使用PC1D5_9模拟高效单晶硅太阳能电池

：／ｄｏｉ１０．３９６９．ｉｓｓｎ．１６７３－２００６．２０１４．１１．０２４ｊ

使用ＰＣ１Ｄ５．９模拟高效单晶硅太阳能电池

李振华

枣庄学院光电工程学院，山东枣庄，２７７１６０

摘要：介绍了使用ＰＣ１Ｄ５．９软件模拟高效单晶硅太阳能电池的方法。通过建立太阳能电池的结构模型和参数模型，在模拟的电池测试环境下，仿真得到太阳能电池的电压－电流曲线和量子效率曲线，并根据太阳能电池的理计算填充因子和转换效率的值。论，

关键词：电压－电流曲线；填充因子；转换效率；量子效率曲线ＰＣ１Ｄ５．９；

（）中图分类号：ＴＭ９１４．４＋１　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－２００６２０１４１１－００８２－０４

全球为应对能源短缺和环境污染两大世　　目前，界性难题，正大力推广使用包括太阳能在内的清洁可再生能源。太阳能电池作为一种能有效地将光能转化为电能的器件，其原理和工艺被广泛地研究。现已发展ＰＣ１Ｄ是一种半导体器件模拟软件，成为研究太阳能电池物理特性的重要工具，对太阳

］１２－

。然能电池的生产和研发具有一定的指导作用［

单晶硅太阳能电池的核心结构之一是Ｐ－Ｎ

结。当太阳光照射在电池表面时，部分光子被吸收，电池内部产生电子和空穴对。在Ｐ－Ｎ结内建电场的作用下，电子和空穴分别向Ｎ区和Ｐ区两个方向运动，形成光生电流。如果将电极连接到负载，那么太阳能电池就可以为负载提供电能。事实上，掺杂光吸收系数、载流子复合率和电池内电阻等因浓度、

素影响着太阳能电池的性能。随着理论和技术的不断发展，一些结构和工艺被引入到太阳能电池的制造过程中，使其性能得到大幅度提高。例如，电极的丝网印刷工艺、ＰＥＣＶＤ氮化硅薄膜工艺和正面制绒工艺等，形成除了Ｐ－Ｎ结之外的其他重要结构。

［３］

。太阳能电池的原理图如图１

国内对于Ｐ也没有公开详而，Ｃ１Ｄ的使用相对较少，细的使用教程。

１　单晶硅太阳能电池的基本原理

目前，晶硅太阳能电池主要分为单晶硅太阳能本文仅讨论单晶硅太阳电池和多晶硅太阳能电池，能电池的原理和ＰＣ１Ｄ模拟

。

２　ＰＣ１Ｄ５．９软件简介

ＰＣ１Ｄ是利用完全非耦合的方程模拟单晶半导其体器件中电子和空穴的准一维传输过程的软件，第一版由澳大利亚新南威尔士大学发布于１９８５年。随后，学术界和教ＰＣ１Ｄ软件在太阳能电池产业界、育界起到了非常重要的作用，并从第一版发展到第

４］

。五版［

到目前为止，ＰＣ１Ｄ的版本已发展到Ｖｅｒｓｉｏｎ它在模拟精度、仿真速度和环境兼容性等方面５．９，

得到了非常大的改进。首先，ＰＣ１Ｄ具有良好的兼容性，可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ９５以上版本的操作系统下运行，且对计算机的硬件配置要求不高。其次，软件引入了一些新的物理模型，扩展了可模拟领域的范围；

图１　太阳能电池原理图

第三，用户界面的不断改善不仅使软件更易操作，而

５］

。且还可以减少参数输入过程中的错误［

收稿日期：２０１４０８２８－－

，作者简介：李振华（山东枣庄人，硕士，助教，主要研究方向：晶体硅太阳能电池的原理与工艺、光伏发电技术。１９８７－）

８２

３　ＰＣ１Ｄ建模

本文Ｐ第一部分是Ｃ１Ｄ建模过程分三个部分：“；建立高效单晶硅太阳能电池的结构模型”第二部；建立高效单晶硅太阳能电池的参数模型”第分是“

。三部分是“建立测试太阳能电池的仿真环境”３．１　高效单晶硅太阳能电池结构模型的建立

在太阳能电池的发展过程中，随着制造工艺的不断改进和新技术的不断引入，电池的转换效率得到非常大的提高。根据太阳能电池的结构和工艺不同，电池的种类分为很多种。目前，单晶硅太阳能电池效率的世界纪录保持者是澳大利亚新南威尔士大学研发的ＰＥＲＬ（ＰａｓｓｉｖａｔｅｄＥｍｉｔｔｅｒｗｉｔｈＲｅａｒＬｏ　　　　－）太阳能电池，效率约２ｃａｌｌＤｉｆｆｕｓｅｄＳｏｌａｒＣｅｌｌ５％。　　ｙ　

［］

ＰＥＲＬ太阳能电池结构图如图２６－７。

３．２　高效单晶硅太阳能电池参数模型的建立

根据不同的工艺阶段，本文建立的高效单晶硅制绒参太阳能电池参数模型包括硅晶圆材料参数、

８］

，数、扩散参数、减反射膜参数、铝背场参数等部分［

如表１所示。

表１　单晶硅太阳能电池的参数

工艺过程

参数晶圆厚度

单晶硅材料

带隙介电常数高度角度Ｐ－Ｎ结深

）扩散（ｎ－ｔｅｙｐ

掺杂浓度方块电阻厚度折射率Ｐ－Ｐ＋结深

铝背场

掺杂浓度方块电阻

数值２００ｍμ１．１２４ｅＶ１１．９５ｍμ

５４．７５°０．３５ｍμ

２０

１．９７×１０ｃｍ－３

／□５９．９９Ω

制绒（表面金字塔）

）减反射膜（ＳｉＮｘ

７５ｎｍ２．０８．００ｍμ

１８

３．００×１０ｃｍ－３

／□２２．５８Ω

３．３　测试太阳能电池仿真环境的建立

根据国际标准测试条件，使用ＰＣ１Ｄ模拟太阳

８］

，能电池的测试环境［具体测试条件如表２。

表２　太阳能电池的测试条件参数

测试条件

温度／℃２５　

光强度／Ｗ·ｍ－２

１０００　　

大气质量／Ｇ

１．５

图２　ＰＥＲＬ太阳能电池结构

数值

本文针对一般高效单晶硅太阳能电池进行ＰＣ１Ｄ建模。模拟电池是Ｐ型单晶硅太阳能电池，

２，尺寸为１表面积为２５６ｍｍ×１５６ｍｍ，３６．４８ｃｍ其主要结构包括正面氮化硅薄膜、表面织构化结构、内部Ｐ－Ｎ结、背面铝背场和丝网印刷电极等。ＰＣ１Ｄ模拟电池结构截面如图３所示

。

４　讨论

）特性４．１　电流－电压曲线（Ｉ－ＶＣｕｒｖｅ

电压－电流（特性是表征太阳能电池特Ｉ－Ｖ）性的重要手段之一。目前，使用最为普遍的用来分析“双二Ｐ－Ｎ结型硅太阳能电池”Ｉ－Ｖ特性的模型是“

，极管模型”描述电压－电流关系的方程式如下：

（）／ｋ（）／ｋＶ－Ｉ×ＲＶ－Ｉ×Ｒｑｑｓα１Ｔ－ｓα２Ｔ－））Ｉ＝Ｉｅ１＋Ｉｅ１０１（０２（

／（）Ｖ－Ｉ×ＲＲＩ１　　＋（ｓ）ｓｈ－Ｌ

其中，Ｉａ０１和Ｉ０２是饱和电流，１和ａ２分别是模型中两个二极管的理想因子，Ｒｓ和Ｒｓｈ分别是串联电阻和并联电阻，Ｉｋ是波尔兹曼常数，ｑＬ是光生电流，

９］

。Ｐ是电子电量［Ｃ１Ｄ软件根据上述模型和公式，

模拟计算得到Ｉ－如图４。Ｖ曲线，

在无光照的情况下，太阳能电池和二极管一样，具有相同的电压－电流特性。而在有光照的情况下，太阳能电池内部产生光生电流Ｉ方向与二极Ｌ，

图３　ＰＣ１Ｄ模拟的太阳能电池结构

电压－电流特性发管正向导通电流相反。对应的，

。与二极管生的变化体现在Ｉ－Ｖ曲线上面（图４）

８３

相比，光照下的太阳能电池的Ｉ－Ｖ曲线整体下移

。

它被定义为输入的光能与输出的电能的能的参数，

比值。转换效率的计算公式如下：

ＶｏＩＦＦｃｓｃ

　　η＝Ｐｉ

ｎ

（）３

［１０］

。根据公式和Ｐ其中，ＰＣ１Ｄ模ｉｎ是太阳辐射功率

可以计算出转换效率约为１拟得到的数据，７．４６％。在现实中，具有该效率的单晶硅太阳能电池在商业电池市场中属于高效率的产品。

）的４．４　量子效率曲线（ＱｕａｎｔｕｍＥｆｆｉｃｉｅｎｃＣｕｒｖｅ　ｙ　特性

图４　ＰＣ１Ｄ模拟的电流－电压曲线

量子效率（简称Ｑ用来区分不同波段的光对Ｅ）对于表征和改善太阳能电池的性短路电流的贡献，

能有重要意义。ＱＥ又分为外量子效率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ，简称Ｅ和内量子效率（ＥｆｆｉｃｉｅｎｃＱＥ）ＩｎＱｕａｎｔｕｍ　－ｙ

，。Ｅ简称ＩｔｅｒｎａｌＱｕａｎｔｕｍＥｆｆｉｃｉｅｎｃＱＥ）ＱＥ是指　　ｙ被收集的载流子数目与入射到电池表面的光子数目的比值；ＩＱＥ是指被收集的载流子数目与入射到电

１０］

。池内部的光子数目的比值［

短路电流和开路电压是表征太阳能电池的电压是在标－电流特性的两个重要参数。短路电流（Ｉｓｃ）

太阳能电池输出端短路时的电流值，也是准光源下，

太阳能电池所能达到的最大电流值。同样地，开路电压（是在标准光源下，太阳能电池两端开路时Ｖｏｃ）的电压值，也是太阳能电池所能达到的最大电压值。

在模拟的测试环境下，运用ＰＣ１Ｄ软件计算得到短路电流的值约为８．开路电压的值约为２７７Ａ，最大功率约为４．如图５

。０．６２８６Ｖ，１２８Ｗ，

图６　ＰＣ１Ｄ模拟的量子效率曲线

ＰＣ１Ｄ模拟的ＱＥ曲线如图６。图中共有３条

曲线，从上至下依次是ＩＱＥ、ＥＱＥ和反射率曲线。根据曲线图，可以分析太阳能电池对各个波段的响

图５　ＰＣ１Ｄ计算的电气参数

波长为４应情况。如图５所示，００～１０００ｎｍ的范　围内，太阳能电池的频谱响应ＱＥ的数值比较理想，很好。在波长小于４紫外响应）的范围内，由００ｎｍ（于前表面载流子的复合，太阳能电池的ＱＥ数值减小。在波长大于１红外响应）的范围内，由０００ｎｍ（　于后表面载流子的复合、对长波长光吸收的减少和载流子扩散距离的缩短，太阳能电池的ＱＥ数值也在减小。ＱＥ数值的减小意味着太阳能电池在该波段的光电转换性能有所降低。因此，通过改变载流子的复合率、扩散距离、光吸收系数和反射率等参数，这有助于分析结构ＱＥ曲线会产生相应的变化，和工艺的不同对电池性能的影响。

）的计算４．２　填充因子（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ　

填充因子是评价太阳能电池性能的重要参数，它被定义为最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值。填充因子的值越大，表明在最大功率点时，电电流越接近于短路电流，太阳压越接近于开路电压，

能电池的性能越好。填充因子的计算公式如下：

Ｐｍａｘ

（）Ｆ＝２　　Ｆ

ＶｏＩｃｓｃ

其中，ＰｍａＶｏＩｘ是最大功率，ｃ是开路电压，ｓｃ是短路电流

［１０］

。根据公式和Ｐ可以计Ｃ１Ｄ模拟得到的数据，

算出填充因子约为７９．３４％。４．３　转换效率的计算

转换效率是使用最为广泛的评价太阳能电池性８４

５　结束语

使用Ｐ重点讨论了高效单Ｃ１Ｄ５．９软件建模，

晶硅太阳能电池的原理和模拟方法，模拟得到了电池的Ｉ－计算了填充因子Ｖ曲线和量子效率曲线，影响太阳能电池性能的和转换效率的值。实际上，

因素很多。借助Ｐ通过改善结构和Ｃ１Ｄ模拟软件，结合实际实验结果，研究人员可以分析太阳能工艺，

电池特性的变化规律。这对于太阳能电池的生产和研究具有积极的指导作用。

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［，，，６］ＪｉａｎｈｕａＺｈａｏＡｉｈｕａＷａｎＰｉｅｔｒｏＰＡｌｔｅｒｍａｔｔｅｔａｌ．　　　　　ｇ

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］ｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｕｓｉｎＰＣ１Ｄ［Ｊ．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅ　　　　　－ｇ　，ｓｅａｒｃｈ２０１２，３８３：７０３２７０３６－

［］９ＲｏｓｈｄＡ　Ｒａｓｓｏｕ．ＰＣ１Ｄａｎａｌｓｉｓｏｆａｎｏｍａｌｏｕｓｃｕｒｒｅｎｔ－　　　－ｙｙ　：ｖｏｌｔａｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ［Ｃ］．Ｃａｉｒｏ　　　　　ｇ，／／１６ｔｈＮａｔｉｏｎａｌＲａｄｉｏＳｃｉｅｎｃｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ１９９９：Ｄ９１９　　　　－Ｄ８

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ＳｉｍｕｌａｔｉｎＨｉｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃＭｏｎｏｃｒｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎＳｏｌａｒＣｅｌｌｓＵｓｉｎＰＣ１Ｄ５．９　－　　　　ｇｇｙｙｇ　　　

ＬＩＺｈｅｎｈｕａ　－

，，ＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＯｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏｌｌｅｅＺａｏｚｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＺａｏｚｈｕａｎ２７７１６０，Ｃｈｉｎａ　　－　ｐｐｇｇｇｇｙｇ　　　

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓａｅｒｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｈｉｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｍｏｎｏｃｒｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｕｓｉｎ　　　　　　－　　　　ｐｐｇｇｙｙｇ　　

，ＰＣ１Ｄ５．９ｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＢｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｍｏｄｅｌｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｔｈｅＩＶ　　　　　　　　　　－ｙｇｐ　　

，ｕａｎｔｕｍｃｕｒｖｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｃｕｒｖｅｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｎｒｅａｌｔｅｓｔ　　　　　　　　　　　　ｑｙｐｙｇ　　，，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｂｏｔｈｆｉｌｌｆａｃｔｏｒａｎｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｗｅｒｅｃａｌｃｕ　　　　　　　　　　　－ｙｙ　　ｌａｔｅｄ．

：；；；；ｕａｎｔｕｍＫｅｗｏｒｄｓｍｏｎｏｃｒｓｔａｌｌｉｎｅｓｏｌａｒｃｅｌｌＰＣ１Ｄ５．９；ＩＶｃｕｒｖｅｆｉｌｌｆａｃｔｏｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｅｆ－　　－　　　－ｑｙｙｙ　ｆｉｃｉｅｎｃｙ

（责任编辑：汪材印）

櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅

（）：大学学报：自然科学版，（２０１３，１０１９２３２６－上接第８１页）

４　结束语

本文基于Ｓ通过建ＣＡ架构与ｓｅｒｖｌｅｔ相结合，立ｗ实ｅｂ构件、ｓｅｒｖｌｅｔ程序及配置ｓｅｒｖｌｅｔ过滤器，现了基于ＳＣＡ的远程调用ｗｅｂ服务。这种框架利

用ＴｕｓｃａｎＳＣＡ简化了远程服务的访问方式。ｙ　

参考文献：

［］，，１ＳｉｍｏｎＬａｗｓＭａｒｋＣｏｍｂｅｌｌａｃｋＲａｍｏｎｄＦｅｎ．Ｔｕｓｃａｎ　　　ｙｇｙ／［：／／ｉｎＡｃｔｉｏｎ［ＥＢＯＬ］．２０１４０６０５］．ｈｔｔｗｗｗ．ＳＣＡ　　－－ｐ／／／ｏｅｎｏｅｎ．ｃｏｍｄｏｃｖｉｅｗ４ｃｄ９３８ｆｅｂ９ｂ３４ｄ４９ａ８２ｆ６６４９５８－ｐｐａ９ａ２４８

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