1、摘 要 晶体硅太阳电池的数值模拟与参数优化 专 业：凝聚态物理 摘 要 本论文详细论述了先进的晶体硅太阳电池多维数值模拟方法，从光学、半导 体和电路三方面的性质入手分析各种参数对电池输出性能的影响，使用多物理场 模拟软件 Comsol 的 RF 模块对 Si/SiO2/Al 结构进行了光学性质的模拟，并结合 实验数据，对传统结构太阳电池的前栅线设计进行了模拟和参数优化。 第一章简单介绍了晶体硅太阳电池的器件物理和转换效率的限制因素，之后 引出数值模拟的基本方法，研究现状以及在太阳电池研发中起到的重要作用。光 学、半导体和电路性质是太阳电池密不可分的三个部分，这三方面的模拟也始终 贯穿于本文。
2、第二章首次在国内建立了一套适用于商品化太阳电池全尺寸多维数值模拟 的方法，研究了如何使用 Sunrays， Sentaurus 和 Pspice 来进行太阳电池及组件的 模拟和参数优化。在这一领域和以往的模拟方法相比，该方法主要优点在于使用 精确的半导体器件模拟软件 Sentaurus 来获取微单元的 JV 特征曲线，避免了使用 双二极管模型的单纯电路模拟引起的误差；另外该方法可扩展至光伏组件性能的 模拟。为了方便进行模拟，在本章作者还编写了三个模拟辅助工具，使我们可以 在模拟程序中方便输入太阳电池和组件的各个参数。 第三章分析了影响模拟准确性的因素，指出了 Sunrays 模拟的光生载流子速
3、 I 学位论文 率， ECV 测试的扩散浓度曲线，栅线的有效遮光面积和扩散的不均匀性等方面 都会对模拟的准确性产生影响。 模拟和实测反射率曲线的对比结果表明， Sunrays 可较好地重现 400 nm-1000 nm 波段的金字塔绒面反射率曲线，但超过 1000 nm 的长波段拟合不好，为了寻 求新的途径模拟电池背面的光学性质，第四章使用 Comsol 中基于求解 Maxwell 方程的 RF module 进行了尝试，模拟了 Si/SiO2/Al 结构的光学性质，分析了 SiO2 层的厚度、 Al 表面粗糙度等参数对反射率的影响。提出了一种在 Comsol 模拟中 计算反射率的方法，结果表
4、明使用这一方法模拟出的反射率和根据 transfer matrix 的理论计算值完全符合。 第五章对传统结构（ n+pp+）太阳电池的前栅线设计进行了模拟和优化，研 究了栅线间距、高宽比、接触电阻率和体电阻率等对电池效率的影响，并分析了 丝网印刷种子层 +光诱导电镀（ LIP）的方法所具有的优点和局限性。模拟和实验 的结果均表明在 45 Ohm/sqr 的扩散方阻下，通过丝网印刷 100 m 宽 23 m 高的 Ag 细栅， 125125 mm2 单晶硅电池效率可达 17.82%。提高栅线高宽比在一定范 围内可改善填充因子，提高效率，但当高度大于 20 m 后贡献很小； LIP 可有效 地降低
5、栅线串联电阻，提高填充因子，但丝网印刷 +LIP 的方法要求丝网印刷种 子层的宽度最多不能超过 100 m。 综合全文，作者创新性的工作主要包括以下几点： 1. 通过 Pspice 电路模拟将微单元的 JV 特性扩展至整片商品化太阳电池或组件； 2. 编写了三套模拟辅助工具； 3. 利用 Comsol 建立了模拟多层介质膜光学性质的模型； 4. 系统分析了太阳电池前栅线的参数对太阳电池的影响。 关键词：晶体硅太阳电池；效率；数值模拟； 参数优化 II Abstract ABSTRACT The advanced multi-dimensional numerical simulations o
6、n crystalline silicon solar cells have been investigated detailed in this thesis. The optical, semiconductor and circuit properties of solar cells have been involved and their influence on solar cells performance is analyzed. To simulate the Si/SiO2/Al stacks optical properties as solar cells rear r
7、eflector, simulation software, Comsol RF module is applied. The influence of front metallization on traditional crystalline solar cells has been simulated as well. The operation principles and limits for conversion efficiency of Cz-Si solar cells are introduced, followed by the basic techniques of n
8、umerical simulation, research status and the important roles played in solar cells research and parameters optimization. The optical, semiconductor and circuit properties of solar cells are indivisible and the relationship of the three parts is analyzed and discussed through this thesis. In Chapter
9、2, the whole simulation flow will be introduced and analyzed in detail. With the combination of Sunrays, Sentaurus and Pspice application, we can simulate III 学位论文 the full-size commercial crystalline solar cells. The presented method in this thesis utilizes the advantage of precise JV characterizat
10、ion on unit cells simulated by Sentaurus, which avoids the error by simply using dual-diode model. Furthermore, the presented model can be easily extended to simulate as large size as photovoltaic module. To make our simulations more convenient and efficient, three auxiliary tools have been develope
11、d with which various parameters can be easily chosen. Although the simulation techniques are state-of-art, therere still some factors may influence our simulated results. These factors include: a) the parasitic error in optical generation induced by Sunrays ray tracing simulation; b) inaccuracy in E
12、CV profile measurement; c) extraction of effective shading area by front metallization; and d) the inhomogeneity caused by tube diffusion. These influence factors will be analyzed in Chaper 3. As mentioned above, Sunrays ray tracing is usually fair good at simulating the pyramidal texture in the ran
13、ge of 400 nm to 1000 nm, but not so well when the incident wavelength is over 1000 nm. In Chapter 4, we explore a new solution for this challenge: using Comsol RF module to solve the Maxwell equations and simulate Si/SiO2/Als optical properties. The influences of different parameters such as the thi
14、ckness of the SiO2 layer and the roughness of Al surface to reflection are analyzed in detail. Satisfactory results can be obtained when comparing the simulated reflectivity at Si/SiO2 interface with the one calculated from analytical method by using transfer matrix theory. In Chapter 5, we shift ou
15、r attention from optics to circuits. The industrial Cz-Si solar cells front metallization will be analyzed. Many parameters, such as finger spacing, aspect ratio, distributed contact resistivity and bulk resistivity are discussed. Experimentally, weve successfully fabricated 125125 mm2 Cz-Si cells w
16、ith 17.82% efficiency and 79.8% fill factor, which benefit from the 100 m width and 23 m height fingers. As a potential way to improve the screen printed finger, the advantage and limits for light induced plating (LIP) have been investigated as well. Simulations show that, to achieve considerable ef
17、ficiency gains, the seed layer (with 15 m height) needs to be considerably narrower than 100 m. IV Abstract The creative work presented in this paper includes: 1. extending the solar cells unit semiconductor simulation to industrial full-area solar cells and modules, based on the Pspice circuit simu
18、lation; 2. building three auxiliary tools to assist these simulations; 3. building the multi-layer optical simulation model by Comsol RF module; 4. detailed analysis of the influence of front metallization on cells performance to a high accuracy. Keywords: Crystalline silicon solar cells; Efficiency
19、; Numerical simulation; Parameter optimization V 目 录 目 录 摘 要 . I ABST R ACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III 目 录 . VI 第一章 绪 论 . . . . . . . . . . . . . . .
20、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 1.1 太阳电池工作原理和转换效率损失因素 . - 1 - 1.1.1 太阳电池的工作原理和结构 . - 1 - 1.1.2 转换效率的损失因素 . - 3 - 1.2 数值模拟的意义、方法和应用 . - 7 - 1.2.1 模拟的意义 . - 7 - 1.2.2 太阳电池器件模拟的基本方法 . - 7 - 1.2.3 太阳电池模拟的历
21、史与应用现状 . - 9 - 1.3 本论文的工作 . - 11 - 第二章 全尺寸太阳电池 -组件模拟方法的建立与应用 . - 13 - 2.1 基本思路 . - 13 - 2.2 模型实例与模拟过程 . - 14 - 2.2.1 电池的基本参数 . - 14 - 2.2.2 光学模拟 . - 15 - 2.2.3 半导体器件模拟 . - 16 - 2.2.4 电路模拟 . - 32 - 2.2.5 扩展到组件的电路模拟 . - 39 - 2.3 模拟辅助工具开发 . - 41 - 2.3.1 SunraysConv.exe . - 42 - 2.3.2 dessis_template.xl
22、s. - 43 - 2.3.3 circuit_tem plate.xls . - 45 - 2.4 本章小结 . - 47 - 第三章 模拟准确性的影响因素分析 . - 49 - 3.1 Sunrays 引起的误差 . - 49 - 3.1.1 金字塔大小 . - 49 - VI 学位论文 3.1.2 背面反射 . - 50 - 3.2 栅线的有效遮光面积 . - 50 - 3.3 ECV profile 的准确性 . - 52 - 3.4 扩散的不均匀性和局部漏电 . - 53 - 3.5 本章小节 . - 55 - 第四章 Si/SiO2/Al 背面结构的光学模拟 . - 56 - 4.
23、1 引言 . - 56 - 4.2 数值模型建立 . - 57 - 4.3 模型的检验 . - 58 - 4.4 Si/SiO2/Al 绒面结构的模拟 . - 61 - 4.4.1 绒面结构的定义 . - 61 - 4.4.2 建立模拟区域 . - 62 - 4.4.3 选择波长 . - 63 - 4.4.4 提取模拟结果 . . - 63 - 4.5 模拟结果分析与讨论 . - 64 - 4.5.1 模拟分辨率 /精度 . - 64 - 4.5.2 散射特性 . - 65 - 4.5.3 作为 Sunrays 输入的散射概率 . - 66 - 4.6 本章结论 . - 67 - 第五章 商品
24、化太阳电池前电极的模拟与优化 . - 69 - 5.1 引言 . - 69 - 5.2 商品化太阳电池的前栅线设计 . - 69 - 5.2.1 模型的验证 . - 69 - 5.2.2 栅线高宽比的影响 . - 73 - 5.2.3 栅线其它参数的影响 . - 75 - 5.2.4 丝网印刷 +光诱导电镀的局限性 . - 77 - 5.3 本章小结 . - 78 - 第六章 总 结 . - 81 - 附录一 SunraysC onv.exe 的程序代码（ SunraysC onvD lg.cpp） . - 82 - 附录二 Comsol RF module 模拟 Si/SiO2/Al 反射率
25、的代码（ planar.m） . - 98 - 攻读博士学位期间主要研究成果 . - 105 - 致 谢 . - 106 - VII 第一章 绪 论 第一章 绪 论 本章首先介绍晶体硅太阳电池的工作原理，转换效率的损失因素和器件模拟 在太阳电池研发中起到的重要作用，之后引出数值模拟的意义、基本方法和研究 现状。对于太阳电池而言，光学、半导体和电路性质是密不可分的三个部分，这 三方面的模拟也始终贯穿于本文。最后介绍本论文的工作内容。 1.1 太阳电池工作原理和转换效率损失因素 1.1.1 太阳电池的工作原理和结构 太阳电池是一种利用光伏效应把光能直接转换成电能的装置。简单的太阳电池工作原理如图
26、1-1 所示，一个完整的过程包括： 1. 电子从太阳光中吸收能量，跃迁到更高的能级； 2. 然后流动到电池的前电极处； 3. 从电极处离开电池，沿着外电路流动到做功的负载，如灯泡； 4. 做功完后的电子将损失掉从太阳光中吸收的能量，返回较低的能级； 5. 电子沿着外电路回到电池的背电极处； 6. 重 新进入电池，再次吸收太阳光的能量，如此循环，周而复始。总之，只要有光， 就有电流产生。 图 1-1 太阳电池工作原理简单示意图 本论文中如无特殊说明，所有插图均为作者本人成果。 - 1 - 学位论文 图 1-2 为目前商品化的 p 型硅传统结构太阳电池示意图。可以看到，太阳电池其实是一个大面积的
27、p-n 结，在厚度约 150-200 m 的 p 型硅衬底上，通过 POCl3 扩散形成一层厚度约 0.3-0.5 m 的 n 型发射极（ n-doped emitter），背面通过烧结 Al 浆形成背电极的同时，还形成了厚度约 5-8 m 的 p+铝背场。在 p-n 结的内建 电场作用下，光生电子 -空穴对被分离并分别流动到前电极和背电极，再经外电 路形成回路。为了增加光的吸收，减少表面反射，一般还在前表面镀上一层 SiNx 作为减反膜。此外，由于 SiNx 通常带正电荷，可以减少 n 型发射极区中的少数 载流子 空穴的浓度，从而减少表面复合。前栅线一般采取丝网印刷的方式，印刷宽度约为 80
28、-130 m 含有玻璃浆料的银浆，这样在高温烧结过程中，玻璃浆料腐蚀穿透 SiNx，使得 Ag 和 Si 之间形成欧姆接触。 图 1-2 p 型硅太阳电池结构示意图 1 图 1-3 太阳电池 JV 曲线示意图 太阳电池的性能可用如图 1-3 的 JV 曲线来表征，其中曲线与电压轴（ x）和 - 2 - 第一章 绪 论 电流密度轴（ y）的交点分别为开路电压（ Voc）和短路电流密度（ Jsc），二者乘 积的最大点处即为最大输出功率点（ maximum power point， mpp），该点对应的 电压和电流密度分别为最大工作点电压（ Vmpp）和最大工作点电流密度（ Jmpp）。 太阳电池的
29、转换效率定义为： Vmpp Jmpp J V FF （ 1-1） sc oc 其中， 为入射光总能量，标准测试条件（ STC）下为 AM 1.5G 的光谱和 1000 W/m2 的光强， FF 定义为填充因子 FF Vmpp Jmpp （ 1-2） V J sc oc 目前世界上单结晶体硅太阳电池的转换效率记录是新南威尔士大学（ UNSW）的 PERL 电池，达到 25%。对于商品化太阳电池的平均转换效率，传统结构的单晶硅电池一般约为 16-18%，多晶硅电池约为 15-17%。在看似简单的 太阳电池工作机理背后，存在着许多影响转换效率的因素，总体而言包括光学、 复合和电阻损失三方面，具体如下
30、节所述。 1.1.2 转换效率的损失因素 太阳电池的转换效率最高到底能到多少？这是很多理论科学家一直想解开 的难题。 Shockley 和 Queisser2计算了只有辐射复合（ radiative recombination）条 件下的太阳电池转换效率上限，假设对于黑体辐射下的入射光子，能量高于带隙 Eg = 1.12 eV 的光子全部被吸收并且吸收一个光子只产生一对电子 -空穴，而能量 低于 Eg 的光子全部没有贡献，这样计算出来的效率上限为 30%。 Deb 和 Saha3 首次计算了吸收一个光子能产生不止一个电子 -空穴对的效率上限，他们推算出 当 Eg = 0.8 eV 时，最高效率能到 31%。而对于 Si， Werner4认为一个光子如果可以 “尽可能 ”地产生多个电子 -空穴对，效率上限为 43%。近年来出现的量子 点电池和光伏 -光热并用系统，还在不断改写着这一理论转换效率上限。 然而，对于目前商品化太阳电池，我们更关心的则是如何把这些损失因素一一列出，找出占主导的因素并寻求改进，以提高效率。 - 3 -
