论文总字数：19034字

摘 要

太阳能作为可再生能源的一种，是十分有发展前景的新能源。如果充分地开发太阳能，人类将能够解决目前能源危机、环境污染的问题。因此，太阳能电池的研究和产业化引起了国内外政府的高度重视。在众多的种类的太阳能电池中，非晶硅薄膜太阳能电池有以下几个优点：光吸收系数大，衬底温度低，使用廉价的不锈钢、玻璃衬底，可制成柔性电池等，有十分广阔的前景。

本论文主要利用太阳能电池仿真模拟软件wxAMPS对PIN型非晶硅薄膜太阳能电池进行仿真研究。主要的工作总结如下：

1）经过查阅文献，了解了目前国内外太阳能电池的发展现状，并学习使用太阳能模拟软件wxAMPS进行模拟。

2）在环境温度300K，光照环境AM1.5的条件下，模拟PIN型非晶硅太阳能电池I层厚度对电池输出参数的影响，从而设计最优的I层厚度为250nm，此时电池的转换效率为7.1034%。

3）模拟温度对太阳能电池输出参数的影响。发现太阳能电池的开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和转换效率η随着温度的升高而不断下降，因此可以得出温度的升高会使得太阳能电池的性能下降。

关键词：太阳能电池 wxAMPS 非晶硅薄膜电池 模拟仿真

Simulation of PIN amorphous silicon thin film solar cell

Abstract

Solar energy is a typical representative of the new energy, which is inexhaustible. The energy crisis and environmental pollution problems will be solved if solar energy can be fully developed. Therefore, the research and industrialization of solar cells caused high attention of the domestic and foreign governments. Among several kinds of solar cells, amorphous silicon thin film solar cells have many advantages: high absorption coefficient, low substrate temperature, using cheap stainless steel or glass substrates, flexibility etc. It is one of the most promising thin film batteries.

This paper reports the results of simulation of the PIN amorphous silicon thin film solar cell by wxAMPS, a simulation software for solar cells. The main work is summarized as follows.

1. Consulting the literatures to know the domestic and foreign development of solar cells, then learning how to use wxAMPS.
2. Setting ambient environment as 300K and AM1.5 and simulating influence of the thickness of I- layer on the performance of the solar cells. They perform best when the thickness of I-layer is 250nm,where conversion efficiency is 7.1034%.
3. Simulating influence of temperature on the output parameters of solar cells. Solar cells’ Voc, Jsc, FF and η fail with temperature rising. Solar cells perform badly as the temperature increases.

Key Words: Solar cells; wxAMPS; Amorphous silicon thin film solar cells; Simulation

目 录

摘要 2

Abstract 3

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2太阳能电池的发展 3

1.2.1太阳能电池的分类 3

1.2.2 太阳能电池的研究 4

1.2.2 薄膜太阳能电池的发展和前景 5

1.3 太阳能电池的数值模拟 6

第二章 太阳能电池模拟的基本理论 7

2.1 太阳能电池的原理 7

2.1.1 光生伏特效应 7

2.1.2 太阳能电池的模型 8

2.2 太阳能电池的主要参数和影响输出效率的因素 9

2.2.1 太阳能电池的主要输出参数 9

2.2.2 影响太阳能电池输出效率的主要因素 11

2.3 光伏模拟软件wxAMPS介绍 13

2.3.1 wxAMPS的原理和算法依据 13

2.3.2 wxAMPS的界面和操作流程 14

第三章 PIN型太阳能电池的模拟与设计 15

3.1 PIN型太阳能电池简介 15

3.2 模拟与分析 16

3.2.1 I层厚度的研究 16

3.2.2 I层最佳厚度的设计 20

3.2.3 温度对太阳能输出性能的影响 23

第四章 结论 25

第一章 绪论

1.1选题背景

1.1.1太阳能电池的发展现状

能源问题始终是国家甚至是世界发展的头等问题，从人类的能源运用的历史来看，过去人们主要运用的是不可再生的化石能源。直至目前，世界各国的发展仍然建立在化石能源的开采和利用的基础上。但是，化石能源在利用的过程中容易造成多种生态环境问题：如全球变暖、酸雨、雾霾天气等，这严重威胁到人类发展和生存。同时，化石能源有不可再生的特点，最终将耗尽。图1-1为人类能源的演化进程：

图 1-1 人类能源结构演化示意图

世界能源结构亟需改革，各国都在大力开发新能源，例如风能、水能、生物质能、核能、地热能。太阳能是各种新能源中最有前景的一种新能源，它有以下的优点：

一、获取方便，分布广泛。太阳光普照大地，没有地域的限制，几乎处处都有，可以直接开发利用。

二、总量巨大，取之不尽。每年太阳辐射到达地球表面的辐射折合约为130万亿吨煤，总量远远超过其他能源形式。

三、清洁无害，环境友好。太阳能发电过程中十分环保，不产生任何污染物。制造电池的过程中的能耗和污染经过技术改进，也远远小于其他形式能源造成的污染。

因此，各国正大力地发展光伏发电产业，因此对太阳能电池的研究也成为了热点^[1-3]。法国科学家贝克勒尔首次发现“光生伏特效应”，意识到太阳能通过一定的手段转化为电能。在这之后的百年时间里，人类对太阳能电池的研究已经形成了一个严密的体系，同时伴随着产生了一个庞大的产业链。各国政府、科研机构和商业公司相当重视太阳能产业的发展，迅速推进了太阳能电池的实验室研究和产业化脚步。

各国政府从上个世纪开始，就大力发展自己国家的光伏产业：其中，从1973年开始，美国政府就制定了自己的阳光发电计划，投入了大量的研究经费和研究人员，同时设立了太阳能开发银行，以此促进太阳能电池和太阳能电站的产业化与商业化。日本政府也迎头赶上，于1974 年颁布了“阳光计划”。此外，其他一些国家如墨西哥、印度与德国等国家都纷纷制定了自己的太阳能发展计划。我国太阳能产业与太阳能扶持政策起步较晚，到了2009 年 3 月才出台“太阳能屋顶计划”。但是我国太阳能产业发展十分迅猛，下图是我国2008年至2013年光伏年实际装机量与累计装机量图，反映出我国太阳能产业的发展势头很猛。

图 1-2 中国2008-2013年光伏年实际装机量与累计装机量图

如图1-2所示，截至目前，我国光伏发电市场发展十分迅猛^[4-8]。近期政府明确：我国到2020年时，能源消费中非化石能源占一次能源消费的比重提高至15%。这一目标的提出说明近几年内政府还会在政策上大力地鼓励太阳能产业的发展。中国政府与太阳能产业公司在这个领域十多年的艰辛耕耘也获得了巨大的收获：2014年，中国太阳能发电累计装机达到28吉瓦，仅次于德国的38吉瓦，居世界第二位；太阳能发出的电并网250亿千瓦时，约等于三峡全年发电量的四分之一，相当于全球第60位左右的国家的全年发电总量。在国际太阳能市场上，来自中国的太阳能制造商牢牢地占据了一半左右的市场份额。中国太阳能产业近两年来不但产能迅速增长，而且其产业集中度提高，技术飞速进步，相应的成本明显降低。从2012年起截至2015年，我国太阳能组件的成本平均每季度降低约3.7%，2014年中国前五大光伏制造企业组件产量超过15吉瓦。我国光伏产业的发展蒸蒸日上。

1.2太阳能电池的发展

1.2.1太阳能电池的分类

目前的太阳能电池从使用的材料分，主要有以下几种。

硅基太阳电池：以硅材料为基本材质，其中包括单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、纳米硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、非晶硅/晶体硅异质结太阳电池。

Ⅱ-Ⅵ族材料太阳电池：CdTe太阳电池、CIGS太阳电池。

Ⅲ-Ⅴ族太阳电池：GaAs系列多结太阳电池、热光伏太阳电池。

染料敏化太阳电池：主要利用染料对于太阳电池光谱吸收的可变性与二氧化钛材料组装在一起制备成可供多种吸收波段的太阳电池器件。

有机材料电池：正在开发使用有机材料制备出类似叶绿素的太阳电池。

从生产技术的成熟度来分，又可以分为：

第一代太阳能电池：晶体硅太阳能电池

第二代太阳能电池：各种薄膜电池,包括非晶硅薄膜太阳能电池、碲化铬太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池、纳米二氧化钛染料敏化电池。

第三代太阳能电池：各种叠层太阳能电池，包括热光伏电池、量子阱及量子点的超晶格太阳能电池、上转换太阳能电池、下转换太阳能电池、热载流子太阳能电池等等

因为硅基电池的原料来源最为丰富，硅在地球上的丰度为26%，是地球上含量第二高的元素，且开采方便，冶炼技术成熟，对环境友好。所以目前产业化生产的太阳能电池以硅基电池为主。

1.2.2 太阳能电池的研究

图 1-3太阳能电池效率的发展

如图1-3，太阳能电池的发展和研究经历了一段逐渐进步和重大突破并行的历史。总体来说太阳能电池效率的纪录正在逐年增长。在1941年，Russell Ohl依据“光生伏特效应”制作了第一块硅太阳电池。但是这种硅电池的效率很低，几乎不到1%。一般认为第一块真正的太阳能电池是由贝尔实验在1954年制作的晶体硅太阳能电池^[9]，这块电池具有太阳能电池的现代结构。该电池电池以在N型硅上扩散形成PN结，可以使电池的转换效率达到6%。这种光面太阳能电池的工艺持续使用了20多年，在这20多年间诞生了各种不同转化率的晶体硅电池。不过直到80年代初，太阳能电池开始大规模生产。

薄膜太阳能电池是80年代末开始开发的，主要分为非晶、多晶硅薄膜电池和化合物薄膜电池。这三者都有自己的优点与缺点：非晶硅薄膜电池转换效率低，往往在10%以下。光致衰退等问题也是制约非晶硅薄膜电池的一大问题。但是非晶硅薄膜电池价格低廉，工艺简单，有利于大规模的工业化生产。化合物薄膜电池转换效率高,一般在16%-30%之间，但是它的稳定性差、造价高的特点决定了这种电池应用的成本非常高。多晶硅薄膜电池效率在15%以上,电池效率处于非晶硅薄膜电池和化合物薄膜电池之间，但同样难以制作大面积的电池，成本较高。目前第二代薄膜太阳能电池的研究正如火如荼，产业的应用也越来越广泛。

为了改进第一代和第二代太阳能电池的问题，同时降低其制造成本、提高其转换效率，不断有新型的电池结构被研究者提出。近期，国内外逐渐有人提出了“第三代太阳能电池”。目前主流的第三代太阳能电池有多结太阳能电池（MJSC）、量子点太阳能电池（QDSC）、热载流子太阳能电池（HCSC）、热光伏太阳能电池（TPVSC）等等。第三代太阳能电池具有极高的转化效率。2013年9月，德国弗朗霍夫太阳能系统研究所、德国柏林亥姆霍兹研究中心和法国聚光光伏制造商Soitec公司共同宣布：他们制造出的一种能够在太阳光浓度为297下时达到光电转化效率为44.7%的四结光伏电池，这创造了目前新的世界纪录^[10]。但由于目前的技术还不是十分成熟，第三代太阳能电池还没有办法进行工业化生产，不过相信随着技术和工艺的进步，这种新型的电池在不久的将来能够用到千家万户。

1.2.2 薄膜太阳能电池的发展和前景

1976年，美国的Carlson和Wronski^[11]制备了世界上首个非晶硅薄膜电池。薄膜太阳能电池从此以后开始发展。但是由于光电转换效率低、衰减率（光致衰退率）较高等问题^[12]，一开始并没有人看好，也没有企业愿意制造这种效率极低的电池。但是随着薄膜电池技术的发展，薄膜电池的光电转换效率不断提升。虽然在转换效率上与晶体硅电池还是不可同日而语，但薄膜电池也有其相应的优势：1、将厚度控制能够完全吸收太阳光的最小厚度以节约材料；2、制造过程中对温度要求低，消耗的能源非常少；3、使用廉价的玻璃、塑料和不锈钢衬底；4、满足大面积化、集成化组件的需求；;5、材料与器件可以同步完成，工艺相对简单。因此，在目前的背景下，薄膜电池是一种十分有前景的太阳能电池，复合未来太阳能电池高效化、薄膜化、大面积化的要求^{[13, 14]}。

1.3 太阳能电池的数值模拟

尽管目前太阳能电池的研究已经取得了不少的成果，但对其内在机理的研究仍然存在一些不足，尤其是结构优化、内部缺陷的机制、内部成分对器件性能的影响等方面仍然需要进一步的研究。面对这样深入研究太阳能内在机理的任务，传统的经验主义的研究方法显然已经不够合适。许多实验也只能够解释现象本身而无法进一步探究太阳能电池的工作规律。因此，对太阳能电池建立相应的物理模型并进行仿真模拟的新方法便应运而生，这种方法便是太阳能电池的模拟仿真。太阳能电池的模型又分为解析模型和数值模型。其中解析模型要在适当假设和简化的条件下才能够求解相应的半导体方程进一步分析讨论，但器件的信息会因为假设和简化变得不准确。而不通假设和简化直接求解解析模型的话，虽然器件的运行信息会更加清晰，但此时方程中的参数和边界条件会十分复杂使得方程无法得到解析解。在这种情况下，数值方法就能很好的处理解析方法无法处理的物理模型，从而获得精确的数值解。

随着计算机处理能力的快速提升和太阳能理论模型的完善，太阳能电池的数值模拟已经成为太阳能电池研究中一种十分重要的研究手段。W.Shockley和J.Bardeen等人在20世纪50年代左右就建立了半导体和太阳能电池模拟的基础理论。H.K. Gummel在前者的基础上，抛弃了解析方法，首次使用数值方法精确地求解了一维双级晶体管模型。在这之后，数值模拟的方法不仅用于半导体的理论分析，还用于太阳能电池的研究，而且模拟的范围从最开始的只能模拟一维结构逐渐拓展到了有晶界、不均等性等影响二维、三维模型。本论文选用的wxAMPS软件在AMPS软件的基础上增加了缺陷辅助隧穿和带内隧穿两种物理模型编写而成，是目前太阳能电池模拟方面比较优秀的软件之一。

第二章 太阳能电池模拟的基本理论

2.1 太阳能电池的原理

2.1.1 光生伏特效应

通过光生伏特效应，太阳能电池将太阳能转换为电能。太阳能电池内部并非均一，其本质上是一个PN结。在未接受阳光照射时，能带产生弯曲，在P型半导体和N型半导体接触的地方产生一个空间电荷区，其两端的电势差为q，如图2-1左侧图所示。内建电场作用于PN结的内部载流子，使其保持平衡。当阳光照射在太阳能电池上并且光子能量大于禁带宽度时，光被界面层吸收并激发电子-空穴对。在内建电场的作用下，P型半导体中被激发的电子由P区流向N区，而N型半导体中被激发的空穴由N区流向P区，形成了从N区流向P区的光生电流。同时，PN结中产生了光生电场，削弱了内建电场的强度，打破了载流子的平衡，产生由P区指向N区的扩散电流。扩散电流大于漂移电流大，从而产生了P区指向N区的净电流。

图 2- 1 光伏效应

图 2- 2 PN结各电流示意图

如图2-2所示，光电池工作过程中的三股电流分别是：分别是光生电流、PN结正向电流和流经外电路的净电流电流I：

根据PN结的整流方程，正向偏压下流过结的正向电流为：

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