太阳能电池设计参考.docx
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太阳能电池设计参考.docx
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太阳能电池设计参考
SolarCell
基础知识:
不论是一般的化学电池还是太阳能电池,其输出特性一般都是用如下图所示的电流-电压曲线来表
示.由光电池的伏安特性曲线,可以得到描述太阳能电池的四个输出参数.
图9.1太阳电池和锰干电池的IV曲线
①开路电压Voc
R=∞,I=0,即:
IL=IF.将I=0代入光电池的电流电压方程,得开路电压为:
VOC=
ln(L+1)
kT
q
I
IS
(9.1)
②短路电流Isc
如将pn结短路(V=0),因而IF=0,这时所得的电流为短路电流Isc.显然,短路电流
等于光生电流,即:
Isc=IL.
③填充因子FF
它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比.
特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池,也就是Voc,Isc和FF乘积较大的电池.
对于有合适效率的电池,该值应在0.70-0.85范围之内.
9-2
其值越大表示太阳能电池的输出功率越大.FF的值始终小于l.FF可由下列经验公式给出:
1
FF=
VOC-ln(VOC+0.72)
VOC+1
(9.2)
式中VOC是归一化的开路电压,即UOC/(nKT/q).当VOC>15时,该公式的精度可达4位有效数字.实际
上,由于受串联电阻和并联电阻的影响,实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想
值.
④能量转化效率η
它表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能.
η=(太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率)×100%
=(VOPIOP/PinS)×100%
=
VOCISCFF
PinS
(9.3)
Example1:
单晶硅太阳能电池
在本例中,将首先用ATHENA模拟的是晶体硅太阳能电池的结构(pn结),接着用ATLAS模拟太阳能
电池的一些基本性质:
Voc、Isc、光谱反应及考虑增加增透膜后对光谱反应的影响.
在太阳能电池的模拟实验中,将考虑到外部光源的影响.因此,模拟中将用到BEAM语句.
例1:
单色光
beamnum=1wavelength=0.6x=0.5y=-2.0ang=90.0min=-0.1max=0.1\
Min.power=0.05
该语句定义了一传输角度为90度、波长为0.6μm的单色光,其起始坐标为(0.6,-0.5).当光强降至初
始光功率的5%时传输终止.(入射光线图如图10.3)
例2:
多光谱光线
beamnum=2x=0.0y=-1.0ang=45.0power.file=source.spcwavel.start=0.4\
wavel.end=0.6wave.num=4
该语句定义一起始于(0.0,-1.0)、入射角度为45度的多光谱光线.该光线由光谱文件soure.spc引入,
波长范围为0.4μm至0.6μm.
图9.3入射光线图
此外,本实验还将用到增透膜(或称减反射膜,anti–reflectioncoating).INTERFACE语句可用来
2
定义增透膜及其界面的光学性质.参数ar.Chick定义膜厚;ar.Index定义折射率.绝大数情况下,
单层增透膜厚度等于1/4波长(在膜里).对于多层膜,必须通过参数coating和layer来详细阐述.
如果膜由吸收物质制作而成,还应该引入ar.Absorb参数进行考虑.
模拟程序
goathena
#网格定义
linexloc=0.00spac=1
linexloc=10spac=1
#
lineyloc=0.00spac=0.05
lineyloc=0.25spac=0.02
lineyloc=1spac=0.1
lineyloc=50spac=10
#衬底定义
initsiliconc.boron=1.0e14orientation=100
#淀积氧化层
depositoxidethickness=0.05div=1
#离子注入形成n+层
implantphosdose=1e15energy=30
#退火处理
diffusetime=10temp=900
#提取结深
extractname="junc_depth"xjmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1
#形成接触
etchoxiderightp1.x=8
depositalumthickness=0.1div=3
etchalumleftp1.x=8
#网格间距加大
#relaxy.min=0.6是指将y方向上从0.6到y的最大值范围内的网格减少一半
relaxy.min=0.6
relaxy.min=2.0
relaxy.min=10
#镜像以获得完整结构
structuremirrorright
#电极定义
3
electrodename=cathodex=10
electrodename=anodebackside
#保存结构
structureoutf=optoex08_0.str
goatlas
#设置接触材料铝不透明
materialmaterial=Aluminumimag.index=1000
#设置硅的性质
#衬底硅中电子、空穴的复合寿命为1e-6s
materialmaterial=Silicontaun0=1e-6taup0=1e-6
#光照性质定义
#定义光线是单色光,出发点为(10.0,-2.0),垂直入射,且太阳光谱文件来自外部文件(指文件
#optoex08.spec,它包含AM0太阳光谱数据.)
beamnum=1x.origin=10.0y.origin=-2.0angle=90.0power.file=optoex08.spec
#保存光强性质至solution文件
outputopt.int
#模型定义
modelsconmobfldmobsrhprint
solve
#获取短路电流
logoutf=optoex08_0.log
solveb1=1.0e-15
#定义光功率
extractname="short_circuit_current"max(abs(i."cathode"))
saveoutf=optoex08_1.str
#获取开路电压
solveinit
contactname=cathodecurrent
#为了设定电流为零,先设置电流边界条件
solveicathode=0b1=1e-15
extractname="open_circuit_voltage"max(abs(vint."cathode"))
saveoutf=optoex08_2.str
tonyplotoptoex08_2.str
goatlas
#
#光谱反应(spectralresponse)求解
#
materialmaterial=Aluminumimag.index=1000
4
#
materialmaterial=Silicontaun0=1e-6taup0=1e-6
#
beamnum=1x.origin=10.0y.origin=-2.0angle=90.0
#
outputopt.int
modelsconmobfldmobsrhprint
#spectralresponse
solveinitb1=0
logoutf=optoex08_2.log
solveb1=1lambda=0.3
solveb1=1lambda=0.35
solveb1=1lambda=0.4
solveb1=1lambda=0.45
solveb1=1lambda=0.5
solveb1=1lambda=0.55
solveb1=1lambda=0.6
solveb1=1lambda=0.65
solveb1=1lambda=0.7
solveb1=1lambda=0.75
solveb1=1lambda=0.8
solveb1=1lambda=0.85
solveb1=1lambda=0.9
solveb1=1lambda=0.95
solveb1=1lambda=1.00
tonyplotoptoex08_2.log-setoptoex08_3.set
goatlas
#
#考虑增透膜的情形
#
#网格重新定义
meshspace.mult=1.0
x.meshloc=0.0spacing=10.0
x.meshloc=10.0spacing=10.0
y.meshloc=0.0spacing=0.2
y.meshloc=50.0spacing=0.2
regionnum=1material=Silicon
5
#
elecname=cathodebottom
#
dopinguniformconc=1e14n.type
#defineabeam(besuretoincludeREFLECTandBACKparameters)
#定义入射线数目、起始点、入射角度、考虑反射及窗口大小、最小光功率
beamnum=1x.origin=5.0y.origin=-1.0angle=90.0back.reflfront.reflreflect=5min.w=-2
\max.w=2min.power=0.001
solveinit
logoutf=optoex09_noarc.log
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
b1=1lambda=0.3index.check
b1=1lambda=0.325index.check
b1=1lambda=0.35index.check
b1=1lambda=0.375index.check
b1=1lambda=0.4index.check
b1=1lambda=0.425index.check
b1=1lambda=0.45index.check
b1=1lambda=0.475index.check
b1=1lambda=0.5index.check
b1=1lambda=0.525index.check
b1=1lambda=0.55index.check
b1=1lambda=0.575index.check
b1=1lambda=0.6index.check
b1=1lambda=0.625index.check
b1=1lambda=0.65index.check
b1=1lambda=0.675index.check
b1=1lambda=0.7index.check
b1=1lambda=0.725index.check
b1=1lambda=0.75index.check
b1=1lambda=0.775index.check
b1=1lambda=0.8index.check
logoff
goatlas
meshspace.mult=1.0
x.meshloc=0.0
x.meshloc=10.0
y.meshloc=0.0
y.meshloc=50.0
spacing=10.0
spacing=10.0
spacing=0.2
spacing=0.2
regionnum=1material=Silicon
6
#
elec
name=cathodebottom
#
dopinguniformconc=1e14n.type
#defineabeam(besuretoincludeREFLECTandBACKparameters)
beamnum=1x.origin=5.0y.origin=-1.0angle=90.0back.reflfront.reflreflect=5min.w=-2
\max.w=2min.power=0.001
#定义增透膜(一层)
interfaceopticalar.index=2.05ar.thick=0.07p1.x=0.0p1.y=0.0p2.x=10.0p2.y=0.0
solveinit
logoutf=optoex09_1arc.log
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
b1=1lambda=0.3index.check
b1=1lambda=0.325index.check
b1=1lambda=0.35index.check
b1=1lambda=0.375index.check
b1=1lambda=0.4index.check
b1=1lambda=0.425index.check
b1=1lambda=0.45index.check
b1=1lambda=0.475index.check
b1=1lambda=0.5index.check
b1=1lambda=0.525index.check
b1=1lambda=0.55index.check
b1=1lambda=0.575index.check
b1=1lambda=0.6index.check
b1=1lambda=0.625index.check
b1=1lambda=0.65index.check
b1=1lambda=0.675index.check
b1=1lambda=0.7index.check
b1=1lambda=0.725index.check
b1=1lambda=0.75index.check
b1=1lambda=0.775index.check
b1=1lambda=0.8index.check
logoff
goatlas
meshspace.mult=1.0
x.meshloc=0.0
x.meshloc=10.0
spacing=10.0
spacing=10.0
7
y.meshloc=0.0
y.meshloc=50.0
spacing=0.2
spacing=0.2
regionnum=1material=Silicon
#
elec
name=cathodebottom
#
dopinguniformconc=1e14n.type
#defineabeam(besuretoincludeREFLECTandBACKparameters)
beamnum=1x.origin=5.0y.origin=-1.0angle=90.0back.reflfront.reflreflect=5min.w=-2
\max.w=2min.power=0.001
#定义增透膜(两层)
interfaceopticalmaterial=Oxidear.thick=0.06\
x.min=0.0y.min=0.0x.max=10.0y.max=0.0z.min=0z.max=10
interfaceopticalmaterial=Nitridear.thick=0.05coating=1layer=2
solveinit
logoutf=optoex09_2arc.log
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
solve
b1=1lambda=0.3index.check
b1=1lambda=0.325index.check
b1=1lambda=0.35index.check
b1=1lambda=0.375index.check
b1=1lambda=0.4index.check
b1=1lambda=0.425index.check
b1=1lambda=0.45index.check
b1=1lambda=0.475index.check
b1=1lambda=0.5index.check
b1=1lambda=0.525index.check
b1=1lambda=0.55index.check
b1=1lambda=0.575index.check
b1=1lambda=0.6index.check
b1=1lambda=0.625index.check
b1=1lambda=0.65index.check
b1=1lambda=0.675index.check
b1=1lambda=0.7index.check
b1=1lambda=0.725index.check
b1=1lambda=0.75index.check
b1=1lambda=0.775index.check
b1=1lambda=0.8index.check
tonyplot-overlayoptoex09_noarc.logoptoex09_1arc.logoptoex09_2arc.log-setoptoex09.set
8
quit
模拟结果
1.结构图
图9.4
单晶硅太阳能电池的结构
2.光生率分布图
借助SILVACO的TONYPLOT模块,使研究在光照下太阳能电池内的载流子光生细节变得可
能.这对模拟多结器件尤为重要.下图显示的是硅太阳能电池光生率的分布图.注意在图中,器件的中
间部分有一个不透明的金属电极.一旦获得了光生率,如果再知道终端电流,那么就可以估计太阳能
电池的量子效率.
9
图9.5
硅太阳能电池的光生率分布图
3.光谱反应图
上图画出了源光电流、可利用的光电流以及实际负极电流随波长变化的对比图.绿线即光源等
价电流,红线为在光照下太阳能电池可利用的电流,而蓝线为实际负极电流.其中,前两者的差异由反
射和传送(部分光穿过器件)引起.如果不考虑最短的波长部分,该原因是引起损耗的主要原因.后两
者的损耗则是由复合引起.由本图还可以确定电池的外量子效率——为可利用光电流与源光电流
的比值.
4.增透膜对负极电流的影响
图9.6
硅太阳能电池的光谱反应
图9.7
有无增透膜对太阳能电池输出电流的影响
上图表明,对于一层ARC,0.6um波长附近时负极就有电流通过.一个二层膜,可在很宽的波长范
10
围内降低折射率.
Example2:
PIN晶体硅/非晶硅太阳能电池
本例将模拟的是pin型c-Si/a-Si太阳能电池.对该软件而言,非晶硅是一个新物质.故需采用定
义新物质的方法来定义非晶硅.定义新物质的第一步是在构建所需结构时用软件中已有物质代替
(半导体用半导体代替,金属用金属代替,如是.).第二步是在进行器件模拟时必须定义物质相关参数,
如带隙、亲和能、介电常数等等(半导体、绝缘体、导体所需参数略有不同).
模拟程序
goathena
#
linexloc=0.00spac=10
linexloc=300spac=10
#
lineyloc=0.00spac=0.001
lineyloc=0.3spac=0.001
lineyloc=0.6spac=0.02
lineyloc=1spac=0.2
lineyloc=2spac=1
lineyloc=5spac=15
lineyloc=350spac=15
#pc-Si
initsiliconc.boron=1.0e16orientation=100
#ia-Si
depositpolysiliconthick=0.005div=5
#na-Si
depositpolysiliconthick=0.02c.phosphor=1.0e18div=10
#淀积氧化层
depositoxidethickness=0.02
div=1
#形成接触
etchoxidestartx=145.00y=-0.045
etchcontx=155.00y=-0.045
etchcontx=155.00y=-0.025
etchdonex=145.00y=-0.025
#沉积&刻蚀铝
depositalumthickness=0.02div=1
etchaluminumabovep1.y=-0.045
11
#电极定义
electrodename=cathodex=150.00
electrodename=anodebackside
structureoutf=0.str
goatlas
#设置接触物质铝非透明
materialmaterial=Aluminumimag.index=1000
#设置非晶硅的性质
materialmaterial=polysilicontaun0=1e-6taup0=1e-2af
- 配套讲稿:
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- 太阳能电池 设计 参考