毕 业 论 文
题 目：本征层厚度及掺杂对a-Si：H 太阳电池性能影响的模拟研究
学院(直属系)：材料科学与工程学院 年级、专 业：学 生 姓 名：
学 号：
指 导 教 师：
完 成 时 间：
本征层厚度及掺杂对a-Si太阳电池性能影响的模拟研究
材料科学与工程学院
学生： 指导老师：
摘 要
本文通过使用一维微光电子分析工具AMPS-1D重点分析了本征层掺杂和厚度对太阳能电池性能的影响。在掺杂方面研究了施主型杂质和受主型杂质的浓度分别在5×1015cm-3到5×1020cm-3之间时对太阳能电池产生的不同的影响。在厚度方面，考虑到了非晶硅的晶格结构，研究了本征层从20nm到700nm时太阳能的短路电流、开路电压、转换效率、填充因子各自不同的变化，从而得出了各个因素对非晶硅太阳能电池的影响，对于提高太阳能电池转换效率具有实际的指导意义。
关键词：非晶硅；太阳能；掺杂；本征层
I
目录
第1章 绪论················································································································ - 1 -
1.1 引言 ··················································································································· - 1 -
1.2 太阳电池技术的发展历史[2] ············································································ - 2 -
1.3 太阳电池的发展方向及应用 ··········································································· - 4 -
1.4本章小结 ············································································································ - 5 -
第2章 A-SI太阳电池结构及原理分析 ·································································· - 6 -
2.1 结构分析 ··········································································································· - 6 -
2.2 原理分析 ··············································································错误！未定义书签。
2.3 本章小结 ··············································································错误！未定义书签。
第3章 A-SI太阳电池性能模拟研究 ········································· 错误！未定义书签。
3.1 软件介绍 ··············································································错误！未定义书签。
3.2 模型结构 ··············································································错误！未定义书签。
3.3 掺杂模拟及结果 ··································································错误！未定义书签。
3.4 厚度模拟及结果 ··································································错误！未定义书签。
3.5 本章小结 ··············································································错误！未定义书签。
第4章 模拟结果分析 ·································································· 错误！未定义书签。
4.1 受主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 ······················错误！未定义书签。
4.2 施主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 ······················错误！未定义书签。
4.3 两种掺杂浓度对太阳能电池性能影响的对比分析 ··········错误！未定义书签。
4.4 本征层厚度对太阳能电池性能影响的分析 ······················错误！未定义书签。
4.5 本章小结 ··············································································错误！未定义书签。
第5章 结论··················································································· 错误！未定义书签。
第6章 总结与体会······································································· 错误！未定义书签。 致谢 ································································································· 错误！未定义书签。 参考文献 ························································································· 错误！未定义书签。
II
第1章 绪论
1.1 引言
由于上世纪人类物质文明的飞速发展是建立在大量消耗地球上蕴藏的能源资源和大规模破坏人类赖以生存的生态环境的基础上的，能源枯竭已成为人类社会最大的威胁之一，如表1-1[1]所示。在节约能源的前提下发展经济已成为人们的共识。因此在新世纪内，人类文明可持续发展所面临的三大课题被称做”3E”，即energy、economy和environment。新世纪经济的发展不能仅看产值 ，还要看单位能耗的产值。
表1-1 全世界能源资源情况
太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应，进行质能转换，向宇宙辐射的总功率约为318×1023kW，投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kW/m2，到达地表的功率密度仍有1kW/m2。如果太阳辐射维持不变，则太阳半衰期寿命还有7×1012年以上，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h，太阳能相当丰富。目前，太阳能的利用主要有太阳电池发电和太阳能热水器制热。太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发电两大类。太阳光能发电是通过太阳电池将太阳能直接转换成电能的系统，又称作光伏系统 (photo-voltaic power generation system)。太阳热能发电是将太阳热能储蓄在热介质中产生水蒸气以推动蒸汽轮机发电的系统。由于太阳热能发电系统的集热装置和太阳跟踪装置均较复杂且尚未实用化，而太阳电池发电与其他发电方法相比具有无振动、无噪声、无污染的特点，如表1-2所示，因此太阳热能发电得到
- 1 -
广泛使用。
表1-2 各种发电方法产生大气
1.2 太阳电池技术的发展历史[2]
太阳电池源于“光生伏特效应”，是指光照使不均匀半导体或者半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象，于1887年，由Heinrich Hertz发现，1905年爱因斯坦用光子概念进行了成功的理论解释。光伏效应存在于所有的金属和非金属材，理论上金属太阳电池的光电转换效率不会高于1%，因此，各国都将太阳电池的发展重点放在非金属及具有半导体特征的化合物上。
Shell和BP为最早的太阳能光电领导厂商，1901—1945年研究的太阳能装置，虽接近实用目标，但费用偏高。后来受两次世界大战以及石油及水电等能源被大量使用，太阳能应用研究被放缓。直到1946—1972年，二战后的经济复苏阶段，由于石油资源的逐渐减少，各国重启太阳能研究。1954年美国贝尔实验室首次制作出硅基太阳电池，次年美国无线电公司（RCA）开始进行GaAs太阳电池的开发，美国波音（Boeing）公司在1956年通过其子公司Spectrolab，专门从事GaAs太阳电池的研发，并于1959年在探险家六号卫星上搭载该公司生产的太阳电池，作为主要电力来源。俄国科学家Zh.I.Alferov于1963年前后提出半导体异质接面概念，并率领研究团队于1970年首次制作了具有异质接面的GaAs太阳电池，而成为俄国科学院副院长。1973年10月爆发的中东战争，使各国进一步了解能源的重要性和调整能源结构的必要性。同年底美国政府率先制定了阳光发电计划。至此，太阳能应用也由不计成本的卫星用途，转向地面发电装置。最初，太阳能发电首选
- 2 -
偏远地区。1966年Sharp建成当时全球最大的太阳能灯塔。1980年，Sharp率先将太阳电池商品化。1990年后，由于德、美、日等国家采取多种措施鼓励发展太阳能发电装置，太阳电池的商业化开始提速。2000年后全球光伏电池增速进一步加快，仅2006年安装规模就达到1744mw，预计2010年将达到13GW，成为继风电之后发展最快的新能源产业。
从全球范围来看，光伏技术发展正在朝着低成本、低能耗、低污染的方向发展。以日本为例，该国对太阳能技术的提升有明确的目标，如表1-3和表1-4所示。
表1-5 日本太阳电池模组转换效率目标 单位：%
注：（）内为电池转换效率目标
表1-6 日本技术开发目标
- 3 -
以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为29％，按目前技术路线，提升效率的难度已经非常大。薄膜太阳电池由于具有大面积沉积、低材料消耗及可在低成本基板上制作，有较大的成本下降潜力的优点，其发展前景非常看好，成为近阶段发展研究的重点。而薄膜电池的最大机遇是在建筑上应用，包括商业、工业和住宅市场。由于薄膜技术固有的灵活性，能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，将电池集成到建筑材料有着极大的降低成本的潜力。
目前，国际光伏巨头们大都放缓了晶体硅太阳电池产能的扩张，转而加强了对低成本非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池以及柔性电池、高效Ⅲ-Ⅴ族电池的投入，并规划了雄心勃勃扩产计划。全球排名第一的Q-Cells公司虽然晶体硅电池产能巨大，但早已全线推进现有商业化薄膜电池技术，对非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池均有投入，并初步实现产业化。全球领导大厂Sharp公司更是果断放弃了多年国际太阳能产业N.1的地位，停止了晶体硅电池的扩产，转而大力发展非晶硅薄膜太阳电池，计划到2010年薄膜电池投产1GW，2012年达到6GW。Sharp意图在新一轮新技术驱动的新能源产业发展中重树霸主地位！美国薄膜电池新贵First Solar依仗其领先的CdTe薄膜电池技术，以503mw的实际产量更是在2008年一举超过尚德、Sharp等大型光伏企业，排在Q-Cells之后位列全球第二，并有望在2009年登上世界第一的宝座。Sharp预计，2012年全球薄膜电池产量将超过晶体硅电池，薄膜化正在成为国际光伏产业发展的大趋势。
1.3 太阳电池的发展方向及应用
太阳电池作为一种新兴的能源可以制成电池组件与现在相当成熟的水力、火力和风能一起提供动力及照明电源等，现在太阳电池正在以不同的形式悄然的进入我们的生活。在刚刚结束的2009日本新科技博览会上，太阳电池大放异彩，各个公司均展览出了其最新产品和理念。将太阳能用于住房是目前各个公司最感兴趣的项目之一，而且各公司一致展出的不仅仅是设置在住宅屋顶的电池，还有在住宅内使用的色素增感型太阳电池。其着眼点分别在于提高住宅内低照度环境下的效率，以及提高设计性。
- 4 -
色素增感型太阳电池的室内利用方案层出不穷，各公司纷纷展出通过组合蓄
电池、提高设计性等方式强化了室内使用效果的色素增感型太阳电池。
图1（a）：罗姆根据室内低照度环境对色素和电极进行了优化。
图1（b）：TDK利用Ag膏布线绘制出了图案。
图1（c）：太阳诱电通过结合Li离子电容器，使为电器充电变得简单。
重视设计性的太阳电池试制品来自TDK[3]。该公司试制出了不仅能在电池板上着色，还能够绘制图案的色素增感型太阳电池。由于使用了柔性的PEN薄膜，因此，该电池具有重量轻、耐冲击性优良的特点。图案的形成利用的是丝网印刷形成的Ag膏布线。但Ag膏描绘的图案必须发挥电极的作用。因此，图案需要由延伸至外围的连线构成。为了提高可靠性，TDK改进了Ag膏与电解液之间的保护层，防止了Ag膏腐蚀。在室温条件下可使用5年左右。单元的转换效率在实验阶段为7.9％。
这些新的太阳能技术的出现让我们更加有理由相信，在不久的将来以太阳能作为动力的产品将会出现在我们生活的各个角落。太阳能也会解决现在非常严重的环境及能源问题，让人类不断的向着可持续的方向发展。
1.4本章小结
本章介绍了人类面临的能源及环境问题让人类不得不寻找新的能源发展方向—太阳能，以及太阳能的发展历史及过程，太阳能的发展现状、最新的一些成果以及未来发展的趋势。
- 5 -
第2章 a-Si太阳电池结构及原理分析
非晶硅薄膜电池诞生于1976年，是用非晶硅半导体林料制备的一种薄膜电池。因其制造过程中的耗能少、易于大面积自动化生产、原材料消耗少等因素已成为目前最实用化的薄膜电池之一。其已经走出了国防、航空等领域，很多产品已经应用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费领域。
下面将对非晶硅太阳能电池的结构及工作原理进行分析，以便于后面深入的对太阳能各种性能参数进行研究。
2.1 结构分析
典型的常规单结非晶硅太阳电池结构示意图如图2-1所示[4]。由七层组成，包括减反射层、玻璃基片、透明导电薄膜、p层、i层、n层、金属电极，其工艺过程是在玻璃基片上依次制备右图中的各个薄膜层，最后在透明导电薄膜和金属电
极上连接上导线向负载输送电流。
图2-1 非晶硅太阳电池的典型结构
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毕 业 论 文
题 目：本征层厚度及掺杂对a-Si：H 太阳电池性能影响的模拟研究
学院(直属系)：材料科学与工程学院 年级、专 业：学 生 姓 名：
学 号：
指 导 教 师：
完 成 时 间：
本征层厚度及掺杂对a-Si太阳电池性能影响的模拟研究
材料科学与工程学院
学生： 指导老师：
摘 要
本文通过使用一维微光电子分析工具AMPS-1D重点分析了本征层掺杂和厚度对太阳能电池性能的影响。在掺杂方面研究了施主型杂质和受主型杂质的浓度分别在5×1015cm-3到5×1020cm-3之间时对太阳能电池产生的不同的影响。在厚度方面，考虑到了非晶硅的晶格结构，研究了本征层从20nm到700nm时太阳能的短路电流、开路电压、转换效率、填充因子各自不同的变化，从而得出了各个因素对非晶硅太阳能电池的影响，对于提高太阳能电池转换效率具有实际的指导意义。
关键词：非晶硅；太阳能；掺杂；本征层
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目录
第1章 绪论················································································································ - 1 -
1.1 引言 ··················································································································· - 1 -
1.2 太阳电池技术的发展历史[2] ············································································ - 2 -
1.3 太阳电池的发展方向及应用 ··········································································· - 4 -
1.4本章小结 ············································································································ - 5 -
第2章 A-SI太阳电池结构及原理分析 ·································································· - 6 -
2.1 结构分析 ··········································································································· - 6 -
2.2 原理分析 ··············································································错误！未定义书签。
2.3 本章小结 ··············································································错误！未定义书签。
第3章 A-SI太阳电池性能模拟研究 ········································· 错误！未定义书签。
3.1 软件介绍 ··············································································错误！未定义书签。
3.2 模型结构 ··············································································错误！未定义书签。
3.3 掺杂模拟及结果 ··································································错误！未定义书签。
3.4 厚度模拟及结果 ··································································错误！未定义书签。
3.5 本章小结 ··············································································错误！未定义书签。
第4章 模拟结果分析 ·································································· 错误！未定义书签。
4.1 受主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 ······················错误！未定义书签。
4.2 施主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 ······················错误！未定义书签。
4.3 两种掺杂浓度对太阳能电池性能影响的对比分析 ··········错误！未定义书签。
4.4 本征层厚度对太阳能电池性能影响的分析 ······················错误！未定义书签。
4.5 本章小结 ··············································································错误！未定义书签。
第5章 结论··················································································· 错误！未定义书签。
第6章 总结与体会······································································· 错误！未定义书签。 致谢 ································································································· 错误！未定义书签。 参考文献 ························································································· 错误！未定义书签。
II
第1章 绪论
1.1 引言
由于上世纪人类物质文明的飞速发展是建立在大量消耗地球上蕴藏的能源资源和大规模破坏人类赖以生存的生态环境的基础上的，能源枯竭已成为人类社会最大的威胁之一，如表1-1[1]所示。在节约能源的前提下发展经济已成为人们的共识。因此在新世纪内，人类文明可持续发展所面临的三大课题被称做”3E”，即energy、economy和environment。新世纪经济的发展不能仅看产值 ，还要看单位能耗的产值。
表1-1 全世界能源资源情况
太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应，进行质能转换，向宇宙辐射的总功率约为318×1023kW，投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kW/m2，到达地表的功率密度仍有1kW/m2。如果太阳辐射维持不变，则太阳半衰期寿命还有7×1012年以上，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h，太阳能相当丰富。目前，太阳能的利用主要有太阳电池发电和太阳能热水器制热。太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发电两大类。太阳光能发电是通过太阳电池将太阳能直接转换成电能的系统，又称作光伏系统 (photo-voltaic power generation system)。太阳热能发电是将太阳热能储蓄在热介质中产生水蒸气以推动蒸汽轮机发电的系统。由于太阳热能发电系统的集热装置和太阳跟踪装置均较复杂且尚未实用化，而太阳电池发电与其他发电方法相比具有无振动、无噪声、无污染的特点，如表1-2所示，因此太阳热能发电得到
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广泛使用。
表1-2 各种发电方法产生大气
1.2 太阳电池技术的发展历史[2]
太阳电池源于“光生伏特效应”，是指光照使不均匀半导体或者半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象，于1887年，由Heinrich Hertz发现，1905年爱因斯坦用光子概念进行了成功的理论解释。光伏效应存在于所有的金属和非金属材，理论上金属太阳电池的光电转换效率不会高于1%，因此，各国都将太阳电池的发展重点放在非金属及具有半导体特征的化合物上。
Shell和BP为最早的太阳能光电领导厂商，1901—1945年研究的太阳能装置，虽接近实用目标，但费用偏高。后来受两次世界大战以及石油及水电等能源被大量使用，太阳能应用研究被放缓。直到1946—1972年，二战后的经济复苏阶段，由于石油资源的逐渐减少，各国重启太阳能研究。1954年美国贝尔实验室首次制作出硅基太阳电池，次年美国无线电公司（RCA）开始进行GaAs太阳电池的开发，美国波音（Boeing）公司在1956年通过其子公司Spectrolab，专门从事GaAs太阳电池的研发，并于1959年在探险家六号卫星上搭载该公司生产的太阳电池，作为主要电力来源。俄国科学家Zh.I.Alferov于1963年前后提出半导体异质接面概念，并率领研究团队于1970年首次制作了具有异质接面的GaAs太阳电池，而成为俄国科学院副院长。1973年10月爆发的中东战争，使各国进一步了解能源的重要性和调整能源结构的必要性。同年底美国政府率先制定了阳光发电计划。至此，太阳能应用也由不计成本的卫星用途，转向地面发电装置。最初，太阳能发电首选
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偏远地区。1966年Sharp建成当时全球最大的太阳能灯塔。1980年，Sharp率先将太阳电池商品化。1990年后，由于德、美、日等国家采取多种措施鼓励发展太阳能发电装置，太阳电池的商业化开始提速。2000年后全球光伏电池增速进一步加快，仅2006年安装规模就达到1744mw，预计2010年将达到13GW，成为继风电之后发展最快的新能源产业。
从全球范围来看，光伏技术发展正在朝着低成本、低能耗、低污染的方向发展。以日本为例，该国对太阳能技术的提升有明确的目标，如表1-3和表1-4所示。
表1-5 日本太阳电池模组转换效率目标 单位：%
注：（）内为电池转换效率目标
表1-6 日本技术开发目标
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以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为29％，按目前技术路线，提升效率的难度已经非常大。薄膜太阳电池由于具有大面积沉积、低材料消耗及可在低成本基板上制作，有较大的成本下降潜力的优点，其发展前景非常看好，成为近阶段发展研究的重点。而薄膜电池的最大机遇是在建筑上应用，包括商业、工业和住宅市场。由于薄膜技术固有的灵活性，能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，将电池集成到建筑材料有着极大的降低成本的潜力。
目前，国际光伏巨头们大都放缓了晶体硅太阳电池产能的扩张，转而加强了对低成本非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池以及柔性电池、高效Ⅲ-Ⅴ族电池的投入，并规划了雄心勃勃扩产计划。全球排名第一的Q-Cells公司虽然晶体硅电池产能巨大，但早已全线推进现有商业化薄膜电池技术，对非晶硅、碲化镉、铜铟硒等薄膜电池均有投入，并初步实现产业化。全球领导大厂Sharp公司更是果断放弃了多年国际太阳能产业N.1的地位，停止了晶体硅电池的扩产，转而大力发展非晶硅薄膜太阳电池，计划到2010年薄膜电池投产1GW，2012年达到6GW。Sharp意图在新一轮新技术驱动的新能源产业发展中重树霸主地位！美国薄膜电池新贵First Solar依仗其领先的CdTe薄膜电池技术，以503mw的实际产量更是在2008年一举超过尚德、Sharp等大型光伏企业，排在Q-Cells之后位列全球第二，并有望在2009年登上世界第一的宝座。Sharp预计，2012年全球薄膜电池产量将超过晶体硅电池，薄膜化正在成为国际光伏产业发展的大趋势。
1.3 太阳电池的发展方向及应用
太阳电池作为一种新兴的能源可以制成电池组件与现在相当成熟的水力、火力和风能一起提供动力及照明电源等，现在太阳电池正在以不同的形式悄然的进入我们的生活。在刚刚结束的2009日本新科技博览会上，太阳电池大放异彩，各个公司均展览出了其最新产品和理念。将太阳能用于住房是目前各个公司最感兴趣的项目之一，而且各公司一致展出的不仅仅是设置在住宅屋顶的电池，还有在住宅内使用的色素增感型太阳电池。其着眼点分别在于提高住宅内低照度环境下的效率，以及提高设计性。
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色素增感型太阳电池的室内利用方案层出不穷，各公司纷纷展出通过组合蓄
电池、提高设计性等方式强化了室内使用效果的色素增感型太阳电池。
图1（a）：罗姆根据室内低照度环境对色素和电极进行了优化。
图1（b）：TDK利用Ag膏布线绘制出了图案。
图1（c）：太阳诱电通过结合Li离子电容器，使为电器充电变得简单。
重视设计性的太阳电池试制品来自TDK[3]。该公司试制出了不仅能在电池板上着色，还能够绘制图案的色素增感型太阳电池。由于使用了柔性的PEN薄膜，因此，该电池具有重量轻、耐冲击性优良的特点。图案的形成利用的是丝网印刷形成的Ag膏布线。但Ag膏描绘的图案必须发挥电极的作用。因此，图案需要由延伸至外围的连线构成。为了提高可靠性，TDK改进了Ag膏与电解液之间的保护层，防止了Ag膏腐蚀。在室温条件下可使用5年左右。单元的转换效率在实验阶段为7.9％。
这些新的太阳能技术的出现让我们更加有理由相信，在不久的将来以太阳能作为动力的产品将会出现在我们生活的各个角落。太阳能也会解决现在非常严重的环境及能源问题，让人类不断的向着可持续的方向发展。
1.4本章小结
本章介绍了人类面临的能源及环境问题让人类不得不寻找新的能源发展方向—太阳能，以及太阳能的发展历史及过程，太阳能的发展现状、最新的一些成果以及未来发展的趋势。
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第2章 a-Si太阳电池结构及原理分析
非晶硅薄膜电池诞生于1976年，是用非晶硅半导体林料制备的一种薄膜电池。因其制造过程中的耗能少、易于大面积自动化生产、原材料消耗少等因素已成为目前最实用化的薄膜电池之一。其已经走出了国防、航空等领域，很多产品已经应用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费领域。
下面将对非晶硅太阳能电池的结构及工作原理进行分析，以便于后面深入的对太阳能各种性能参数进行研究。
2.1 结构分析
典型的常规单结非晶硅太阳电池结构示意图如图2-1所示[4]。由七层组成，包括减反射层、玻璃基片、透明导电薄膜、p层、i层、n层、金属电极，其工艺过程是在玻璃基片上依次制备右图中的各个薄膜层，最后在透明导电薄膜和金属电
极上连接上导线向负载输送电流。
图2-1 非晶硅太阳电池的典型结构
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