CN102183719A - 太阳电池或组件的iv特性模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，具有如下步骤：(1)光学模拟：计算得到光生载流子速率，(2)半导体器件模拟：构建太阳电池或组件的微单元，得到微单元的J-V特性；(3)电路模拟：微单元作为电压控制电流源G，电阻Rf、电阻Rb将多个电压控制电流源G串联起来形成整片太阳电池或整个组件的模拟电路，在模拟电路的主栅测试点和背电极间进行电压扫描并跟踪记录电流，得到整片太阳电池或整个组件的I-V特性。本发明有效解决太阳电池或组件特性IV特性模拟的复杂性，太阳电池或组件的IV特性测试简单快捷。

Description

太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法

技术领域

本发明涉及半导体器件及电路模拟软件的二次开发，尤其涉及一种太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法。

背景技术

太阳电池的多维数值模拟是一个复杂的体系，需要综合考虑光学、半导体和电路三方面的性质。目前比较通用的多维半导体器件模拟软件(Dessis)及电路模拟软件(Spice)，使用起来比较复杂，主要以程序代码的形式进行，操作起来比较麻烦，需要专业的程序人员，这在一定程度上限制了太阳电池模拟技术的应用和推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，为了解决太阳电池特性模拟的复杂性，本发明提供一种太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，所述的模拟方法具有如下步骤：

(1)光学模拟：根据太阳电池或组件的参数模拟计算得到光生载流子速率，光生载流子速率作为半导体器件模拟的输入参数；

(2)半导体器件模拟：构建太阳电池或组件的微单元几何结构及划分单元网格，根据光学模拟中得到的光生载流子速率求解描述载流子扩散漂移性质的偏微分方程，得到微单元的J-V特性；

(3)电路模拟：根据电池结构或组件结构划分电路模拟微单元，计算微单元面积系数及计算微单元电阻，微单元作为电压控制电流源G，多个串联的电阻Rb模拟太阳电池或组件中的主栅线，多个串联的电阻Rf模拟太阳电池或组件中的细栅线，电阻Rf、电阻Rb将多个电压控制电流源G串联起来形成整片太阳电池或整个组件的模拟电路，在模拟电路的主栅测试点和背电极间进行电压扫描并跟踪记录电流，得到整片太阳电池或整个组件的I-V特性。

具体地，所述的光学模拟中计算光生载流子速率的具体计算方法为：(a)根据太阳电池或组件的硅片厚度、金字塔覆盖率、减反膜材料、表面散射系数进行光跟踪模拟计算光生载流子速率，(b)得到样品的模拟反射率曲线，(c)将样品的模拟反射率曲线和样品的实测反射率曲线对比，判断是否和实测反射率曲线吻合，(d)如果模拟反射率曲线和实测反射率曲线吻合，则将光跟踪模拟计算得到的光生载流子速率作为半导体器件模拟的输入参数。

具体地，所述的半导体器件模拟中描述载流子扩散漂移性质的偏微分方程为：

方程式一： $-\▿E=\▿\·(\mathrm{\ϵ}\▿\mathrm{\ψ})=-q(p-n+N_d^{+}-N_a^{-});$

方程式二：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂n}{\∂t}=\frac{1}{q}\▿\·J_n+G-R_n\\ \frac{\∂p}{\∂t}=-\frac{1}{q}\▿\·J_p+G-R_p\end{array}\right.;$

方程式三：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_n=-q{\mathrm{\μ}}_{n}n\▿\mathrm{\ψ}+q{D}_n{\▿}_n\\ J_p=-q{\mathrm{\μ}}_{p}p\▿\mathrm{\ψ}-q{D}_p{\▿}_p\end{array}\right.;$

其中n为电子，p为空穴密度，N⁺为施主的掺杂浓度，N^-为受主的掺杂浓度，G为光生载流子速率，R为复合速率，μ为载流子迁移率，D为扩散常数，D＝(kT/q)μ。

具体地，所述的电路模拟中划分电路模拟微单元的划分方式为：微单元可以分为下列不同结构的微单元：细栅在主栅处的微单元、细栅在边缘处的微单元、背电极处的微单元、完整的微单元。

进一步地，所述的细栅在边缘处的微单元可分为圆角区域边缘的微单元、非圆角区域边缘的微单元。

具体地，所述的电路模拟中计算微单元电阻的计算方法具体为：根据栅线的几何形貌和电阻率计算微单元电阻，计算公式为：

$R_{\mathrm{unit}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{L}_{\mathrm{unit}}}{S},$

其中ρ_f是栅线的体电阻率，Lunit是微单元栅线长度，S是栅线的横截面积。

本发明的有益效果是：本发明首先把太阳电池分割成多个不可再分的微单元，利用半导体器件模拟软件进行半导体器件模拟，得到微单元的J-V特性，再利用电路模拟软件进行电路模拟，把这些具有一定J-V特性的微单元当作受电压控制的电流源，通过电阻Rf、电阻Rb串联起来形成整片太阳电池或整个组件的模拟电路。太阳电池组件的模拟则是把多个太阳电池的模拟电路用上述方法串联起来。在模拟电路的主栅测试点和背电极间进行电压扫描并跟踪记录电流，得到整片太阳电池或整个组件的I-V特性

本发明让使用者不需要了解复杂的编程代码和物理模型就可以方便地对太阳电池或组件进行参数收集，利用太阳电池或组件电路模拟的辅助软件，生成进行半导体器件模拟和电路模拟所需的输入文件，利用辅助软件根据上述太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法模拟出整片太阳电池或整个组件的I-V特性曲线，本发明有效解决太阳电池或组件特性IV特性模拟的复杂性，太阳电池或组件的IV特性测试简单快捷。结合相应的用户界面，用户可以方便地输入太阳电池或组件中所有和金属化有关的参数，包括主、细删线的数目，电阻率，高宽比和背电场面积，背电极宽度等，然后自动运行电路模拟软件进行模拟并提取I-V曲线结果。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明中光学模拟的流程示意图；

图2是本发明中半导体器件模拟的流程示意图；

图3是本发明中电路模拟的流程示意图；

图4是本发明中电路模拟中整片太阳电池或整个组件的模拟电路的部分示意图。

具体实施方式

如图1～4所示，一种太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，具有如下步骤：

(1)光学模拟：(a)根据太阳电池或组件的硅片厚度、金字塔覆盖率、减反膜材料、表面散射系数进行光跟踪模拟计算光生载流子速率，(b)得到样品的模拟反射率曲线，(c)将样品的模拟反射率曲线和样品的实测反射率曲线对比，判断是否和实测反射率曲线吻合，(d)如果模拟反射率曲线和实测反射率曲线吻合，则将光跟踪模拟计算得到的光生载流子速率作为半导体器件模拟的输入参数。如果模拟反射率曲线和实测反射率曲线不吻合，则重新进行光跟踪模拟计算光生载流子速率直至模拟反射率曲线和实测反射率曲线吻合。

(2)半导体器件模拟：构建太阳电池或组件的微单元几何结构及划分单元网格，根据光学模拟中得到的光生载流子速率、参照硅片掺杂浓度、少子寿命、表面复合速率、前后表面的扩散曲线等参数，求解描述载流子扩散漂移性质的偏微分方程，得到微单元的J-V特性。

描述载流子扩散漂移性质的偏微分方程为：

方程式一： $-\▿E=\▿\·(\mathrm{\ϵ}\▿\mathrm{\ψ})=-q(p-n+N_d^{+}-N_a^{-});$

方程式二：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂n}{\∂t}=\frac{1}{q}\▿\·J_n+G-R_n\\ \frac{\∂p}{\∂t}=-\frac{1}{q}\▿\·J_p+G-R_p\end{array}\right.;$

方程式三：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_n=-q{\mathrm{\μ}}_{n}n\▿\mathrm{\ψ}+q{D}_n{\▿}_n\\ J_p=-q{\mathrm{\μ}}_{p}p\▿\mathrm{\ψ}-q{D}_p{\▿}_p\end{array}\right.;$

其中n为电子，p为空穴密度，N⁺为施主的掺杂浓度，N^-为受主的掺杂浓度，G为光生载流子速率，R为复合速率，μ为载流子迁移率，D为扩散常数，D＝(kT/q)μ。

(3)电路模拟：根据电池结构或组件结构划分电路模拟微单元，计算微单元面积系数及计算微单元电阻，微单元作为电压控制电流源G，多个串联的电阻Rb模拟太阳电池或组件中的主栅线，多个串联的电阻Rf模拟太阳电池或组件中的细栅线，电阻Rf、电阻Rb将多个电压控制电流源G串联起来形成整片太阳电池或整个组件的模拟电路，在模拟电路的主栅测试点和背电极间进行电压扫描并跟踪记录电流，得到整片太阳电池或整个组件的I-V特性。

计算微单元电阻的计算方法具体为：根据栅线的几何形貌和电阻率计算微单元电阻，计算公式为：

$R_{\mathrm{unit}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{L}_{\mathrm{unit}}}{S},$

其中ρ_f是栅线的体电阻率，Lunit是微单元栅线长度，S是栅线的横截面积。

划分电路模拟微单元的划分方式为：微单元可以分为下列不同结构的微单元：细栅在主栅处的微单元、细栅在边缘处的微单元、背电极处的微单元、完整的微单元。

细栅在边缘处的微单元可分为圆角区域边缘的微单元、非圆角区域边缘的微单元。

本发明首先把太阳电池分割成多个不可再分的微单元，利用半导体器件模拟软件进行半导体器件模拟，得到微单元的J-V特性，再利用电路模拟软件进行电路模拟，把这些具有一定J-V特性的微单元当作受电压控制的电流源，通过电阻Rf、电阻Rb串联起来形成整片太阳电池或整个组件的模拟电路。太阳电池组件的模拟则是把多个太阳电池的模拟电路用上述方法串联起来。在模拟电路的主栅测试点和背电极间进行电压扫描并跟踪记录电流，得到整片太阳电池或整个组件的I-V特性。

本发明让使用者不需要了解复杂的编程代码和物理模型就可以方便地对太阳电池或组件进行参数收集，利用太阳电池或组件电路模拟的辅助软件，生成进行半导体器件模拟和电路模拟所需的输入文件，利用辅助软件根据上述太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法模拟出整片太阳电池或整个组件的I-V特性曲线。本发明有效解决太阳电池或组件特性IV特性模拟的复杂性，太阳电池或组件的IV特性测试简单快捷。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，其特征在于：所述的模拟方法具有如下步骤：

(1)光学模拟：计算得到光生载流子速率，光生载流子速率作为半导体器件模拟的输入参数；

(2)半导体器件模拟：构建太阳电池或组件的微单元几何结构及划分单元网格，根据光学模拟中得到的光生载流子速率求解描述载流子扩散漂移性质的偏微分方程，得到微单元的J-V特性；

(3)电路模拟：根据电池结构或组件结构划分电路模拟微单元，计算微单元面积系数及计算微单元电阻，微单元作为电压控制电流源G，多个串联的电阻Rb模拟太阳电池或组件中的主栅线，多个串联的电阻Rf模拟太阳电池或组件中的细栅线，电阻Rf、电阻Rb将多个电压控制电流源G串联起来形成整片太阳电池或整个组件的模拟电路，在模拟电路的主栅测试点和背电极间进行电压扫描并跟踪记录电流，得到整片太阳电池或整个组件的I-V特性。

2.根据权利要求1所述的太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，其特征在于：所述的光学模拟中计算光生载流子速率的具体计算方法为：(a)根据太阳电池或组件的硅片厚度、金字塔覆盖率、减反膜材料、表面散射系数进行光跟踪模拟计算光生载流子速率，(b)得到样品的模拟反射率曲线，(c)将样品的模拟反射率曲线和样品的实测反射率曲线对比，判断是否和实测反射率曲线吻合，(d)如果模拟反射率曲线和实测反射率曲线吻合，则将光跟踪模拟计算得到的光生载流子速率作为半导体器件模拟的输入参数。

3.根据权利要求1所述的太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，其特征在于：所述的半导体器件模拟中描述载流子扩散漂移性质的偏微分方程为：

方程式一： $-\▿E=\▿\·(\mathrm{\ϵ}\▿\mathrm{\ψ})=-q(p-n+N_d^{+}-N_a^{-});$

方程式二：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂n}{\∂t}=\frac{1}{q}\▿\·J_n+G-R_n\\ \frac{\∂p}{\∂t}=-\frac{1}{q}\▿\·J_p+G-R_p\end{array}\right.;$

方程式三：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_n=-q{\mathrm{\μ}}_{n}n\▿\mathrm{\ψ}+q{D}_n{\▿}_n\\ J_p=-q{\mathrm{\μ}}_{p}p\▿\mathrm{\ψ}-q{D}_p{\▿}_p\end{array}\right.;$

其中n为电子，p为空穴密度，N⁺为施主的掺杂浓度，N^-为受主的掺杂浓度，G为光生载流子速率，R为复合速率，μ为载流子迁移率，D为扩散常数，D＝(kT/q)μ。

4.根据权利要求1所述的太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，其特征在于：所述的电路模拟中划分电路模拟微单元的划分方式为：微单元可以分为下列不同结构的微单元：细栅在主栅处的微单元、细栅在边缘处的微单元、背电极处的微单元、完整的微单元。

5.根据权利要求4所述的太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，其特征在于：所述的细栅在边缘处的微单元可分为圆角区域边缘的微单元、非圆角区域边缘的微单元。

6.根据权利要求1所述的太阳电池或组件的IV特性模拟测试方法，其特征在于：所述的电路模拟中计算微单元电阻的计算方法具体为：根据栅线的几何形貌和电阻率计算微单元电阻，计算公式为：

$R_{\mathrm{unit}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{L}_{\mathrm{unit}}}{S},$

其中ρ_f是栅线的体电阻率，Lunit是微单元栅线长度，S是栅线的横截面积。

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