梯度掺杂对太阳电池效率的影响毕业论文

河 北 科 技 大 学毕 业 论 文学生姓名： 石劲超 学 号： 01103124 学 院： 理学院 专 业： 应用物理 题 目： 梯度掺杂对太阳电池效率的影响 指导教师：王爱坤（教授）评阅教师：王爱坤（教授）2005年 6月Dissertation for The Bachelors Degreein applied Physics of Hebei University of Science and TechnologyThe influence of uneven doping to solar cell conversion efficiencyWritedBy Shi JinchaoSupervisor: Prof. Wang AikunJune 2006河北科技大学学士论文梯度掺杂对太阳电池效率的影响摘 要本文全面论述了提高太阳电池光伏转换效率的方法和工艺。主要计算了梯度掺杂电场与短路电流、开路电压和反向饱和电流的关系。在太阳电池整个薄膜中梯度掺杂，可以有效的改善电池的光伏特性。顶区梯度掺杂电场，能有效减少表面的复合率；基区梯度掺杂电场，促使少子向 p-n 结的方向移动，从而减少基区内部少子的复合损失，提高了短路电流。梯度掺杂电场使饱和电流在原来扩散项外，增加了漂移项。漂移项和扩散项的方向相反，减小了饱和电流。因此，梯度掺杂电场可使电池的开路电压提高。在梯度掺杂情况下，其电场方程是非线性微分方程，很难严格计算出电场分布的解析解，本文近似求解了指数掺杂时的电场及电势分布,并得到了与数值解相吻合的结果。关键词：太阳电池；p-n 结；光电转换效率；耗尽层；梯度掺杂电场梯度掺杂对太阳电池效率的影响The influence of uneven doping to solar cell conversion efficiencyABSTRACTThis Dissertation discuss the methods and technics across-the-board to improve the solar cells photovoltaic conversion efficiency. And work out the relation of gradient-doped electric field and short circuit current, open circuit voltage and reverse saturation current.the gradient doping in the whole film of solar cells can improve the cells photovoltaic characters efficiently. The gradient-doped electric field in top region can reduce surface compound rate. The gradient-doped electric field in base region compels the minority carrier move into p-n junction, so it can reduce the compound losing of minority carrier in the base region and improve the short circuit current. The saturation current is decreased due to diffuse term based on gradient-doped electric field. So the open circuit voltage can be improved.When the semiconductor is gradient-doped , the electric field differential eguation is nonlinear. The analytical solution of electric field is difficult to calculate. So distributing of electric field is calculated by Runge-Kutta-Verner method. And the project of optimizing doping can be chosen by the method.Key words: solar cells; p-n junction; photovoltaic conversion efficiency; depletion layer; gradient-doped electric field.河北科技大学学士论文目 录1 绪论11.1 太阳电池的发展11.2 提高太阳电池效率的主要方法22 太阳电池的工作原理和转换效率52.1 太阳电池的工作原理52.1.1 半导体的内光电效应52.1.2 太阳电池的能量转换过程52.2 太阳电池的转换效率72.2.1 短路电流72.2.2 开路电压72.2.3 输出特性82.2.4 转换效率103 梯度掺杂对太阳电池效率的影响113.1 p-n 结电池的电场113.2 光电流123.3 光电压163.4 梯度掺杂场对光谱响应的影响173.5 梯度掺杂场对饱和电流的影响183.5.1 有限尺寸太阳电池表面复合对饱和电流的影响183.5.2 梯度掺杂电场对饱和电流影响因子的推导203.5.3 表面复合速度和梯度掺杂场对饱和电流的影响213.6 非均匀掺杂耗尽层外电场强度的近似解析解223.6.1 梯度参杂电场的近似解析计算223.6.2 n 区指数掺杂电场的讨论244 结论26参考文献27致谢29河北科技大学学士论文11绪论1.1太阳电池的发展随着全球工业的高速发展及人口的增长，对能源的需求越来越大，而传统不可再生能源如煤、石油等化石燃料的蕴藏是有限的。人类不可避免地要面临常规能源危机的挑战。充分利用清洁、免费、用之不竭的太阳能是缓解能源危机、保护地球环境的重要途径，其中阳光发电则最受瞩目。但太阳电池已达的效率，与价格客观需要和可能相比仍有很大差距。进一步提高转换效率和降低成本成为紧迫且棘手的课题。太阳能电池是一种具有光伏效应的半导体器件。1839 年，法国物理学家AE贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。1883 年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体 PN 结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。太阳电池的发展，最早可追溯自 1954 年由恰宾（Charbin）等人在美国贝尔（Bell）实验室发明出来的单晶硅太阳能电池，当时研发的动机是希望能提供偏远地区供电系统的能源，不过由于效率只有 6%，而且造价高达 357 美元/ 瓦，故缺乏商业上的价值。就在此时，开创人类历史的另一项计划-太空计划也正在如火如荼地展开中；因为太阳电池具有不可取代的重要性，使得太阳电池得以找到另一片发展的天空。从 1957 年当时的苏联发射第一颗人造卫星开始，太阳电池就肩负着太空飞行任务中一项重要的角色，一直到 1969 年美国人登陆月球，太阳电池的发展可以说到达一个颠峰的境界。但因为太阳电池造价昂贵，相对地使得太阳电池的应用范围受到限制。时至 1970 年代初期，由于中东发生战争，石油禁运，使得工业国家的石油供应中断造成能源危机，迫使人们不得不再度重视将太阳电池应用于电力系统的可行性。1990 年以后，人们开始将太阳电池发电与民生用电结合，于是“与市电并联型太阳电池发电系统”(grid-connected photovoltaic system)开始推广，此观念是把太阳电池与建筑物的设计整合在一起，并与传统的电力系统相连结，如此我们就可以从这两种方式取得电力，除了可以减少尖峰用电的负荷外，剩余的电力还可储存或是回售给电力公司。此一发电系统的建立可以舒缓筹建大型发电厂的压力，避免土地征收的困难与环境的破坏。近年来全球的通讯市场蓬勃发展，各大通讯计划不断提出，例如 Motorola 公司的铱(Iridium)计划，将使用 66 颗低轨道的卫星(LEO)，Bill Gates 之 Teledesic 计划，预计将使用 840 颗 LEO 卫星，这些都将促使太阳电池被广泛地使用在太空中。自 1996 年以来，世界光伏发电正在高速发展。美国、欧洲及日本制定了庞大的梯度掺杂对太阳电池效率的影响2光伏发电发展计划，1997 年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划” ，日本 1997 年补贴“屋顶光伏计划 ”的经费为 9200 万美元。同时几种主要太阳电池效率不断提高，总产量的年增幅保持 30%40%的高速度，至 2000 年，世界光伏产量达 287MW，日本三洋公司研制非晶硅/单晶硅/非晶硅双异质结太阳电池效率超过 21% 。欧洲联盟计划到 2010 年生产 60 亿瓦光伏电池，美国计划到 2010 年安装 10003000MW 太阳电池，日本的目标是 7600Mw。印度计划 1998 一 2002 年太阳电池总产量为150MW，其中 2002 年为 50MW。随着太阳电池应用范围越来越广，国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向井网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。尤其是光伏屋顶计划，为太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。人类发展太阳电池的最终目标，就是希望能取代目前传统的能源。我们都知道太阳的能量是取之不尽用之不竭的，从太阳表面所放射出来的能量，换算成电力约3.8x1023 kW；若太阳光经过一亿五千万公里的距离，穿过大气层到达地球的表面也约有 1.8x1014 kW，这个值大约为全球平均电力的十万倍大。若我们能够 “有效的”运用此能源，则不仅能解决消耗性能源的问题，连环保问题也可一并获得解决。目前太阳电池发展的瓶颈主要有两项因素：一项为效率，另一项为价格。在光-电转换的过程中，事实上，并非所有的入射光谱都能被太阳电池所吸收，并完全转成电流。有一半左右的光谱因能量太低(小于半导体的能隙)，对电池的输出没有贡献，而再另一半被吸收的光子中，除了产生电子-电洞对所需的能量外，约有一半左右的能量以热的形式释放掉，所以单一电池的最高效率约在 25%左右，目前实验室所发出来的效率，几乎可达到理论值的最高水平。唯因制造过程复杂量产不易，因此价格普遍过高，不符合经济效益。这也是目前太阳电池发展最大的瓶颈。近年来，太阳电池不断有新的结构与制造技术被研发出来。产品的增加，工艺的改进，以及效率的提高使得近二十年来地面上使用的太阳电池的成本大幅度下降。随着对一系列薄膜电池的研究，成本得以进一步降低，如此太阳电池才可能全面普及化，成为电力系统的主要来源，使得未来也将有更广泛的应用。1.2提高太阳电池效率的主要方法提高太阳电池的光电转换效率是太阳电池永远追求的主题、也是世界关注的课题，更是航天技术获得高效能源的重大课题之一。它对缓解能源危机、保护地球环境具有重要意义。经过不懈努力，太阳电池已发展到成熟阶段，在空间和地面得到了广泛应用。太阳电池的效率也逐步提高，但与客观要求和可能还有较大差距 1。影响太阳能电池光电转换效率的因素很多。因太阳能电池的输出功率为VocIsc(FF) ，要想提高其转换效率，就要提高开路电压 Voc、闭路电流 Isc 和填充因子(FF)三个物理量。提高开路电压 Voc 对改电池的性能有着决定性的作用。Voc 与反向饱和电流 I0 又有着密切的关系， I0 减小，Voc 增大。随着半导体禁带宽度 Eg河北科技大学学士论文3的增加 I0 迅速减小，所以 Voc 随着 Eg 的增加而增加。因随着 Eg 的增加，太阳光中的能量大于 Eg 的光子数减小，所以 Isc 减小，这就意味着存在着一个最佳的 Eg 使得能量转换效率最高，因此太阳能电池的选材 Eg 是最重要的参数之一。多功能层 p-n 结电池各层材料的选取应使其各自不同的禁带宽度匹配太阳光谱中的不同频段，尽量使电池响应更宽的频谱，从而提高转换效率 。事实上，材料选定后，影响电池效率的其它因素还很多，如制作工艺、异质结、梯度掺杂情况等等。目前提高太阳电池光电转换效率的主要方法有：(1) 减少反射损失为了减少太阳光在电池表面的反射，常采用两种技术。 采用减反膜。常用的减反膜有二氧化硅(SiO 2)，二氧化钛 (TiO2)，五氧化二钽(Ta2O5)等。也有用几种物质同时做减反膜的。经过减反膜处理的太阳电池，其表面有很好的减反射效果。从而增大了太阳电池的短路电流，提高了太阳电池的转换效率。 采用凹凸结构。如果把太阳电池表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔形状的绒面结构或具有倒金字塔型的沟槽结构，或具有 V 型的沟槽结构，就可以使各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳能电池中去，从而可增加入射的太阳光量。采用这种结构，其光反射损失有的甚至可减到 5%左右。未经过处理的光滑硅表面，反射率一般高达 30%左右。(2)减少载流子损失减少载流子损失，主要是指防止载流子再结合损失。主要采用三种方法：加一层钝化层；控制杂质浓度；在电池底层上加一个背面电场。钝化层可以使电池表面的缺陷结构化，从而减少载流子的再结合中心。电池底层采用高浓度掺杂法形成一背电场，可以加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合损失。背面电场电池是指在基区底部，即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。结构形式有 p+/nn+ 或 n+/pp+ 型。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结或硼扩散的方法等建立。目前高效率电池一般都具有背面电场。(3)减少光透射损失在太阳电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极处。要充分利用这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。为此有人采用银作为底电极上的反射层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用银胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层。实验结果表明，这种铝扩散层对提高太阳能电池转换效率很有利。夏普公司根据他们的实验结果，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成银电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转换效率在原来的基础上又提高了 0.2%。(4)多层结构太阳电池把多个具有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池串起来所组成的太阳能电池叫做多梯度掺杂对太阳电池效率的影响4层结构太阳能电池。这种太阳能电池，把禁带宽度大的材料所制成的太阳能电池放在入射光的一侧，先让它吸收短波长的光，然后再制成一个用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池，让它再吸收由前半部透射出来的长波长的光。这种多层结构的太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光而提高其转换效率。目前面积为 0.25cm2 的三层结构多晶硅太阳能电池效率已达到 13%，面积为 100cm2 的电池效率已达到10.1%。(5)制造透明电极覆盖在太阳能电池表面的电极和栅线目前是不透明的，因为它会吸收太阳光中的可见光，所以这部分光的能量对光电转换效率没有贡献，而且产生的热量还对光电转换效率有负面影响。如果能把电极和栅线制作成透明的，尤其是对太阳能电池可以有效吸收且转化为电能的光透明，就可以提高太阳能电