Ⅲ-V族GaAs基半导体太阳能电池的模拟研究

论文摘要

太阳能作为一种新型能源,既易于获得又环保,其对于解决目前的环境和能源问题都具有十分重要的意义。其中,III-V族GaAs基叠层结构的太阳能电池由于高效（理论上结数越多转换效率越高,甚至可达50%）而备受关注。本文在简要叙述太阳能电池的研究背景和发展方向之后,简要介绍了其工作原理、光学及电学方面的特性,对模拟软件Crosslight APSYS的使用步骤及电池模拟用到的方程组和模型也给予了简要的介绍。然后,利用软件Crosslight APSYS自带的模型对GaAs电池的电学性能和效率进行模拟研究。首先,详细给出了单结GaAs太阳能电池的模拟优化过程,在一定范围内,通过改动电池每层层厚、掺杂浓度及材料组分来分析这些参数对电池开路电压Voc、短路电流密度Jsc和效率Eff的影响,将所得最佳值重新组合以及分析之后,对参数进行再次调整:主要将背散层和缓冲层的掺杂浓度调到了1×1018cm-3（实际工艺水平）。最终获得单结26.48%的光电转换效率（相对于初始结构提高了11%,量子效率达90%）,达到提高单结电池效率的优化目的。除此之外,还研究了GaInP和AlGaAs材料之间,哪种更适合作为单结GaAs电池的背散层和窗口层材料,结果表明两者均适合。其次,在对双结InGaP/GaAs电池进行简单介绍之后,便在初始电池结构基础之上对其结构参数进行优化:一方面,提高双结电池整体的掺杂水平;另一方面,将帽子层厚度从0.5μm减至0.1μm,掺杂浓度增加一个量级。通过这两方面改进,电池效率可大幅提高至35.16%（初始结构效率为28.79%）,从而达到提升双结电池效率的目的。在本文最后,对以上工作进行了总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.2 课题研究背景
• 1.3 课题发展趋势
• 1.4 论文的结构
• 2 太阳能电池工作原理和Crosslight APSYS 模拟介绍
• 2.1 P-N 结
• 2.2 光谱响应和光电流
• 2.3 电学特性
• 2.4 转换效率
• 2.5 电池厚度对重要参数的影响
• 2.6 Crosslight APSYS 软件模拟介绍
• 2.7 本章小结
• 3 单结GaAs 太阳能电池的研究
• 3.1 单结GaAs 太阳能电池简介
• 3.2 单结GaAs 太阳能电池模拟研究
• 3.3 本章小结
• 4 双结 GaInP/GaAs 电池的研究
• 4.1 双结太阳能电池简介
• 4.2 双结 GaInP/GaAs 太阳能电池模拟研究
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表论文目录