摘 要

在全球能源转型的这个大背景下，对于太阳能利用技术的的到了越来越多的关注，其中主要是光-电转换技术，本文主要讲述利用半导体PN结作用的光-伏转换方式。在众多的半导体材料中，GaAs的带隙宽度为1.42eV最接近理想带隙，依据SQ极限，效率应该可以高达33%。本文借助于多物理场有限元分析软件对单结GaAs太阳电池进行了理论模拟和优化。对单结GaAs太阳电池进行了性能模拟，分析了电池在300K，A.M1.5G状态下，单结GaAs太阳电池的平衡状态的能带图，暗态和加光条件下的伏安特性曲线，光谱短路电流与波长之间的关系以及外部量子效率。由于对于柔性电池的需求，模拟分析了电池厚度变薄后电池性能的变化，并对电池结构进行光学设计优化，在电池的背面增加一层金属背反镜，通过对于Ag、Au、Al三种金属反射率的比较，选择Ag作为背反镜材料，效率较未加背反镜之间提高了9.86%。

关键词：GaAs太阳电池 仿真模拟 转换效率 背反镜

Structural design and simulation of GaAs solar cells

Abstract

In the context of global energy transformation, more and more attention has been paid to the use of solar energy technology, among which the photoelectric conversion technology is the main one. In this paper, the photoelectric conversion method using semiconductor PN junction is mainly described. Among many semiconductor materials, the band gap width of GaAs is 1.42eV, which is the closest to the ideal band gap. According to the SQ limit, the efficiency should be as high as 33%. In this paper, the single-junction GaAs solar cell is theoretically simulated and optimized. The simulation of single-junction GaAs PV was get under the condition of 300K, AM1.5G.The energy band diagram of the balance state, the volt-ampere characteristic curve under dark state and light condition, the relation between spectral short-circuit current and wavelength and the external quantum efficiency were analyzed of single-junction GaAs solar cell. Because of the demand for the flexible battery cell, simulation analysis the change of the battery performance after thickness thinning, and the optical design optimizing of cell structure. I add a layer of metal on the back of the battery back mirror, through to Ag, Au, Al, and compare three kinds of metallic reflectivity material, choose Ag as back mirror, conversion efficiency is increased by 9.86% before adding the back mirror.

Keywords:GaAs solar cell; Simulation; Conversion efficiency; Back mirror

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1背景和研究意义 1

1.1.1背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 面临问题和解决方案 4

1.2.1 面临问题 4

1.2.2 解决方案 4

1.3 论文研究内容 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 论文结构 4

第二章 太阳电池理论基础 6

2.1 太阳辐射 6

2.2 掺杂和载流子运输 7

2.2.1 半导体的掺杂 7

2.2.2 载流子的运输 9

2.3 产生和复合 11

2.3.1 载子的产生 11

2.3.2 载子的复合 11

2.4 PN结的光生伏特效应 13

2.5 表征太阳电池的基本参数 14

第三章 砷化镓单结太阳电池1D建模 16

3.1 模型结构和参数选择 16

3.2 结果与分析 18

3.2.1 暗态J-V特性曲线 19

3.2.2 光照下J-V曲线 20

3.2.3光谱短路电流密度 21

3.2.4外量子效率（EQE） 21

3.4 本章小结 22

第四章 砷化镓单结太阳电池3D建模 23

4.1 3D模拟 23

4.2 表面反射对电池性能的影响 25

4.3 光学设计优化 26

4.3.1初始厚度 26

4.3.2厚度薄化后的性能 28

4.6 本章小结 31

第五章 结论与展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 32

参考文献 33

致谢 35

绪论

1.1背景和研究意义

1.1.1背景

回顾过去我们已经完成了两次能源转换的飞跃，一是木头到煤炭、二是从煤炭到油气，而现阶段我们正处在第三次转换新阶段：由煤炭、油气向新能源（见图1-1）^[1]。17 -19 世纪中叶，木头是人类早期能够容易获得的能源，是最主要的一次能源类型。1769-1885年期间，第一次科技革命加速了能源转换进程，截至19世纪80年代煤炭成为消费总量最大的一次能源，占比超过木柴，完成了从木头到煤炭的第一次重大转换。1886-1950年，第二次科技革命内燃机的发明以及钻井、炼化等技术发展，油气作为高效能源的开始得到大规模的利用。1965年，在一次能源消费结构中，油气占比超过 50%，取代煤炭成为世界第一大能源，实现了从煤炭到油气的第二次能源转换^[2]。随着不断增长的社会经济、科学技术和绿色环保要求，以第三次科技革命（1950-2010年）为引导、第四次科技革命（2010年-2100年）为助推，一次能源类型从高碳趋向低碳、无碳，生产方式由简单加工发展到技术密集，利用途径从直接一次到多次转换，传统化石能源必将完成从煤炭、油气到可再生能源的第三次重大转换。

在众多可在生清洁能源中，太阳能是一种清洁、高效、环保安全和可无限使用的可再生新能源，资源总量巨大、分布广泛、就地取用，是最具竞争力、发展前景最为广阔的永久性能源^[3]。对于太阳能的利用方式有很多，其中光-电转换是主要方式之一。首先，光伏发电与光热发电方式不同，能够将太阳光直接变为电；其次，光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质，无噪音，对环境友好^[4]。对于地域要求不高,可以大范围也可小区域应用，检修容易,建设时间短，能广泛应用。

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