1、 丽水学院毕业论文 页 1 丽 水 学 院 毕 业 论 文 题 目： 本征层厚度及掺对a-Si： H 太阳电池性能影响的模拟研究 学院 (直属系 )： 理学院 年级、专 业： 2013 光源与照明程学 生 姓 名： 学 号： 13102080222 丽水学院毕业论文 页 2 目录 丽 水 学 院 . 1 学 号： 13102080222 . 1 第 1 章 绪论 . 4 1.1 引言 . 4 1.2 太阳电池技术的发展历史 2 . 6 1.3 太阳电池的发 展方向及应用 . 10 1.4 本章小结 . 1 第 2 章 a-Si 太阳电池结构及原理分析 . 2 2.1 结构分析 . 2 2.2
2、原理分析 . 5 2.3 本章小结 . 13 第 3 章 a-Si 太阳电池性能模拟研究 . 14 3.1 软件介绍 . 14 3.2 模型结构 . 16 3.3 掺杂模拟及结果 . 17 3.4 厚度模拟及结果 . 22 3.5 本章小结 . 25 第 4 章 模拟结果分析 . 26 4.1 受主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 . 26 4.2 施主型掺杂对太阳能电池性能影响的分析 . 32 4.3 两种掺杂浓度对太阳能电池性能影响的对比分 析 . 36 4.4 本征层厚度对太阳能电池性能影响的分析 . 40 4.5 本章小结 . 43 丽水学院毕业论文 页 3 第 5 章 结论 . 44
3、 本文采用 AMPS-1D 模拟研究了 pin 结构的 a-Si： H 薄膜太阳能电池的各种性能。通过设置本征层厚度和掺杂浓度的不同参数，得到太阳能电池的性能与改变参数的关系最终找出了提高 太阳能电池性能的方法。 . 44 对于本征层厚度，短路电流密度可以知道，当厚度在 550nm 左右时其短路电流最大，同时其转换效率也最大。开路电压在厚度达到200nm 后变化不是很大，但是超过 500nm 时就有下降的趋势，因此应该合理的取舍其厚度，以实现最佳的转换效率和其他的所需性能。 . 44 对于掺杂浓度，由研究可以知，在本征层中掺杂对提高非晶硅太阳能电池的性能没有作用，相反会降低其性能，因此应该尽量
4、的减小本征层中的掺杂。 . 44 第 6 章 总结与体会 . 45 致谢 . 46 丽水学院毕业论文 页 4 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 1-11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。 图表 1- 1 全世界能源资源情况 太阳内部每时每刻都
5、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 3181023kW，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 71012 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，种类 探明可采储量 年产量 可采年数 煤 1.031012t(1996 年 ) 4.6109t 223 年 石油 1.0531012 桶（ 1998 年） 2.671010 桶 39 年 天然气 1.461014m3（ 1998 年） 2.271
6、012m3 64 年 丽水学院毕业论文 页 5 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广泛使用。 图表 1- 2 各种发电方法产生大气 污染物的
7、量 g/kWh 发电方法 煤 石油 天然气 原子能 风力 水力 太阳能 污染物 COX 322.8 258.5 178 7.8 6.7 5.9 5.3 NOX 1.8 0.88 0.9 0.003 0.007 SOX 3.4 1.7 0.001 0.03 0.02 丽水学院毕业论文 页 6 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
8、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 Ga
9、As 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，而成为俄丽水学院毕业论文 页 7 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，太阳能发电首选偏远地区。 1966 年 Sharp 建成当时全球最大的太阳能灯塔。 1980年， S
10、harp 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 太阳电池种类 现况 2010 年 2020 年 2030 年 多晶
11、硅电池 13 14.8（ 18.4） 16（ 20） 19（ 25） 22（ 35） 薄膜电池 10（ 14.7） 12（ 15） 14（ 18） 18（ 20） 丽水学院毕业论文 页 8 CIS 系电池 10 12（ 18.9） 13（ 19） 18(25) 22(25) 超高效率电池 （ 38.9） 28（ 40） 35（ 45） 40（ 50） 染料薄膜电池 （ 10.5） 6（ 10） 10（ 15） 15（ 18） 表 1-6 日本技术开发目标 项 目 现况（达成年） 2010-2030 年开发目标（达成年） 降低模组制造成本 生产成本： 250 日元 /W(2003年 ) 预期发展
12、： 140 日元 /W(2003年 ) 100 日元 /W(2010 年 ) 750 日元 /W(2020 年 ) 50 日元 /W(2030 年 ) 提升模组耐久性 寿命 20 年 寿命 30 年 原料消耗指标化 10-13g/W 硅圆： 1g/W(2030 年 ) 变频器 30000 日元 /kW 15000 日元 /kW(2020 年 ) 蓄电装置 10 日元 /Wh 10 日元 /Wh(2020 年 ) 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
13、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丽水学院毕业论文 页 9 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 -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
14、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。
15、 丽水学院毕业论文 页 10 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。 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。
