摘 要

近年来环境问题日益严重，能源危机相继爆发，促使人们对新型能源进行不断的探索，太阳能以其无污染、可再生的优势受到人们的青睐。太阳能电池是一种能够有效缓解能源危机以及改善环境问题的途径，得到了极大的发展。当前太阳能电池产业化面临的主要问题在于制备工艺成本高、光电转换效率低下。这在一定程度上限制了其大范围的发展，而a-Si/c-Si 异质结太阳能电池由于其独特的性能优势尤为引人关注，有望替代传统硅电池成为新型清洁高效电池。

a-Si/c-Si 异质结太阳能电池生产成本低，光电转换效率高，但其本身也存在一定的缺陷，例如载流子复合，界面态缺陷等问题会对电池性能有一定影响。为了更高效的研究如何提高a-Si/c-Si 异质结太阳能电池光电转换效率，我们通过AFORS-HET软件建立P型HIT电池结构模型，并对其内部结构进行深入的研究分析，通过实验得出影响因素及提高措施。

本文首先介绍了a-Si/c-Si 异质结太阳能电池的研究背景，电池结构与特点，研究现状及未来研究趋势。随后解释了a-Si/c-Si 异质结太阳能电池的理论研究知识及实验模拟软件，通过进一步的研究，我们发现改变发射层厚度、发射层掺杂浓度、衬底厚度、衬底掺杂浓度等器件参数都会改变电池的光电转换效率。本课题利用 AFORS-HET模拟软件探究发射层掺杂浓度梯度对硅异质结电池性能的影响。

关键词：a-Si/c-Si 异质结太阳能电池 梯度掺杂发射层 界面复合 光电转换效率

Theoretical Study on the Effect of Gradient Doped Emissive Layer on the Performance of P-type HIT Solar Cells

Abstract

In recent years, the environmental problems are becoming more and more serious, the energy crisis has erupted, prompting people to carry out continuous exploration of new energy sources, solar energy with its pollution-free, renewable advantages are favored by people. Solar cells are a purposes which have been greatly developed. Moment in time, the main problems which we were faced is the industrialization of solar cells are the high cost of preparation process and small photoelectric conversion efficiency. This limits its wide range of development to a certain extent, and a-Si/c-Si heterogeneous junction solar cells are particularly interesting because of their unique performance advantages, and are expected to replace traditional silicon batteries as new clean and efficient batteries. A-Si/c-Si Heterogeneous junction solar cell production cost is low, photoelectric conversion efficiency is high, but it also has some defects, such as carrier compounding, interface state defects and other problems will have a certain impact on battery performance. For the purpose of studing more efficiently cases how to improve the electric conversion efficient of a-Si/c-Si heterogeneous junction solar cells, we established a P-type hit battery structure model through AFORS-HET software, and carry out in-depth research and analysis of its internal structure, through experiments to obtain the influencing factors and improve measures. This paper first introduces the research background, battery structure and characteristics, research status and future research trends of a-Si/c-Si heterogeneous junction solar cells. Then it explains the theoretical research knowledge and experimental simulation software of a-Si/c-Si heterogeneous junction solar cell, and through further research, we find that changing the parameters of the emitter layer, the doping concentration of the emission layer, the thickness of the substrate and the doping concentration of the substrate will change the photoelectrical conversion efficiency of the battery. In this paper, AFORS-HET simulation software is used to investigate the effect of emission layer doping concentration gradient doping on the performance of silicon heterogeneous junction batteries.

Key words: a-Si/c-Si heterojunction solar cell；gradient doped emissive layer；interface recombination；photoelectrical conversion efficiency

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能电池概况 1

1.2.1电池种类 1

1.2.2 a-Si /c-Si 异质结太阳能电池结构 2

1.3 a-Si/c-Si 异质结太阳能电池概况 4

1.3.1 工作原理 4

1.3.2 伏安特性曲线 5

1.3.3 研究现状 5

1.4 a-Si/c-Si 异质结太阳能电池发展趋势 6

1.5 本文主要研究内容 6

第二章 理论模拟基础 8

2.1 引言 8

2.2 AFORS-HET软件介绍 8

2.3 模拟理论知识 9

2.3.1 半导体方程组 9

2.3.2 边界条件 10

2.3.3 模拟方法 10

2.3.4 载流子复合理论 12

2.4 本章小结 13

第三章 模拟结果 14

3.1 引言 14

3.2 理论模拟模型 14

3.2.1 a-Si/c-Si 异质结太阳能电池结构模型 14

3.2.2 模型参数设置 15

3.2.3 梯度掺杂发射层 a-Si/c-Si 异质结电池性能比较 16

3.3 发射层厚度对电池性能的影响 16

3.4 衬底厚度对电池性能的影响 17

3.5 衬底掺杂浓度对电池性能影响 18

3.6 发射层掺杂浓度对电池性能影响 19

第四章 结论和展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

工业革命之后，全世界范围内工业领域飞速发展，与此同时也带来了自然资源的急速消耗，能源危机与环境问题日益严重。主要表现为以下两个方面：首先，煤、石油、天然气等化石能源迅速告急，迫切需要寻找更多的资源以利用；其次，由于在之前的能源利用过程中产生了大量的工业废料例如污水、废气，使得环境污染愈发严重，寻找清洁可再生的新型能源刻不容缓。

新型能源主要包括太阳能、生物能、潮汐能、核能、风能等。其中太阳能源因其清洁无污染且可再生而备受关注。太阳能是太阳内部氢原子发生核聚变所产生的并向外辐射的能量。^[1]相对于传统化石能源而言，取之不尽，用之不竭。目前太阳能源最有效的利用方式为光伏发电，将光能转换为电能。

1.2 太阳能电池概况

1.2.1电池种类

太阳能电池可以通过复杂的反应机制将光能变为电能，其类目各式各样，根据制备材料差异可分为四种：

1. 单晶硅电池

单晶硅太阳能电池是最基本的太阳能电池模型，由高纯度的单晶硅制成。单晶硅中缺陷态密度低，长程有序，无位错，性能相对稳定，光电转换效率高。理论上转换效率可达24.7%。^[2] 而在实际工业生产中，由于受到诸多因素限制，一般可达到16~18%。该结构也存在很多弊端，例如工艺制备成本高、量产困难，因此基础的单晶硅电池还将继续发展，需更进一步降低工艺成本。

1. 多晶硅电池

多晶硅电池的制作工艺与单晶硅电池相似，但是光电转换效率较低，理论效率仅有12%左右。^[3]多晶硅电池原材料易获得，制备工艺简单，所耗能源相对较少，制备成本降低，此外，多晶硅电池使用年限更加无法与前者相比较。因此从性价比角度综合考量，多晶硅电池在一定程度上优于单晶硅电池。近年来发展迅速，逐渐受到人们的重视。

1. 非晶硅电池

单晶硅电池与多晶硅电池均属于晶硅电池。晶硅太阳能电池主要是依靠P-N结进行光电转换^[4]。非晶硅太阳能电池光电转换机制完全不同，是1976年出现的新型薄膜式太阳电池。^[5]非晶硅电池制备工艺与前两种电池完全不同，工艺流程简化，原材料利用率提高，电耗更低，在照明不充分的条件下也可以发电。但由于非晶硅电池材料中原子排列短程有序，缺陷更多，所以光电转换效率略低且不够稳定，通常为5~8%。^[6]

1. 异质结电池

一块单晶半导体中 ，一部分掺有受体杂质属于P型半导体，另一部分掺有供体杂质是N型半导体，将P型半导体与与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结^[7]。PN结具有单向导电性。用同一种半导体制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。^[8]例如 a-Si/c-Si异质结太阳能电池等。^[9]

1. HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）电池

HIT电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型电池，在P型和N型半导体中加入本征薄膜以减少载流子运输，减少界面复合。既保留了传统单晶硅电池的优势，又结合了非晶硅薄膜材料制备成本低的特点，逐渐受到重视。

1.2.2 a-Si /c-Si 异质结太阳能电池结构

本文将异质结电池结构与 HIT电池结构相结合，共同讨论如何进一步提升a-Si /c-Si 太阳能电池的光电转换效率。

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