摘 要

硅基薄膜太阳能电池制造工艺简单，耗材少，在节约成本方面较晶硅太阳能电池具有很大的优势，采用叠层结构能较好地抑制光致衰退现象，是提升硅基薄膜电池的效率的重要手段。近年来随着能源领域研究的深入，叠层硅基薄膜电池凭借其独特的优势进入了飞速发展的阶段。

随着计算机软件的飞速发展，就出现了太阳能电池模拟软件。可以进行太阳能电池的理论研究，更好地解析了各个参数通过何种方式去改善太阳能电池性能的。本文通过wxAMPS模拟软件，对非微叠层硅基薄膜电池的J-V特性进行模拟计算，细致分析了顶电池、隧穿结、底电池的厚度、带隙、缺陷态、对电池的性能影响。依据模拟结果，顶电池厚度、前端接触势垒、隧穿结掺杂浓度、隧穿结厚度、对电池的光伏效应影响较大，而底电池厚度、后表面接触势垒对电池性能影响较小。通过输入最佳参数，模拟得出双叠层硅基薄膜电池的最佳转换效率为15.03%。

关键词：硅基薄膜；叠层电池；隧穿复合结；非微叠层；wxAMPS；数值模拟

Theoretical Simulation of the Performance of Double-Layered Silicon-Based Thin Film Photovoltaic Cells

Abstract

The silicon-based thin film solar cell has a simple manufacturing process and less consumables, and has a great advantage in cost saving compared with the crystalline silicon solar cell. The laminated structure can better suppress the photoreduction phenomenon and improve the efficiency of the silicon-based thin film battery. Important means, in recent years, with the deepening of research in the energy field, laminated silicon-based thin film batteries have entered a stage of rapid development with their unique advantages.

With the rapid development of computer software, the emergence of solar cell simulation software greatly simplifies the simulation and optimization of solar cells, and better analyzes the ways in which various parameters can improve the performance of solar cells. In this paper, the J-V characteristics of non-micro-layered silicon-based thin film cell were simulated by wxAMPS simulation software, and the effects of thickness, band gap, defect state and performance on the performance of the top cell, tunneling junction and bottom cell were analyzed. According to the simulation results, the thickness of the top cell, the contact potential of the front end, the doping concentration of the tunnel junction, the thickness of the tunnel junction, and the photovoltaic effect on the battery are greatly affected, while the thickness of the bottom cell and the contact potential of the back surface have little effect on the battery performance. . the optimum conversion efficiency of the simulated microlaminated silicon-based thin film cellis 15.03%.

Key words : Silicon thin film; laminated cell; Tunnel composite junction; wxAMPS ; a-Si/μc-Si tandem;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光伏电池概述 2

1.3 叠层硅基薄膜电池简介 3

1.4 硅基薄膜电池的制备工艺 4

1.5 硅基薄膜电池的研究现状 5

1.6 研究意义及内容 6

第二章 太阳能电池模拟基础 7

2.1 泊松方程 7

2.2 连续性方程 8

2.3 边界条件 8

2.4 数值计算方法 9

第三章 叠层硅基薄膜光伏电池性能的理论模拟 11

3.1单结硅基薄膜电池模拟 11

3.1.1 模拟参数选取 11

3.1.2 P层厚度与电池性能关系 11

3.1.3 i层模拟研究 12

3.2叠层硅基薄膜电池模拟 15

3.2.1叠层硅基薄膜电池工作原理 15

3.2.2模拟参数选取 15

3.2.3顶、底电池本征层厚度对电池性能影响 16

3.2.4隧穿复合结模拟研究 19

3.2.5接触势垒对电池性能影响 23

3.2.6顶底电池带隙对电池性能的影响 25

3.3最优参数模拟 26

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

能源革命的开展，能源成为人们日常生活中不可或缺的物品，到现在，传统化石能源已经深深融入了我们的生活，无论对社会发展，工业生产，还是人们的日常生活来说，处处都少不了石油、天然气等传统能源。但是它使人们生活变的更加方便快捷、推动社会快速发展的同时，也带来了一系列的环境问题，现如今化石能源日益枯竭，温室效应日趋加剧，目前人类在减少化石能源污染问题上，依旧束手无策，我们只能从源头去解决污染，那么我们只能去寻找合适的能源去替代化石能源，所以开发清洁能源成为所有国家科学研究的重点和热点，而太阳能作为产量丰富，获取方式简单的能源，受到了各国各界的科研人士的共同关注。科学家预言，在21世纪中叶太阳能光伏发电必将成为最重要的发电方式^[1]。

太阳能电池根据所用材料的不同，可分为:(1)无机太阳能电池：半导体硅和化合物半导体；(2)有机太阳能电池；(3)光化学太阳能电池。其中，由于硅基太阳能电池的发展历史较为悠久^[2]，因而无论从工艺的成熟度，还是性能的优异度方面，硅基光伏电池相对于其它光伏电池来说，都具有较大的优势。在硅基光伏电池中，单晶硅电池尽管性能出众，但是受限于短期内无法明显下降的成本，其实用化受到很大限制。而在可见光范围内，非晶硅光伏电池的吸收系数要比晶体硅光伏电池好得多，加上其本身原材料成本低廉，易于获取，因而其发展前景较为明朗,但由于其是间接带隙半导体材料，单晶硅电池一般厚度都很厚，光捕获系数较低，为了提高光的捕获率，可使用不同带隙的硅基薄膜材料进行叠层结构,非晶硅和微晶硅就是良好的选择，顶电池用非晶硅材料制成,底电池用微晶硅材料制成，形成串联电池。这样可以提高光捕获率，可更大限度的利用太阳光普。作为顶电池的非晶硅，其内部存在较多缺陷，若厚度过厚其稳定性会降低，采用叠层结构可减少其薄膜厚度，可以大大抑制半导体的光致衰退作用，很好地提高了电池的整体稳定性^[4]。非晶硅/微晶硅叠膜光伏电池其制备工艺成熟、简便可大大节约制造成本，而且其可以大幅度提高电池的光电转换效率，现如今它已经吸引众多硅基薄膜电池研究者的目光^[5]。

1.2 光伏电池概述

太阳能来源于其内部氢原子核聚变，研究表明，地球每年可由太阳光产生3焦耳的能量，如果将这些能量全部利用，那么就可以少使用四亿吨煤。在一年内，太阳向地球辐射的能量是人类一年消耗的所有能量的几万倍。太阳能地域分布广、利用途径多，受到了越来越多的关注。

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