论文总字数：15624字

摘 要

非平衡少数载流子寿命，是半导体硅材料中一项十分关键的参数。它主要影响光伏电池的光电转换效率以及半导体硅器件的性能，是评估电池生产工艺优秀与否和硅片质量的重要指标。本文通过研究单晶硅电池载流子复合进而推导出少子寿命。首先对光伏电池载流子的理论寿命进行较为精确的建模，探究载流子复合与掺杂浓度和注入水平等变量的关系，然后与现有数据对比分析进行拟合，进而了解材料中固定电荷和缺陷浓度等属性对电池各项参数的影响和制约。

关键词：少子寿命 载流子复合 建模分析 转换效率

Modeling and fitting of silicon-based photovoltaic cells

Abstract

Minority carrier lifetime under non-equilibrium condition is one of the key parameters in silicon material. It mainly affects the conversion efficiency of PV devices and semiconductor device performance, which constitutes the most important gauge for cell production technology and silicon wafer quality. This project derives minority carrier lifetime through the study of carrier recombination. Precise model on theoretical PV device charge carrier lifetime is first constructed, followed by an investigation into the relationship between carrier recombination, doping density and injection level. Existing data are fitted based on these relations, and the effect and constraint of fixed charge and defect density on various cell parameters are understood.

Key Words: Unquilibrium minority carrier lifetime; Carrier recombination; Modeling analysis; Conversion efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 单晶硅光伏电池简介 2

1.2.1 产业背景 2

1.2.2 电池理论效率以及损失原因 2

1.3 课题研究方向与意义 5

第二章 少数载流子寿命的计算 6

2.1 少子寿命简介 6

2.2 载流子复合机制 6

2.2.1 体复合 8

2.2.2 表面复合 9

第三章 建模与分析 12

3.1 引言 12

3.2 本征复合载流子寿命 12

3.3 空间电荷区深度以及能带弯曲 13

3.3.1 表面势能求解 13

3.3.2 能带弯曲 14

3.4 空间电荷区复合 16

3.4.1 空间电荷区复合 16

3.4.2 空间电荷区内的缺陷复合 17

3.5 有效载流子寿命 19

3.6 总结 23

参考文献 25

致 谢 26

1. 绪论

1.1 引言

从远古的石器时代到发达的现代社会，推动人类进步的是一次又一次的科技革命。现代社会，科技水平日新月异，我们的生活质量得到了极大的改善，但是，这并非毫无代价，科技在带来高效便捷的生活方式的同时，也带给人类严峻的考验。几乎每一个国家的国力发展都离不开海量的能源需求，而这必然导致环境污染、资源短缺。自20世纪后工业愈加发达，世界人口增长迅速，造成人类过度使用化石能源，进而产生资源短缺、生态环境严重恶化等现象，人类必须意识到过度消费资源的严重后果。不能以消耗有限的资源为代价来换取一时的安逸，因此人们将越来越多的视线投注到新能源的开发利用，从石油、煤碳等不可再生能源的滥用转而到对太阳能、水电、风能、生物能等新能源的研发。其中水电受制与地理位置和水文环境，风能也被地理位置和风力所影响，只有太阳能几乎不受地理影响，储量巨大，发电设备较前两者简单，工程要求低，可持续性又要好过风能，在目前这些新能源中优势最大，将是未来的主力能源。

前些年，因为北京奥运会，雾霾成为人人关注的话题，据中国环境保护协会有关资料显示[1]，我国大部分地区PM2.5指数严重超标，雾霾已经影响了全国绝大部分地区。相关研究报道指出，污染对人体健康造成的恶劣影响具有不可逆性，那些生活在高污染城市的人将饱受一系列健康问题的困扰，雾霾带来的问题没有人能幸免。近年来在国内愈发严峻的雾霾形势下，人们意识到过度使用化石能源带来的环境和健康问题。自中国经济发展以来，其煤炭消耗量稳居世界第一，接近半数的消耗均来自中国，并且这种消耗的势头还在持续增高，长期以来煤炭供能不仅限制国家发展，也会引发温室效应、环境污染等严重问题。而部分发达国家自21世纪以来投入大量精力于太阳能发电，再加上过去雄厚的技术累计，不断刷新太阳能电池的转换效率，促进光伏电池的进步和产量，对化石能源的依赖度正在逐渐降低。当能源危机迫在眉睫时，所有国家都意识到化石能源的短缺、污染和昂贵，必然会将重心转移到太阳能电池上。

光伏产业最关键的地方是太阳能电池的研发，它一直是国内外关注的焦点。为尽早实现“阳光计划”，无数的研究者参与其中，共同研发清洁高效，无污染的太阳能。19世纪中旬，法国科学家 Becquerel 就观察到了液体的光生伏特效应，从此人类开始了对光伏电池的初步研究。1954年，Bell实验室的 Charpin和Pearson 等人研发成功世界上首块具有实用价值的单晶硅太阳能电池，尽管这块光伏电池的转换效率只有6%，却为未来太阳能电池的辉煌奠定了坚实的根基，是划时代的里程碑。从此，光伏电池的发展才走上了正轨。

1.2 单晶硅光伏电池简介

1.2.1 产业背景

现如今，全球光伏市场超过85%都在使用晶体硅太阳能电池，由于其优异的性能和巨大的潜力，未来任将主导市场和研究的走向。在众多硅材料中，单晶硅因为晶体结构十分优秀，禁带宽度仅为1.12eV[1]，同时硅也是地壳中含量高达26.4%的第二大的元素，是制造高转换率太阳能电池的最佳材料。

20世纪末，美国日本等国相继出台各种鼓励法案和计划，显然预感到了即将到来的能源危机，开始转移主力能源，2000年后，光伏产业进入高速发展阶段，全球光伏电池生产总量超过300MW，仅仅5年后便突破1200MW[1]。而我国光伏行业起步较晚，至80年代引进国外设备和技术后才初步实现产业化，但是的得益于国家的重视和优惠政策，产业发展迅速势头良好。21世纪初，国家部署了多条太阳能电池生产线，大幅缩短了我国光伏产业落后的差距。而近几年来，欧盟的双反调查对我国发展蒸蒸日上的光伏产业产生了巨大的打击，但是国家快速反应，很快一系列了扶持政策迅速发布，进而为我国光伏产业的健康发展创造了有利条件，从06年到10年，短短四年光伏电池产量便翻了40倍。按这种趋势，预计到21世纪末期，太阳能就将取代化石能源成为人类新的主要能源，光伏产将成为未来最重要的能源产业。

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