半透明硅基薄膜电池性能的模拟计算开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.背景

能源一直是关乎世界经济发展和民众生活的重要议题，我们所用的传统能源大多都是化石能源，比如石油、煤、天然气等。随着科技的发展和经济的腾飞，传统的能源已不能满足人们日益增长的需要，且随着化石能源的消耗所带来的环境的问题也严重影响人们的生活健康。因此，随着化石能源的不断衰竭，人们对环境保护问题的重视程度不断提高，寻找替代的清洁能源问题变得越来越为迫切。太阳能作为一种可再生清洁能源，并可以持续利用，具有非常广阔的应用前景，对它的开发和利用在近几十年也越来越受到科学界的重视。人类利用太阳能加热食物已有3000多年的历史，但将太阳能作为一种动力和能源加以利用，只有300多年历史。1615年，法国工程师所罗门考克斯发明了第一台太阳能驱动的发动机。从1940年开始，科学家展开了太阳能电池的研究，随后美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳能电池，为太阳能发电大规模应用奠定了基础。21世纪以来，太阳能热水器、太阳能汽车、太阳能自动提款机等产品相继问世，标志着太阳能得到了广泛的发展。

太阳能电池主要有块状太阳能电池和薄膜型太阳能电池两大类，相应的，当今应用最广泛的硅太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池。硅太阳能电池由于其转换效率比较高、性能稳定、原材料丰富等优点成为当今光伏产业中的重要支柱，但与传统能源水电，火电相比，硅太阳能电池的成本还是比较高，所以降低硅太阳能电池的成本和提高硅太阳能电池的转换效率是研究硅太阳能电池的主要出发点。

目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池、化合物半导体薄膜电池等。在薄膜电池中，硅基薄膜太阳能电池由于原料丰富、技术成熟、工艺简单，而得到了迅速发展。1974年第一块非晶硅太阳电池诞生，1980年实现商业化，足见其发展速度。随着科技的进步，研究的深入以及电池理论的进一步完善，硅基薄膜电池效率也得到了不断提高，其应用的范围也在不断扩展，从计算器手表等弱光应用扩大到了各种应用领域，如太阳能路灯、太阳能屋顶及光伏电站等。同时硅基薄膜太阳电池产量也在迅速增加，太阳电池企业特别是硅基薄膜电池企业快速成长起来，并诞生了许多世界级著名硅基薄膜太阳电池生产企业。

其中，半透明硅基薄膜电池的研究有较大应用前景。韩国大田电子与通信研究所Lim等人制备了效率5.5%、透明度21.7%的非晶硅薄膜电池。另外，还有研究者尝试利用分布式布拉格反射镜(DBR)或者光子晶体来调控非晶硅电池的吸收波段，从而获得不同颜色估计薄膜电池。半透明电池基板的一种制备方法是利用激光在薄膜电池的表面上进行有选择的刻蚀，蒸发掉电池材料，形成透明部分，整块电池基板的透明度大致由刻蚀面积和总面积比来决定。但刻蚀成本较高，对未来的商业推广无疑会有障碍。

近年来，光伏技术在建筑上的应用得到了快速发展，逐步形成了光伏建筑一体化（BIPV）。光伏建筑一体化（BIPV）将光伏发电和建筑结构相统一，是一种极具优势的节能技术。集成太阳能电池的建筑玻璃需要有一定透光性，既要保证室内采光，同时将部分太阳光吸收发电，为建筑物提供电能，而半透明硅基薄膜电池就能很好地做到，它兼有发电和建材的功能,具有隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观等特性,还有足够的强度和刚度,不易破损,便于施工安装及运输等，是未来城市节能建筑的一个发展方向。

2.半透明硅基薄膜电池原理

太阳能是一种辐射能，太阳能电池才能将太阳能变换成为电能。太阳能电池的基本

工作原理是半导体p-n结所具有的光生伏特效应。简单地说光生伏特效应，就是当光照到半导体时，其内部的电荷分布状态发生变化，利用种变化产生电动势和电流的一种效应。对于采用p-n结构的晶体硅太阳电池来说，载流子的扩散长度很长，光生少子完全可以扩散到空间电荷区，形成光生电流。

在常规的单晶和多晶太阳电池中，通常用p-n结结构。但对于硅基薄膜电池，所用的材料通常是非晶和微晶材料，由于非晶硅内存在大量尾态和悬挂键等缺陷态，载流子的迁移率很低，扩散系数也很低。如果采用通常的p-n结的电池结构，光生载流子在n型和p型中性掺杂区的扩散运动非常小，将直接影响短路电流。此外，由于非晶硅p-n

结耗尽层内也存在着大量的缺陷态，会导致势垒区内光生载流子的大量复合。为此，硅基薄膜电池摒弃p-n结结构，而采用p-i-n结构，其中p层为入射光层，i层为本征吸收层，n层为基底层,如图。

p-i-n结结构示意图

这样，i层既保证了光被充分地吸收，又保证了有一定的内建电场有效地分离光生载流子，促进光生载流子的收集，并漂移到边界。此时的光生载流子依靠电场作用下的漂移运动被收集，从而减小了载流子扩散长度小的影响，很大程度上提高了载流子的利用率。对P-I-N结需要考虑以下几点：其一，作为吸收层，要求i层具有良好的光学吸收性，要尽可能多的吸收光，产生大量的电子一空穴对；其二，作为光生载流子的输运路径，要求具有尽可能低的缺陷态密度，提高载流子的扩散长度，i层内点缺陷也有可能降低空间电荷区的电场；其三，i层较厚，相比掺杂层的电导率又较低，这样就增加了串联电阻；最后，i层中电子与空穴数是相近的，在正向偏下i层也有可能出现载流子的复合。由p-i结和i-n结形成的内建电场几乎包含了整个本征层。当入射光穿过p层，在i层中产生电子一空穴对，很快被内建电场分离，使得空穴被驱向p层，电子被驱向n层，形成光生电流和光生电压。一般来说，重掺杂的p、n区的作用是形成内建电势用来收集载流子；于此同时重掺杂的两边可与导电和电极形成欧姆接触，为外部提供电功率；而i区是光敏区，光电导／暗电导比为105-106，此区中光生电子和空穴是光伏电力的源泉。

这种结构实际上是借用了p-i-n光电二极管的概念，其中p、n掺杂层非常薄，仅有10～20nm。受光面的一层称为窗口层，表示光由此窗口进入。i层为本征层(或吸收层)，非晶硅电池的i层一般厚约500nm。对于半透明硅基薄膜电池而言，就是减薄i层的厚度，使其具有一定的透光性，能够使部分可见光透过，同时也能正常工作。

3.模拟软件介绍

3.1光学模拟软件TFCale

光学模拟软件TFCale的主要原理是菲涅尔定律，即菲涅尔反射定律。当一束光入射到折射率不同的两个介质分界面时，一部分光会被反射，这种现象称为菲涅尔反射。

电磁波通过不同介质的分界面时发生全反射和折射，这一关系可由菲涅尔公式表达出来，菲涅尔公式是阐述平面电磁波在两种煤质分界面上的传播特性的一组公式。也就是表达反射系数r、折射系数t与煤质1的波阻抗η1、媒质2的波阻抗η2、入射角θi、折射角θt之间内在联系的公式。常用来计算反射波电场强度Er和折射波电场强度Et。菲涅耳公式共有两套，分别适用于垂直极化平面波和平行极化平面波。

反射系数r反射波电场强度Er与入射被电场强度Ei之比，即r=Er/Ei。折射系数t折射波电场强度与入射波电场强度之比，即t=Et/Ei。反射系数和折射系数一般为复数。斜入射使用的菲涅耳公式如式所示。

垂直投射时的菲涅耳公式当θi=θr=θt=0时，垂直极化波和平行极化波均用式计算：

计算光在多层膜中的传播时，由于光在分层介质中的传播特性是线性的，利用矩阵技术是描述光在分层薄膜中传播的一种简单易行的方法。这里我们采用转移矩阵的方法计算光的多重折射反射特性。

图2光在多层的结构中传播示意图

图2展示了没有嵌入源时，平面波从j=0层入射到多层结构。j（j=1,2，5）层的厚度为dj。光波在每一层复合折射率为。其中为折射率，为吸收系数。复合折射率能描述光在传播过程中的反射和损耗（例如光在金属电极中传播时有着强的阻尼效应）。

用转移矩阵描述光电场的入射和出射，可得：

，(3-29)

其中 和-上标分别代表沿着z正向和反向传播，M是相矩阵Li和界面矩阵Iij（j-i=1）的乘积：

(3-30)

根据麦克斯韦的电磁理论，光场在界面处各点两侧产生的总电场强度的切向分量和总磁场强度的切向分量分别相等。可推导出i和j层界面处的界面矩阵Iij和i层的相矩阵Li，见式（3）和式（4）。

(3)

(4)

式中：λ为光波长；rij和tij分别为i和j界面处反射系数和透射系数，对于TE和TM波是不一样的，由菲涅尔公式可以计算得到。结合上述各式，可以得到j层x位置的电场，如式（5）。

(5)

多层膜的透过率可以通过出射光能量与入射光能量比值求得，即，若矩阵，根据矩阵运算则有。

3.2电学性能模拟软件AMPS-1D

AMPS-1D软件是一款由美国宾夕法尼亚大学研究开发的太阳电池模拟软件，是一维多层光电子分析的计算程序。

AMPS-1D软件是基于半导体和太阳电池的基本方程：泊松方程、电子连续性方程和空穴连续性方程。AMPS首先从这三个方程出发得到三个状态变量：电子准费米能级（或电子浓度），空穴准费米能级（或空穴浓度）和电势，这些状态变量都是位置的函数；而后再由这三个状态变量出发得到太阳电池的一系列特性。

①泊松方程：泊松方程表述了自由载流子数目、被俘获的电荷数和电离掺杂数与材料体系中静电场的关系。一维空间中泊松方程如下：

Ψ表示半导体中静电势，n(x)、p(x)、nt(x)、Pt(x)分别表示了半导体中自由电子、自由空穴、俘获电子及俘获空穴的浓度。ND (x)、NA-(x)是半导体中电离的类施主掺杂及类受主掺杂的浓度。q表示电子的电量。

②连续性方程：连续性方程是漂移运动和扩散运动同时存在时少数载流子所遵守的运动方程。以空穴连续性方程为例，表达式如下：

假设光照稳定，材料均匀，电场均匀，我们可以得到稳态连续性方程：

若Jn和Jp分别为电子和空穴的电流密度。R(x)是电子和空穴的净复合速率。Gop(x)光照条件下的电子和空穴的产生速率，则在稳定条件下，导带电子的连续方程和价带中空穴的连续方程可写为：

AMPS-1D软件采用迭代法计算材料的性能，即通过迭代法计算泊松方程和连续性方程。由于这个方程组是相互关联的非线性方程组，所以需要确定了边界条件才能计算出具体的结果。

边界条件如下：

其中，V表示偏置电压，Sn(0),Sp(0),Sn(L)和Sp(L)分别表示自由电子和自由空穴在前电极(x=0)和背电极(x=L)界面的表面复合速率。

4.半透明硅基薄膜电池的前景

光伏建筑一体化的应用是随着太阳能电池价格的不断下降以及制造技术的飞速发展而迅速发展起来的。大力推广应用太阳能光伏发电技术，有利于提高新能源在能源结构中的比重，缓解电力供需矛盾危机，是经济和社会稳定和谐发展的必然选择。

目前，城市高层建筑密度高，光伏建筑容易被阴影遮挡而影响发电，此外，大量的悬浮物会导致光线漫反射后能量衰减，晶硅组件对此束手无策。与晶硅组件比较，硅基薄膜太阳能电池具有弱光响应好、发电效率高的特性。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，比单晶硅大一个数量级左右，使得含非晶硅的太阳能电池对低光强有较好的适应，所以每天的发电时间要明显长于晶硅电池。

一开始我们从简单的使用和安装光伏组件，到现在能够和建筑物进行比较好的结合，这一变化不仅使光伏技术在建筑上的应用得到了快速发展，而且为太阳能光伏发电的发展提供了更加广阔的空间。相信光伏一体化建筑的迅猛发展，也必然为硅基薄膜的发展开拓一片广阔的天地，因为把太阳能同建筑结合起来，将房屋发展成具有独立电源、自我循环式的新型建筑，是人类进步和社会、科学技术发展的必然。由于半透明硅基薄膜电池具有一定的透光性，在城市建筑外表层的应用具有独特的优势，是未来节能建筑材料一个很有潜力的发展方向。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

二、本课题要研究的问题 光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics, BIPV）将光伏发电和建筑结构相统一，是一种极具优势的节能技术。目前已经应用于BIPV的半透明电池的一种制备方法就是利用激光在薄膜电池表面上进行有选择地刻蚀，瞬间蒸发掉电池材料，形成透明部分，整块电池基板的透明度大致由刻蚀面积和总面积比来决定。但刻蚀成本较高，对未来的商业推广无疑会有障碍。一种更为实际的办法就是减薄电池吸收层的厚度，同时两个电极都采用透明导电膜，获得半透明电池，这样就无需激光刻蚀，且电池透明度可调节，是应用于BIPV的节能建筑玻璃未来发展的一个方向。所以，系统性研究非晶硅电池效率与透明度的相互关系，对开发应用于BIPV的高性能半透明电池有十分重要的指导意义。

三、采用的研究手段 本课题借助于光学薄膜设计软TFCalc和太阳能电池模拟软件AMPS-1D分别对电池的光透过率和光电转换效率进行理论计算，建立吸收层厚度、器件透明度、效率三者间的定量关系，提出评价半透明电池综合性能的指标，同时评估上电极ITO厚度对电池透明度的影响，为将来制定半透明电池实验方案提供具体的理论指导。