论文总字数：31731字

摘 要

n型单晶硅太阳能电池与其他太阳能电池相比，其载流子寿命长、受光致衰减影响较弱、对金属杂质污染物不敏感，具有更加广泛的应用前景。但是，对于当前的晶硅太阳能电池来说，其电池效率是远低于理论极限效率的，性能和效率仍待进一步的优化。本文利用UNSW的太阳能电池模拟软件PC1D 5.9 对n型单晶硅太阳能电池的各项参数进行模拟优化。首先根据初始的参数设计，得到了初试效率为16.5％的n型晶硅太阳能电池，然后对电池的各项参数进行迭代优化，最终确定的衬底厚度为400 μm，减反膜厚度为75 nm，发射极深度为0.04 μm，衬底掺杂浓度为2×1016 cm-3，发射极掺杂浓度为4×1019 cm-3，少子寿命为2400 μs，背表面复合速度为100 cm/s。最终确定了效率达到21%的优化参数，表明了PC1D模拟仿真软件能够为太阳能电池研究提供参考。

关键词：PC1D；n型晶硅太阳能电池；厚度； 掺杂浓度； 载流子寿命； 复合速度

Simulation Study of n-type Single Crystal Silicon Solar Cell

Abstract

Compared with other solar cells, n-type single crystal silicon solar cells have a longer carrier lifetime, are less affected by light-induced degradation and are insensitive to metal impurity contaminants. Therefore, n-type silicon solar cells have extensive application prospects. However, for now, the cell efficiency is far below the theoretical limit efficiency. Performance and efficiency still need to be further optimized. In this study, the key parameters of n-type single silicon solar cell were calculated using the PC1D simulation program. Based on initial design, the efficiency of n-type single crystal silicon solar cells was up to 16.5%. Then, the various parameters of the cell were iteratively optimized. Hence, the paper demonstrates the best magnitudes for base thickness, anti-reflection film thickness, emitter thickness, emitter dopant density, base dopant density, minority carrier lifetime and rear surface recombination velocity are 400 μm, 75 nm, 0.04 μm, 2×1016 cm-3, 4×1019 cm-3, 2400 μs and 100 cm/s respectively. Finally, the efficiency of n-type single crystal silicon solar cells is up to 21%. The study proves that PC1D can provide reliable reference values for silicon solar cell research.

Key words: PC1D; n-type silicon solar cell; thickness; dopant density; carrier lifetime; recombination velocity

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 硅材料的特点 1

1.3 单晶硅太阳能电池的工作原理 2

1.4 单晶硅太阳能电池的性能参数 4

1.5 单晶硅太阳能电池的制备工艺 6

1.5.1硅片清洗与制绒 7

1.5.2 扩散制结 7

1.5.3 刻蚀 8

1.5.4 表面钝化 9

1.5.5 制备减反射膜 11

1.5.6 丝网印刷 11

1.5.7 高温烧结 12

1.6 提高单晶硅太阳能电池效率的常用方法 13

第二章 太阳能电池模拟软件的电学模型 16

2.1 PC1D仿真模拟软件 16

2.2 PC1D模拟软件的数学模型 16

2.3 标准测试条件 17

第三章 PC1D参数设定 18

3.1 Device 18

3.2 Region 1 19

3.3 Excitation 20

第四章 PC1D参数模拟结果与分析 21

4.1 n型硅衬底厚度对电池性能的影响 21

4.2 n型硅衬底掺杂浓度对电池性能的影响 23

4.3 发射极厚度对电池性能的影响 26

4.4 发射极掺杂浓度对电池性能的影响 30

4.5减反膜厚度（Si₃N₄）对电池性能的影响 33

4.6背表面复合速率对电池性能的影响 36

4.7 少子寿命对电池性能的影响 38

第五章 结论与展望 41

5.1 结论 41

5.2 展望 42

参考文献 43

致谢 48

1. 绪论
   1. 引言

太阳能电池是一种通过光伏效应来实现太阳能与电能之间转换的半导体器件。光伏效应是在内建电场的作用下，由光生少数载流子和多数载流子彼此分离所产生的。从上世纪五十年代以来，晶体硅就一直是世界光伏能源市场上最为重要的材料之一。目前，随着太阳能电池生产过程中使用的材料质量以及工艺流程的改进、提升，晶硅太阳能电池的结构也变得愈发多样化。当前，受到广泛研究的高效n型晶硅太阳能电池结构包括了钝化发射极后部全扩散（n-PERT）电池、钝化发射极后部局部扩散（n-PERl）电池、异质结（n-HJT）电池和交叉背接触（n-IBC）电池等^[1]。晶硅太阳能电池技术在全球的光伏（PV）市场中处于主导地位，目前占据着超过90％的市场份额（ITRPV，2017）^[2]。并且，对于当前实际生产出的晶硅太阳能电池而言，单晶硅太阳能电池的效率已经达到了26.3％，多晶硅太阳能电池的效率也已经达到了22.3％^[3]。但是由于复合损耗、反射损耗、光学损耗等诸多因素的存在，导致了发电量的损失。因此，实际制造的晶硅太阳能电池的光电转换效率是低于理论极限效率的。如何减小乃至消除这些制约因素对电池性能的影响，是未来晶硅太阳能电池研究发展的方向。

本文主要利用PC1D仿真软件对n型单晶硅太阳能电池性能进行模拟研究。

• 1. 硅材料的特点

不同于锗、砷化镓以及其它一些Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅具有许多优异的特性。第一，硅作为地壳中一种极为丰富的元素，储量可观。第二，硅是无毒的，因此在工业生产过程中，对于生态环境的影响较小。第三，由单晶硅太阳能电池片所组成的光伏器件具有长期的稳定性（一般超过20年）^[4]。第四，电池效率高。市场上目前商用的晶硅太阳能电池的光电效率一般超过20％。效率越高，越有利于降低成本支出。第五，硅作为一种典型半导体材料，其自身性质容易受周围环境的光、热、磁、电等因素的影响。众所周知，无法吸收所有入射阳光中的光子从根本上限制了晶硅太阳能电池的效率。在室温条件下（300K），硅的能带带隙E_g为1.12eV，足以吸收太阳光中大部分能量大于1.12eV的光子。随着温度的上升，硅的能带带隙E_g将会略微减小，使得硅能够吸收能量小于1.12eV的光子，价带顶部更多的电子能够跃迁到导带底部参与导电，这样就能够使得电池效率得到进一步提升。第七，硅能够成为太阳能电池理想材料的另一个重要特性即是它的本征载流子浓度，使得硅有着较好的极限工作温度。在室温条件下（300K），在1.5×10¹⁰/cm^-3左右。第八，硅具有较高的载流子迁移率，这也使得它有别于其他的半导体材料。

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