P型硅晶体太阳能电池转换效率的仿真研究

P型硅晶体太阳能电池转换效率的仿真研究【摘要】太阳能作为一种清洁再生的能源，在我们日常生活的各个领域扮演着非常重要的角色。本文追朔了提高太阳能电池转换效率的发展历程，详细地介绍了太阳能电池的等效电路图和发电原理。采用PC1D太阳能电池软件模拟的方法，对用P型硅为衬底的晶硅1×1cm2太阳能电池进行了模拟，分析了p型晶体硅的掺杂浓度与载流子浓度的关系，并分析了随着入射光散射进表面的距离的增加，载流子迁移率也增加，并逐渐趋于稳定，使电池表面的复合速率逐渐降低，从而提高了太阳能电池的转换效率。【关键词】太阳能电池;等效电路;发电原理;PC1D引言太阳能电池是一种能量转换的光电组件，它在经由太阳光照射后，可以吧光的能量转换成电能。在1927年提出了利用金属（铜）及半导体材料（氧化铜）接合所形成的太阳能电池，由于这早期的太阳能电池转换效率都在1%以下，很难运用到实际生活中。1976年以后，如何提高太阳能电池的转换效率成为了业内所关注的焦点。直到1999年，澳大利亚新南威尔士大学的研究者们将单晶硅电池的实验室最高光电转换效率已达到了25%[1]。在2009年，周继承[2]等人利用利用PC1D软件模拟了n+/p-p+结构的单晶硅太阳电池，在有/无铝背场的情况下，随着硅片厚度的变化，对电池输出特性的影响以及对光电转换效率的影响。结果表明，在有铝背场时，太阳电池获得明显的开路电压、短路电流以及光电转换效率的增益;硅片厚度越小，铝背场对其输出特性的影响越大;在有铝背场情况下，硅片厚度为120um时，可获得最大的光电转换效率。2011年，闫丽[3]等人为了降低单晶硅原材料成本，采用了PC1D软件，提出了将p型硅为衬底的单晶硅125×125太阳电池的铝背场的背表面进行钝化，得出了电池的效率会随着铝背场结深的增加、背表面复合速率的降低、少数载流子寿命的提高而提高。铝背场能够改善背表面的钝化质量，降低背表面的复合速率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。张超[4]等人通过提高太阳能电池透明电极性能的方法来提高转换效率，石墨烯仅有一个sp2碳原子的厚度，超高的载流子迁移率使它可以极大地降低透过率与导电性之间此消彼长关系的影响，同时具备高透光和高导电的特性。通过化学掺杂石墨烯的透过率和导电性可以超过ITO，同时在透过率和面电阻之间有更大的调整空间，可以根据太阳能电池的实际工作情况（高压或低压电池阵），在电池效率和焦耳热之间获得最优的条件以获得最大的发电效率。任丙彦[5]等人运用AFORS-HET程序模拟计算了不同本征层厚度、能隙宽度、发射层厚度、以及不同界面态密度等参数对P型晶体硅异质结太阳电池光伏特性的影响。在其他参数不变的情况下，插入较薄本征层，转换效率增加，但本征层年厚度增加时，短路电流密度较少、效率也随之降低;随能隙宽度增加，短路电流先增加，但当能隙宽度大于某一特定值时，短路电流开始下降。程雪梅[6]等人利用AFORS-HET软件模拟分析了以p型晶体硅为衬底的异质结太阳电池，分别以ZnO和ITO为透明导电极，发现用ZnO为导电极的电池效率明显比ITO电极提高3.21%。为了提高电池性能，模拟了以高掺杂的非晶硅层为背场的太阳电池，结果电池的性能相对于无背场时有较大的提高，开路电压增加达677.3mV，转换效率达21.25%。1.太阳能电池的发电原理当适当波长的光照射到非均匀半导体（如PN结）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）;若将PN结短路，则出现光生电流。这种由于内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。晶硅太阳能电池就是利用PN结的光伏效应来发电的。通过扩散形成PN结后，由于载流子存在浓度差，P型区中的多子（空穴）向N型区中扩散，N型区中的多子（电子）向P型区中扩散，从而在P区和N区的交界处产生空间电荷区，并形成一个由N区指向P区的内建电场。内建电场的存在又产生载流子的定向运动（漂移运动），它阻止多子扩散，促进少子漂移;当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结处于平衡态。当入射光照射到太阳能电池表面时，首先光子会通过反射防止膜，然后照射到硅的表面，进入到PN结区，及太阳能电池内部。若光子的能量hf等于或大于硅的禁带宽度Eg（硅的禁带宽度为1.12eV）时，由于本征吸收，价带内的电子吸收足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子-空穴对，这些电子-空穴对的移动又产生了光电流，也就是P-N接合处产生电位差。如果使用导线将太阳能电池与一个负载连接起来，形成一个回路，就会有电流流过负载，这就是太阳能电池发电的原理[7]。2.太阳能电池的电路模型由于太阳能电池的电压、电流及功率受到光照条件及负载等因素的影响，当太阳能电池不受光时，它就是一个由P-N结合的二极管。在理想二极管的状态下，电流与电压之间的关系如下：其中，I为电流大小;V为电压;I0为饱和电流;VT=kT/q。太阳能电池在运作时，由于一般二极管的正向电流定义为由P型流向N型，则电压值为正值，而电流为负值。当太阳能电池受到光照时，它会产生负向的光生电流，因此一个理想的二极管加上一个负向的光电流IL就能表示太阳能电池的电流-电压关系：在没有光照时IL=0，太阳能电池如图一个二极管;当太阳能电路短路时V=0，可知此时短路电流ISC=-IL，即短路状态时的电流值等于入射光源所产生的光电流;当太阳能处于开路状态时I=0，则开路电压[8]为：以上都是太阳能处于理想化的推论。实际中，太阳能电池的等效电路如图-2所示，它还存在分流电阻Rsh和串联电阻Rs[9]。其中串联电阻是半导体本身存在的电阻以及半导体与金属的接触间产生的电阻;在太阳能电路组件之间，也会有分流电流的存在Ileak，有Rsh=V/Ileak。当Rsh越小，Ileak就会越大。考虑到这些电阻时，太阳能电池的电流-电压关系[10]为：