P型硅晶體太陽能電池轉換效率的仿真研究

【摘要】太陽能作為一種清潔再生的能源，在我們日常生活的各個領域扮演著非常重要的角色。本文追朔了提高太陽能電池轉換效率的發(fā)展歷程，詳細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，對用P型硅為襯底的晶硅1×1cm2太陽能電池進行了模擬，分析了p型晶體硅的摻雜濃度與載流子濃度的關系，并分析了隨著入射光散射進表面的距離的增加，載流子遷移率也增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，使電池表面的復合速率逐漸降低，從而提高了太陽能電池的轉換效率。

【關鍵詞】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，可以吧光的能量轉換成電能。在1927年提出了利用金屬（銅）及半導體材料（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換效率都在1%以下，很難運用到實際生活中。1976年以后，如何提高太陽能電池的轉換效率成為了業(yè)內所關注的焦點。直到1999年，澳大利亞新南威爾士大學的研究者們將單晶硅電池的實驗室最高光電轉換效率已達到了25%[1]。

在2009年，周繼承[2]等人利用利用PC1D 軟件模擬了n+/p-p+結構的單晶硅太陽電池，在有/無鋁背場的情況下，隨著硅片厚度的變化，對電池輸出特性的影響以及對光電轉換效率的影響。結果表明，在有鋁背場時，太陽電池獲得明顯的開路電壓、短路電流以及光電轉換效率的增益;硅片厚度越小，鋁背場對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，可獲得最大的光電轉換效率。

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行鈍化，得出了電池的效率會隨著鋁背場結深的增加、背表面復合速率的降低、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量，降低背表面的復合速率，進而提高太陽能電池的光電轉換效率。

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換效率，石墨烯僅有一個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電性之間此消彼長關系的影響，同時具備高透光和高導電的特性。通過化學摻雜石墨烯的透過率和導電性可以超過ITO，同時在透過率和面電阻之間有更大的調整空間，可以根據(jù)太陽能電池的實際工作情況（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]等人運用AFORS-HET程序模擬計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P型晶體硅異質結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，轉換效率增加，但本征層年厚度增加時，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，但當能隙寬度大于某一特定值時，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結太陽電池，分別以ZnO和ITO為透明導電極，發(fā)現(xiàn)用ZnO為導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，結果電池的性能相對于無背場時有較大的提高，開路電壓增加達677.3mV，轉換效率達21.25%。

1.太陽能電池的發(fā)電原理

當適當波長的光照射到非均勻半導體（如PN結）時，由于內建電場的作用（不加外電場），半導體內部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）;若將PN結短路，則出現(xiàn)光生電流。這種由于內建電場引起的光電效應，稱為光生伏特效應。晶硅太陽能電池就是利用PN結的光伏效應來發(fā)電的。

通過擴散形成PN結后，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)中擴散，N型區(qū)中的多子（電子）向P型區(qū)中擴散，從而在P區(qū)和N區(qū)的交界處產(chǎn)生空間電荷區(qū)，并形成一個由N區(qū)指向 P區(qū)的內建電場。內建電場的存在又產(chǎn)生載流子的定向運動（漂移運動），它阻止多子擴散，促進少子漂移;當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，PN結處于平衡態(tài)。

當入射光照射到太陽能電池表面時，首先光子會通過反射防止膜，然后照射到硅的表面，進入到PN結區(qū)，及太陽能電池內部。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，由于本征吸收，價帶內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帶，而在價帶中留下一個空穴，形成電子-空穴對，這些電子-空穴對的移動又產(chǎn)生了光電流，也就是P-N接合處產(chǎn)生電位差。如果使用導線將太陽能電池與一個負載連接起來，形成一個回路，就會有電流流過負載，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載等因素的影響，當太陽能電池不受光時，它就是一個由P-N結合的二極管。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。

太陽能電池在運作時，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，而電流為負值。當太陽能電池受到光照時，它會產(chǎn)生負向的光生電流，因此一個理想的二極管加上一個負向的光電流IL就能表示太陽能電池的電流-電壓關系：

在沒有光照時IL=0，太陽能電池如圖一個二極管;當太陽能電路短路時V=0，可知此時短路電流ISC=-IL，即短路狀態(tài)時的電流值等于入射光源所產(chǎn)生的光電流;當太陽能處于開路狀態(tài)時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)電阻是半導體本身存在的電阻以及半導體與金屬的接觸間產(chǎn)生的電阻;在太陽能電路組件之間，也會有分流電流的存在Ileak，有Rsh=V/Ileak。當Rsh越小，Ileak就會越大。考慮到這些電阻時，太陽能電池的電流-電壓關系[10]為：

3.太陽能電池轉換效率的影響因素

晶體硅太陽電池將太陽能轉換為電能的效率受到以下幾個方面因素的局限。一是太陽光的固有光譜;二是半導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，即使其每個光子都激發(fā)產(chǎn)生一對載流子，其光子能量大于禁帶寬度的部分，一般通過熱振動釋放，或者說轉變?yōu)闊幔彩侨慷嘤酂o效的。三是則是p-n結的暗電流損失，它來自電池p-n結本身，無論其材料和工藝質量如何理想，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體器件，它的轉換效率會隨著溫度的變化作線性變化。其中最主要的還得說說技術因素對轉換效率的影響，可按光學損失、符復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;復合損失的因素有金屬雜質復合中心、晶體結構缺陷復合中心、表面或界面復合;電路損失有柵線電阻、背接觸電阻、邊緣漏電和缺陷漏電。

4.實驗仿真參數(shù)設置

PC1D是由澳大利亞新南威爾士大學研發(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體器件中電子和空穴的準一維傳輸過程，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 仿真的關鍵參數(shù)設置。

本試驗中，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.實驗仿真結果分析

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，增強了半導體硅的導電能力，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相應逐漸減少，當摻雜濃度達到了1020cm-3量級時，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，低場下的漂移速度或遷移率會因雜質散射而降低，而高場下的漂移速度與摻雜基本無關，達到飽和值。

圖1

圖2

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

參考文獻

[1]Jianhua Z，Aihua W，Green M A.24.5% efficiency siliconPERT cells on MCZ substrates and 24.7% efficiency PERL cells on FZ substrates[J]. Progress in Photov.：Research and Appl.，1999，7：471-474.

[2]周繼承，李斐等.鋁背場對單晶硅太陽能電池輸出特性的影響[J].光電器件，2009，30（6）：838-841.

[3]閆麗，高華.PC1D方法對鋁背場鈍化技術的分析[J].光電技術應用，2011（04）：15-18.

[4]張超，陳學康等.石墨烯太陽能電池透明電極的可行性分析[J].真空與低溫，2012，18（3）：160-166.

[5]任丙彥，王敏花等.AFORS-HET軟件模擬N型非晶體/p型晶體硅異質結太陽電池[J].太陽能學報，2008，29（2）：125-129.

[6]程雪梅，孟凡英等.p型晶體硅異質結太陽電池光電特性模擬研究[J].太陽能學報，2012，33（9）：1474-1479.

[7]林明獻.太陽能電池新技術[M].北京，科學出版社，2012.

[8]徐耀敏.高轉換效率太陽能電池仿真設計[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[9]任駒，郭文閣，鄭建邦.基于p-n結的太陽能電池伏安特性的分析與模擬.光子學報[J].2006，235（2）：171-174.

[10]周國華.硅太陽能電池背表面鈍化研究[D].無錫：江南大學，2008.