单结微晶硅及非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的模拟研究

论文摘要

氢化微晶硅（μc-Si:H）薄膜太阳电池由于兼有晶体硅电池的高稳定性和薄膜电池的低成本优势,在第二代太阳电池中备受关注。另外,μc-Si:H薄膜的光学带隙较窄（约为1.1eV）,以μc-Si:H薄膜为底电池光吸收层的非晶硅／微晶硅（a-Si:H/nc-Si:H）叠层电池,不仅可将电池的光谱响应范围拓展至近红外光区,还可有效抑制非晶硅薄膜电池的光致衰退效应,是第三代高效、低成本太阳电池的首选。为了更好的理解硅基薄膜太阳电池的输运机制,并对其结构进行优化,从而进一步提高该类太阳电池的光电转换效率,本文采用宾州大学开发的AMPS-1D程序对单结的μc-Si:H薄膜电池和a-Si:H/μc-Si:H叠层电池进行了数值模拟研究。对于pin结构的μc-Si:H电池而言,本征层（i层）的结构性质是影响其电池性能的关键因素,另外,电池内的各个界面尤其是p/i界面的影响也不容忽视,因此本文首先模拟了μc-Si:H薄膜电池的本征层（i层）晶化率和p/i界面特性对电池各性能参数的影响。对于叠层太阳电池而言,各个子电池的电流匹配是至关重要的。本文在模拟单结电池的基础上,进一步研究了a-Si:H顶电池和μc-Si:H底电池的厚度以及中间反射层等对a-Si:H/μc-Si:H叠层电池的性能的影响。得到的主要结论如下：（1）随着i层晶化率Ic的增大,μc-Si:H薄膜电池的开路电压Voc单调下降,短路电流以Jsc和填充因子FF先增大后减小,Ic处于30%-60%范围内时,μc-Si:H薄膜电池的光电转换效率η达到最大值,这与实验结果是一致的。（2）随着p/i界面缺陷态密度Ntp/i的增大,μc-Si:H电池的开路电压Voc和填充因子FF单调减小,而短路电流Jsc基本不变。上述结果表明,p/i界面缺陷态密度是导致PECVD和HWCVD制备本征层的μc-Si:H电池性能差异的主要原因。（3）随着p/i界面非晶孵化层厚度的增大,μc-Si:H薄膜太阳电池的短路电流Jsc和填充因子FF单调下降,但开路电压Voc反而增大,电池的光电转换效率η快速下降。（4）对于a-Si:H/μc-Si:H叠层电池,当底电池厚度dibot一定时,随着项电池厚度ditop的增大,叠层电池的短路电流Jsc和效率η先增大后减小,当电流匹配时效率达到最大值ηmax;在一定范围内增大底电池的厚度dibot,叠层电池的最大效率ηmax有所提高,但与之匹配的顶电池厚度ditop也随之增大；当底电池厚度dibot为1.5μm时,最佳电流匹配所需的顶电池厚度ditop约为250nm。（5）在a-Si:H顶电池和μc-Si:H底电池之间引入ZnO中间反射层,可有效提高顶电池的光电流,但同时降低了底电池的光电流；在底电池厚度dibot一定时,中间反射层的引入可减薄顶电池的厚度,从而提高叠层电池的稳定性；当底电池厚度dbot为1.5μm时,引入ZnO中间层后,最佳电流匹配所需的顶电池厚度ditop约为200nm（6）中间反射层的厚度一定时,中间层材料的折射率n对叠层电池的电流匹配有重要影响,其中n远小于硅基薄膜材料的折射率时反射效果最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 太阳电池的研究背景及意义
• 1.1.1 太阳能是理想的可再生能源
• 1.1.2 近年来世界光伏产业的发展
• 1.2 硅基太阳电池
• 1.2.1 晶体硅太阳电池
• 1.2.2 硅基薄膜太阳能电池
• 1.3 本文的研究目的和研究内容
• 2 理论基础
• 2.1 太阳电池的工作原理
• 2.2 太阳电池的主要技术参数
• 2.3 电池模拟软件AMPS
• 3 i层晶化率对微晶硅薄膜太阳电池性能的影响
• 3.1 微晶硅薄膜太阳电池模型
• 3.2 i层晶化率对微晶硅电池性能参数的影响
• 3.3 本章小结
• 4 p/i界面特性对微晶硅薄膜太阳电池性能的影响
• 4.1 不同本征层质量下p/i界面态对电池性能的影响
• 4.2 不同本征层晶化率下p/i界面态对电池性能的影响
• 4.3 p/i界面非晶孵化层对电池性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 非晶硅/微晶硅叠层电池的模拟研究
• 5.1 非晶硅/微晶硅叠层电池模型
• 5.2 顶、底电池厚度对叠层电池电流匹配的影响
• 5.3 ZnO中间层对叠层电池电流匹配的影响
• 5.4 中间层折射率对叠层电池光电流的影响
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 个人简历与发表论文
• 致谢