摘 要

在全球环境恶化和能源紧缺的大背景下，太阳能电池的发展与应用受到越来越多国家的重视。近年来，非晶硅太阳能电池凭借其自身无可比拟的优势，比如优良的光吸收系数、低廉的成本、简单的制备工艺等等，成功脱颖而出，被视为未来太阳能电池发展的方向。本文使用wxAMPS数值模拟软件，对非晶硅太阳能电池的J-V特性进行了模拟研究，深入分析了p层，i层和n层的厚度，载流子迁移率以及p层带隙，i层缺陷态密度和前后接触势垒对p-i-n结构的非晶硅太阳能电池特性参数的影响。根据模拟结果，p层和i层的参数，以及前接触势垒对太阳能电池的影响较大，而n层参数和背接触势垒对电池性能几乎没有影响。通过输入最优参数，我们得出单结非晶硅太阳能电池的最优转换效率为10.03%。

关键词：p-i-n型非晶硅电池；wxAMPS；数值模拟

Simulation Study on Single - junction Amorphous Silicon Solar Cells

Abstract

In the context of global environmental degradation and energy shortages, the development and application of solar cells by more and more countries attention. In recent years, amorphous silicon solar cells with its own unparalleled advantages, such as excellent light absorption coefficient, low cost, simple preparation process, etc., successfully stand out, is seen as the future direction of the development of solar cells. In this paper, the JV characteristics of amorphous silicon solar cells were simulated by using wxAMPS numerical simulation software. The thickness, carrier mobility and p-layer bandgap of p layer, i layer and n layer were analyzed. Influence of Density and Front and Back Contact Potential on Characteristic Parameters of Amorphous Silicon Solar Cells with p-i-n Structure. According to the simulation results, the p-layer and i-layer parameters, as well as the back contact barrier on the impact of solar cells, and n-layer parameters and back contact barrier on the battery performance has little effect. By inputting the optimal parameters, we obtained the optimal conversion efficiency of single junction amorphous silicon solar cells of 10.03%.

Key words:p-i-n type a-Si:H solar cells;wxAMPS;numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能电池发展历史 1

1.3 非晶硅光伏电池的结构简介 2

1.4非晶硅光伏电池的工作原理 3

1.5 非晶硅薄膜电池的制备工艺 3

1.6 太阳能电池研究现状 4

1.7 研究意义与研究内容 5

第二章 太阳能电池模拟基础 6

2.1 漂移-扩散基本方程 6

2.2 边界条件 7

2.3 数值计算方法 8

第三章 非晶硅太阳能电池的仿真研究 11

3.1 电池模型参数 11

3.2 窗口层（p层）参数对太阳能电池性能的影响 11

3.2.1 p层厚度对电池性能的影响 11

3.2.2 p层载流子迁移率对电池性能的影响 13

3.2.3 p层带隙对电池性能的影响 14

3.3 本征吸收层参数对电池性能的影响 16

3.3.1 i层厚度对电池性能的影响 16

3.3.2 i层缺陷态密度对电池性能的影响 17

3.3.3 i层载流子迁移率对电池性能的影响 19

3.4 n层参数对太阳能电池性能的影响 20

3.4.1 n层厚度对电池性能的影响 20

3.4.2 n层载流子迁移率对电池性能的影响 21

3.5 前后接触势垒对电池性能的影响 22

3.5.1 前接触势垒对电池性能的影响 22

3.5.2 后接触势垒对电池性能的影响 24

3.6 最优参数模拟 25

第四章 结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

自从第一次能源革命以来，化石能源就一直成为生产生活中所需能源的支柱。到现在，传统化石能源已经深深融入了我们的生活，无论对社会发展，工业生产，还是人们的普通生活来说，处处都少不了石油、天然气等传统能源。但是，它在给人类带来极大便利、推动社会快速发展的同时，也带来了一系列的环境问题，例如频繁的雾霾和愈发严重的温室效应等。目前，人类还未能找到有效的方法来治理这些亟待解决的环境问题，所以，我们现在唯一能做的仅仅是从源头上减少污染的产生。因而，寻找合适的清洁能源成了全人类所关注和研究的难题。而太阳能凭借其储量丰富且又易于获取的优势，受到人们的广泛重视。

太阳能电池根据所用材料的不同，可分为:(1)无机太阳能电池：半导体硅和化合物半导体；(2)有机太阳能电池；(3)光化学太阳能电池^[1]。其中，由于硅基太阳能电池的发展历史更为悠久，因而无论从工艺的成熟度，还是性能的优异度方面，硅基光伏电池相对于其它光伏电池来说，都具有不小的优势。在硅基光伏电池中，单晶硅电池尽管性能出众，但是受限于短期内无法明显下降的成本，其实用化受到很大限制。而在可见光范围内，非晶硅光伏电池的吸收系数要比晶体硅光伏电池好得多，加上其本身原材料成本低廉，易于获取，因而其发展前景更为明朗。

1.2 太阳能电池发展历史

追溯太阳能电池的发展历史，具有里程碑意义的事件应当是在1954年，蔡平等人利用单晶硅p-n结制出了光电转换效率达到6%的光伏电池^[2]。这在当时来说是一项极为重要的突破，它让世人第一次意识到了太阳能电池发展的潜力。

太阳能电池研究的第一次兴盛发生在上世纪60年代，当时，由于美苏的太空竞赛，使得太阳能电池的需求大大增加。但是，由于当时光伏电池的研究仅仅处于起步阶段，昂贵的成本无法得到有效下降，因而仅仅在人造航天器上得到一定的应用。光伏电池在航天领域的第一次应用发生在1958年，美国和前苏联先后将其应用到人造航天器上。到了上世纪60年代，美苏两大国都在航天领域投入大量的人力物力进行研究和开发，使得当时光伏电池的发展极为迅速，几乎应用到了所有的人造航天器上。

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