硅基薄膜太阳电池的优化设计与模拟计算

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1、内蒙古师范大学硕士学位论文硅基薄膜太阳电池的优化设计与模拟计算姓名：韩兵申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：周炳卿20100527内蒙古师范大学硕士学位论文中文摘要硅基薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体硅太阳电池具有更大的优势：制作工艺简单，耗材少；能沉积在廉价衬底上，适用于大面积生产；而且容易与建筑材料相结合，构成光伏建筑一体化系统。所以，硅基薄膜太阳电池引起国内外政府和研究机构的高度重视。本论文主要利用一维光电子结构分析模型(AMPS．1D)对硅基薄膜太阳能电池进行优化设计和模拟研究。首先对P．i．11型非晶硅薄

2、膜太阳电池窗口层材料及本征层厚度进行了优化设计；然后对本征层带隙渐变的微晶硅薄膜太阳能电池进行数学物理建模，模拟优化了渐变带隙结构的太阳电池。最后对a-Si／pc．Si非晶硅叠层太阳电池结构及工艺参数进行了优化设计。主要的工作总结如下：(1)模拟仿真了pin型非晶硅太阳电池不同窗口层材料对电池性能的影响。首先对P．1aC．Si：H窗I：1层进行模拟优化，P．I．tc．Si：H厚度为10nm，迁移率带隙E1．t=1．6eV时电池性能最佳，获得了13．096％的高效率。插入i-a．SiC：H缓冲层，明显改善电池性能，得到

3、13．239％的效率。然后对P—a-SiC：H窗口层进行模拟优化，p-a．SiC：H厚度为10nm，掺杂浓度为1019Cm2时，电池性能较好，效率为11．233％。最后，对采用P．p,c．Si：H窗口层的非晶硅太阳电池i层厚度进行了优化，当i层厚度400nm时电池的转换效率最高，达到13．251％。(2)结合相关实验数据，利用微晶硅带隙与材料晶相比的关系，对pin型微晶硅薄膜太阳电池的i层带隙渐变结构的总光生载流子产额、载流子复合速率等参数进行模拟，并与普通的pin型微晶硅薄膜太阳电池进行对比分析。结果表明，一方面带

4、隙渐变结构增加了进入微晶硅i层作为活性层的光吸收；另一方面渐变各层之间存在缺陷和复合中心，影响载流子的收集。对于带隙递增型微晶硅(1aC．Si：H)pin型薄膜太阳电池，当i层总厚度在1．21am的时候，得到14．843％光电转化效率。(3)设计-]"a-Si：H／gc．Si：H叠层结构太阳电池，优化了顶电池和底电池的最佳本征层厚度。当顶电池和底电池本征层厚度分别为90nm和1．51．tm内蒙古师范大学硕士学位论文时，达到了最佳电流匹配。隧道结采用微晶硅材料，分别模拟计算Yn／p结构和Il／卸结构隧道结的厚度、带隙宽

5、度、掺杂浓度和缺陷态密度等参数对电池性能的影响，得出最佳工艺参数。当n／p隧道结的厚度为25nm，带隙为1．4eV，掺杂浓度为5x1018cm3，缺陷态密度为3x1018cm"3时，a．Si：H／gc．Si：H双结叠层电池的效率为10．87％；而采用插入厚为5nm，缺陷态密度为3x1019cm-3的i—pc．Si：H层的Il／i／p结构隧道结时，a．Si：H／1．tc．Si：H双结叠层电池效率达到12．086％。关键词：硅基薄膜；太阳电池；结构设计；渐变带隙；转换效率内蒙古师范大学硕士学位论文ABSTRACTThin

6、filmsiliconsolarcellshavealotofadvantagethanthecrystallinesiliconsolarcells，suchassimplefabrication，lessconsumption．Meanwhile，theycallbedepositedoncheapsubstratesforlarge—scaleproduction．Furthermore，it’seasytocombinethinfilmsiliconsolarcellswiththebuildingmater

7、ialstocomposetheBuildingIntegratedPhoto-voltaic(BIPV)system．So，thethinfilmsiliconsolarcellhasdrawngreatattentionofthegovernmentsandresearchinstitutesbothathomeandabroad．ThispaperreportstheperformancesofthinfilmsiliconsolarcellsweresimulatedbyMicroelectronicsand

8、PhotonicStructures(AMPS)computermodeldevelopedatPennStateUniversity．Westudiedtheinfluenceofwindowmaterialsforamorphoussiliconfilmsolarcells，alsotheoptimaldesignoftheintrinsi