占据着当前商业市场的绝大多数份额。但是受扩散和金属化两道工序的相互制约:扩散通常要求低掺杂以减少载流子复合,而金属化要求重掺杂以形成好的欧姆接触;因此要求达到扩散后表面薄层电阻为40Ω/左右的重掺杂,限制了太阳电池的光电转换效率。选择性发射极技术在电极接触区域进行高浓度掺杂,而在光吸收区域进行低浓度掺杂,能较好地克服上述问题。选择性发射极的核心是表面的重/轻掺杂区发射极。本文对典型的选择性发射极太阳电池进行了深入研究,对其结构进行了深度剖析;在此基础上,根据部分相关实验结果,用TCAD软件MEDICI建立了相应的二维模型,对影响电池性能的参数进行了模拟,预测了发射区厚度、掺杂浓度等参数的影响,并设计了高性能的选择性发射极太阳电池。在优化了模型参数后,电池的光电转换效率得到了显著提升,在未使用绒面技术的情况下,最大转换效率达到19.16%,超过常规单晶硅电池的16.5%,以及当前较高水平18.8%。非晶硅薄膜太阳电池由于可采用低温工艺在多种廉价衬底上实现大面积、自动化连续生产,具有很大的成本优势。但由于其较低的光电转换效率和光致衰退效应,尤其是 非晶硅内部缺陷结构的复杂性,导致了对这类电池理论机制的透彻理解和应用上的局限。本文分别用一维(AMPS-1D)和二维(MEDICI)模拟软件研究了非晶硅太阳电池的结构参数和性能的关系。在MEDICI中建立与实验相吻合的结构模型,比较了多种非晶硅缺陷模型,提出一种与实际情况吻合较好的模型;并在此基础上,逐步优化、改进模型的结构参数(包括有源区以及ITO等),使转换效率从13%提升到接近18%。随后,从非晶硅单结太阳电池出发,研究了新型的叠层电池结构,设计出了高性能的非晶硅单结、叠层太阳电池,效率超过15%。以上效率均已超过当前较高的三叠层14.6%的转换效率。 总体来看,降低电池内部缺陷结构,减少载流子的复合,提升载流子的寿命,是大幅度提升电池性能的关键。本文的模拟研究建筑在与实验对比比较一致的基础之上,并进而优化结构和预测性能,因此对实际制备高效、新型、低成本的太阳电池具有一定的指导意义和参考价值。