论文总字数：28394字

摘 要

高效率、低成本是光伏电池的两个重要发展方向。目前的生产商不断推出薄膜电池，解决电池表面复合是关键问题。PERC电池与现有电池产线兼容性极佳，随着背表面介质膜钝化和局部金属接触工艺完善，近年来PERC电池性能和效率不断攀升。本文利用UNSW的太阳能电池模拟软件PC1D 5.9对PERC单晶硅太阳能电池的各项参数进行模拟优化。本文首先基于实际情况对电池各项参数进行模拟处理，获得了初始效率为18%的P型单晶硅太阳能电池。然后对各项电池参数进行迭代优化，最终确定衬底厚度的为400μm，发射极深度为0.03μm，衬底掺杂浓度为3×10¹⁶cm^-3，发射区掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，铝背场掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，铝背场厚度为20μm，少子寿命为800μs，背表面复合速率为50cm/s。这组参数使电池效率从18.39%提升到了21.09%。

关键词：PC1D 钝化发射极和背接触电池 铝背场 衬底

Abstract

High efficiency and low cost are two important development directions of photovoltaic cells. Current manufacturers continue to introduce thin-film batteries, and solving the problem of surface recombination is a key issue. The Passivated Emitter and Rear Solar Cell has excellent compatibility with existing solar cell production lines. With the passivation of the dielectric film on the back surface and the improvement of the local metal contact process, PERC performance and efficiency have continued to rise in recent years. This paper uses UNSW's solar cell simulation software PC1D 5.9 to simulate and optimize various parameters of PERC monocrystalline silicon solar cells. This paper first designed the simulation of various parameters of the battery based on the actual situation，and obtained a P-type monocrystalline silicon solar cell with an initial efficiency of 18%. The simulation cell parameters are iteratively optimized to determine the substrate thickness of 400μm and the emitter depth 0.03μm, the substrate doping concentration is 3×10¹⁶cm^-3, the emitter doping concentration is 2×10¹⁹cm^-3, the aluminum back field doping concentration is 1×10¹⁸cm^-3, the aluminum back field thickness is 20μm, the minority carrier lifetime is 800μs, rear surface recombination rate is 50 cm / s. This set of parameters increased the battery efficiency from 18.39% to 21.09%.

Key words: PC1D；PERC monocrystalline silicon solar cell；Aluminum back field;

Substrate

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1太阳能电池研究背景 1

1.2太阳能电池发展历程 1

1.2.1第一代太阳能电池 2

1.2.2第二代太阳能电池 2

1.2.3第三代太阳能电池 3

1.2.4小结 3

1.3太阳能电池电学模型 3

1.3.1太阳能电池结构 3

1.3.2太阳能电池工作原理 4

1.4晶硅太阳能电池制造工艺 6

1.4.1硅片准备 6

1.4.2制绒 7

1.4.3扩散制结 8

1.4.4等离子边缘刻蚀 9

1.4.5减反射层 9

1.4.6丝网印刷 10

1.4.7烧结 11

1.5 PERC单晶硅太阳能电池结构与特性 11

1.5.1后钝化工艺 12

1.5.2钝化材料 13

1.5.3光致衰减 14

第二章 光伏电池模拟软件的电学模型 15

2.1太阳能电池仿真软件PC1D简介 15

2.2基本方程 15

2.3边界条件 16

2.3.1欧姆接触对于静电势的边界条件 17

2.3.2肖特基接触的边界条件 17

第三章 PC1D模拟结果及分析 19

3.1衬底参数对PERC电池性能的影响 20

3.1.1衬底厚度与掺杂浓度 20

3.1.2衬底少子寿命 24

3.2发射区参数对PERC电池性能影响 26

3.2.1发射区掺杂浓度与发射极厚度 26

3.2.2结深 28

3.3背表面电荷对PERC电池性能影响 30

3.4背表面复合速率对PERC电池性能影响 32

3.5铝背场厚度对PERC电池性能影响 35

3.6 电池优化 37

第四章 总结 39

参考文献 40

致谢 44

第一章 绪论

1.1太阳能电池研究背景

能源是人类生存发展的基础，特别是在经历了两次工业革命后，经济发展，科技进步更是离不开能源。进入21世纪，伴随着科技高速发展，世界生态危机与能源紧缺的问题也日益突出，1970年世界爆发石油危机，如何摆脱对传统化石能源的以来是各国共同面对的难题。此外，过渡消耗化石能源也造成温室气体高排放，从目前看，全球气候很可能在本世纪末升温6～7℃，而《巴黎协定》的生态警戒线是2℃。2019年，澳大利亚、印度、日本和欧洲均出现了创纪录的高温。种种迹象表明，世界处在毁灭性的气候混乱状态边缘。人类为了良好的生存环境与长远计划，寻找可再生能源已迫在眉睫。太阳能作为可再生和清洁能源，安全可靠，已经引起人们广泛关注。太阳能来自于太阳体内氢氦聚变反应，辐射到地球上的平均辐射强度达1396w/m²。太阳能发电主要包括两大方面：光伏发电和光热发电。其中，光热发电只有在太阳高辐射并且有良好聚光条件时才具有明显价值；光伏发电应用范围更广阔，主要有化合物电池，硅基薄膜电池，染料敏化薄膜电池，有机太阳电池等。

1.2太阳能电池发展历程

太阳能电池的基本工作原理是光伏效应（Photovoltaic Effect），最早由法国年轻科学家贝克勒尔于1839年发现，他在研究电解电池实验时发现，光照下半导体的各部位之间会产生电势差，光量子与材料作用后产生电能；随后R.E.Day和W.G.Adams重点研究了硒材料的光伏效应，并与1877年研制出世界上第一块硒电池。自20世纪50年代以来，晶体硅太阳电池在航空航天领域得到了广泛的应用。1954年，美国贝尔实验室研制出效率为4.5%的单晶硅太阳能电池，几个月后达到了6%。1958年3月发射的美国Vanguard1号上首次装有太阳能电池，同年5月苏联发射的第三颗人造卫星上也配备了太阳能电池。到1969年美国人阿姆斯特朗乘着阿波罗11号飞船登陆月球,再到之后几乎所有发射的飞行器都装设太阳能电池。1959年，Hoffman电子实现了10%的单晶硅太阳能电池效率，使用栅极可以显著降低光伏电池的串联电阻。1998年被称为“太阳能电池之父”的新南威尔士大学M.A.Green教授选择液相外延法制备出钝发射极背部局域扩散电池（PERL），实现单晶硅电池效率24.4%的世界纪录。

随着基础物理不断开拓与生产技术不断进步，太阳能电池经过一百多年的发展，可分为以下三个阶段。

1.2.1第一代太阳能电池

第一代太阳能电池是硅基太阳能电池，包括单晶硅，多晶硅，非晶硅电池。根据计算，单结光伏器件材料的最佳带隙为1.4ev，而单质硅的带隙为1.12ev，且自然界储量丰富，使得硅基材料成为光伏器件的合适选择。从目前来看，单晶硅太阳能电池已建立了良好成熟的制造工艺，在未来的十年仍将占据光伏市场的主导地位。这种电池对原料纯度要求很高，须达到99.999%。铸造多晶硅太阳能电池由于对原材料纯度要求低，所以生产成本低廉；但是材料内部的众多的晶界与缺陷也使得转换效率比单晶硅太阳能电池低。目前多晶硅电池生产方法有硅烷法，西门子法，真空蒸发除杂法等，为来的发展方向应该是如何在生产过程中提高对晶硅片质量，以此提高最终电池效率^[1]。

1.2.2第二代太阳能电池

第二代太阳能电池是由各种薄膜作为基底的，相比于传统太阳能电池几百微米的厚度，薄膜太阳能电池的厚度仅为几个微米，这大大降低了生产成本，同时有助于大面积生产。1976年,美国RCA实验室 D.E.Carlson和C.R.wronski制备第一个非晶硅薄膜太阳能电池。时至今日，由各种基底材料衍生出了多种薄膜太阳能电池，包括非晶硅（α-Si），微晶硅（μ-Si），碲化镉（CdTe），铜铟硒（CIS），铜铟镓硒（CIGS），砷化镓（GaAs），染料敏化太阳能电池，有机-无机杂化薄膜太阳能电池等。总体上说来，薄膜太阳能电池的光电转化效率低于晶硅太阳能电池，其中微晶硅电池虽然成本低廉，但是由于光致诱导效应（Staebler Wronski Effect），发电性能受到极大制约。其他薄膜型电池，如砷化镓，铜铟镓硒，碲化镉太阳能电池，虽然具有高效率，但是生产过程复杂、原材料稀有、原材料毒性使得商业推广仍存在困难。

1.2.3第三代太阳能电池

为了解决前两代太阳能电池所存在的问题，进入新世纪以来，越来越多的新式电池结构被提出并实验，原料丰富且无毒性，薄膜化，是第三代太阳能电池的特征。M.A.Green通过不断研究提出了叠层太阳能电池，热载流子太阳能电池，多带隙太阳能电池，热光电子电池等一系列高效电池概念^[2]，具有广阔发展前景和应用潜力。

1.2.4小结

如图1.1，在超过半个世纪的发展和完善后，晶体硅太阳能电池凭借高效率和稳定性称为了光伏电池市场主流。

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