论文总字数：16066字

摘 要

本文通过对太阳能电池基础原理的深入理解与推导，建立了太阳电池物理模型，通过代入模型泊松方程边界条件求解连续性方程组，得到太阳能电池净电流公式，运用mathCAD程序设计编写了材料、结构参数变化对单晶硅太阳能电池性能指标影响过程的数值模拟程序。通过模拟程序，进一步研究了掺杂浓度对电池光伏效率的影响，得到了当n、p区厚度为500nm、300000nm的单晶单结硅太阳能电池的电池特性与掺杂浓度的关系图像，并求得最佳掺杂浓度结果：N_a=6x10¹⁶ cm⁻³，N_d=1.6⋅10¹⁹ cm⁻³。为验证模拟程序完备性，本文将产生的最优指标参数用PC1D仿真软件进行了仿真模拟，对比分析两者数据图像计算得到其差别误差在允许范围内，模拟程序达到可用性标准。

关键词：硅太阳能电池 mathCAD 数值模拟 掺杂浓度 PC1D仿真

Physical basic research of solar cells

Abstract

Based on the deep understanding and derivation of the basic principles of solar cells, the solar cell physical model is established. The equations of the Poisson equation are substituted into the continuous equations to obtain the net current formula of solar cells. The material and structure are designed by mathCAD program design. A numerical simulation program for the effect of parameter changes on the performance of single crystal silicon solar cells. Through the simulation program, the influence of doping concentration on the photovoltaic efficiency of the battery was further studied. The relationship between the battery characteristics and the doping concentration of single crystal single-junction silicon solar cells with thickness of 500 nm and 300,000 nm in n and p regions was obtained. The best doping concentration results were: N_a=6x10¹⁶ cm⁻³，N_d=1.6⋅10¹⁹ cm⁻³. In order to verify the completeness of the simulation program, the optimal index parameters generated by this paper are simulated by PC1D simulation software. The difference between the two data images is calculated and the difference is within the allowable range. The simulation program reaches the usability standard.

Key Words: Silicon solar cell; mathCAD; numerical simulation; doping concentration; PC1D simulation

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 - 1 -

1.1 选题背景 - 1 -

1.2 太阳能电池历史 - 3 -

1.3 研究目标 - 4 -

第二章 太阳能电池的基本原理 - 5 -

2.1 光伏转换 - 5 -

2.2 基本电特性 - 6 -

2.3 漂移－扩散电流方程 - 7 -

2.4 载流子原理 - 7 -

2.4.1 运输方程组 - 7 -

2.4.2 载流子的产生 - 8 -

2.4.3 载流子复合与少子寿命 - 8 -

2.5 一维稳态半导体运输方程组推导 - 9 -

第三章 P-N结模型原理及设计编程 - 10 -

3.1 PN结模型 - 10 -

3.1.1 基本假设 - 10 -

3.1.2 近似条件 - 11 -

3.2 程序介绍 - 11 -

3.2.1 MathCAD简介说明 - 11 -

3.2.2 选择原因 - 12 -

3.3 模型参数计算 - 12 -

3.3.1 内建电压 - 12 -

3.3.2 耗尽宽度 - 13 -

3.4 载流子浓度和电流的计算依据 - 13 -

3.4.1 电中性区 - 14 -

3.4.2 空间电荷区 - 14 -

3.4.3 最终净电流 - 15 -

3.5 伏安特性推导 - 15 -

3.5.1 连续性方程解析解 - 15 -

3.5.2 净电流计算 - 17 -

3.5.3 伏安特性计算 - 18 -

3.5.4 求解最佳工作点 - 20 -

第四章 太阳能电池的效率模拟与仿真 - 22 -

4.1 基本参数 - 22 -

4.2 掺杂浓度对效率的影响 - 24 -

4.3 PC1D仿真对比验证 - 25 -

4.3.1 软件介绍 - 25 -

4.3.2 仿真数据 - 25 -

4.3.3 数据对比分析 - 26 -

4.4 数据差别分析 - 27 -

第五章 结论 - 29 -

参考文献 I

附录:模拟程序代码 III

绪论

选题背景

伴随着人类文明的不断前进，是一个能源利用不断迭代的过程。上世纪的能源列车上，化石能源储备告急的担忧一直在纠缠着世界工业前行的步伐，在新崛起国家的坚挺能源需求的推动下，本世纪初同样很长一段时间油价大幅攀升。目前化石燃料占目前全球一次能源需求的80%，而全球二氧化碳排放中有三分之二来自能源系统。如果当前的趋势持续下去，那么碳排放量必然会远超为了将全球平均升温幅度控制在2^oC以下——所允许的上限。意识到问题的人类马上将目光投入到了新能源的上，可再生能源发电量随之增长，增量( 213太瓦时)创历史新高，这几乎是全球发电量的全部增量。而这其中，太阳能作为取之不经用之不竭的能源，取材方便，价格低廉等优点使它成为了市场进程中的“弄潮儿”——《BP世界能源统计年鉴》中表明只2015太阳能发电量就增长达32.6%，其中中国( 69.7%)、美国( 41.8%)和日本( 58.6%)的增幅最大,我国成为世界最大光伏发电国[2]。

表1- 2010-2017 年不同国家光伏电站安装成本下降比例

太阳能相比于其他清洁能源优点十分明显：

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