CN109902316B - 一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法 - Google Patents
一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109902316B CN109902316B CN201711281801.XA CN201711281801A CN109902316B CN 109902316 B CN109902316 B CN 109902316B CN 201711281801 A CN201711281801 A CN 201711281801A CN 109902316 B CN109902316 B CN 109902316B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- junction
- sub
- junctions
- solar cell
- trap
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 9
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000003949 trap density measurement Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000006399 behavior Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- IRLPACMLTUPBCL-KQYNXXCUSA-N 5'-adenylyl sulfate Chemical compound C1=NC=2C(N)=NC=NC=2N1[C@@H]1O[C@H](COP(O)(=O)OS(O)(=O)=O)[C@@H](O)[C@H]1O IRLPACMLTUPBCL-KQYNXXCUSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法，包括以下步骤：将其它子结的左右两侧虚拟地“切掉”，使其阳极和阴极正好在单结电池结构的两侧掺杂区域；得到各个子结的仿真结构图；得到各子结性能随着其吸收区材料的陷阱密度的变化曲线图；确定各个子结得到和实验测量值一样的短路电流所需要的陷阱密度，确定各子结对陷阱俘获截面的敏感度的大小，确定电流限制结；调整其它子结的陷阱参数，使得最终的开路电压和实验值一样；进行整个实验测量结果的仿真拟合；分析其它子结的拟合缺陷密度和达到限制电流所需的缺陷密度之间的关系，对没有达到的子结进行优化。本发明方法简单、能够准确地反映各个子结在完整电池中的真实行为。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种方法简单、能够准确地反映各个子结在完整电池中的真实行为的包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法。
背景技术
仿真分析是多结太阳能电池研究的有效方法。目前对多结太阳能电池进行仿真分析的手段主要是基于子结的分离式仿真，具体来说是借助PC1D AMPS和APSYS等软件对各子结进行单独的基于半导体漂移扩散理论的数值模拟，分析各个子结电池的性能受到材料属性变化的影响，如材料少数载流子寿命对子结I-V曲线的影响，少子寿命对I-V曲线的影响图如附图1所示。
在分离式分析完子结后，有的利用附图2所示的电路仿真，将各个子结电池的I-V曲线运用到等效电路中进行综合考量，得到多结太阳能电池的总I-V曲线，如附图3所示；也有利用APSYS等软件，在基于子结数值仿真的基础上，进行完整的多结太阳能电池数值仿真，如附图4所示。
现有的对多结太阳能电池研究的方法存在以下缺点：
1、目前的方法一方面比较繁琐，需要对各个子结电池进行分离式仿真分析后再将完整的多结太阳能电池整合起来分析整体性能，这种拆分式工作对于仿真来说显得不够直观，并且在分析各子结之间对光吸收相互影响的时候不能够一步到位，显得非常低效，进一步讲，对于多结太阳能电池尤其是四结甚至更多结的大批量分析来讲显得不够便利；
2、另一方面尤其重要的是，由于太阳光入射到多结太阳能电池中后是一连串的联动行为，这种分离式仿真分析不能够准确地反映各个子结在完整电池中的真实行为，在仿真完整多结结构的时候也很难直接评估各子结之间是否达到了电流匹配(current-matching)等条件使得电池性能达到了最佳。
综上，目前需要一种新型的对包含完整多结化合物太阳能电池结构的分析方法，以满足生产需求。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法，其是针对于多结太阳能电池尤其是目前四结电池以及未来五结甚至六结电池的可靠的子结分析方法，其一方面要比前人的方法更方便更简单，另一方面能够快速准确地分析各个子结在完整多结结构中的真实表现，从而实现在大批量分析需求下的时间高效性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法，其包括以下步骤：
S1、将多结太阳能电池外延薄膜结构的各个子结相对的其它子结的左右两侧虚拟地“切掉”，使得其阳极和阴极正好在单结电池结构的两侧掺杂区域；
S2、得到各个子结的仿真结构图；
S3、分析多结太阳能电池的各子结的性能，得到各子结性能随着其吸收区材料的陷阱密度的变化曲线图；
S4、根据所述曲线图，确定各个子结得到和实验测量值一样的短路电流所需要的陷阱密度，确定各子结对陷阱俘获截面的敏感度的大小，进而确定可以作为电流限制结的子结；
S5、调整其它非电流限制结的子结的陷阱参数，使得最终的开路电压和实验值一样；
S6、进行整个实验测量结果的仿真拟合，得到I-V曲线；
S7、分析其它非电流限制结的子结的拟合缺陷密度和达到限制电流所需的缺陷密度之间的关系，对没有达到的子结进行优化。
优选的方案，敏感程度最高的子结为整个多结太阳电池的电流限制结。
通过采用以上技术方案，本发明一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法与现有技术相比，其有益效果为：
1、本发明太阳光从顶部入射直至离开底部，其传播（反射折射和吸收）路径和完整的多结电池仿真一样；另外尤其重要的是，由于在仿真单结电池性能的时候保留了完整的多结结构，这使得整个空间上的电学性质也完整的保留下来，从而保证了此方法不需要做任何的简化等效措施，方法更方便更简单。
2、完整结构中的任意薄膜诸如厚度、掺杂浓度、吸收系数以及少数载流子寿命等性质的每一个改变都会对各子结的性能产生影响进而影响整个电池的性能。因为此方法考虑了完整的电池结构且从子结中引出电极，因此已经一次性完整地考虑这些“联动关系”，相比于分离式仿真，此方法体现了很强的分析便利性和准确性。
3、本发明在保留太阳能电池完整的多结结构的前提下，各子结的性能分析可以得到快速而准确的呈现。
4、本发明由于可以一次性得到完整结构中的子结性能，因此可以大大地提高批量计算的效率，高效地缩短研发时间。
附图说明
图1为现有技术中少子寿命对I-V曲线的影响图；
图2为现有技术中的三结太阳能电池简化的等效电路图；
图3为现有技术中完整三结太阳能电池等效电路得到的I-V曲线随少数载流子寿命的变化图；
图4为现有技术中五结太阳能电池不同子结的分离式数值仿真以及完整电池结构的数值仿真得到的I-V曲线图；
图5为本发明实施例中多结太阳能电池的子结分析示意图；
图6为本发明实施例中用于分析四结太阳能电池各个子结的仿真结构图；
图7为本发明实施例中各子结在固定陷阱俘获截面的情况下性能随陷阱密度的改变曲线图；
图8为本发明实施例中仿真拟合实验测量结果的最终I-V曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本实施例使用加拿大Crosslight公司的APSYS软件（本发明的方法不限于此软件），以四结太阳能电池为例展示本方法：
图5为一个完整四结太阳能电池外延薄膜结构，太阳光从电池顶部入射，并依次经过结1顶电池a、结2中电池b、结3中的电池c和结4中的底电池d整个四结电池区域。电池的左右两侧被虚拟地“切掉”相应的部分，使得阳极e（e＇）和阴极 f（f＇）正好在单结电池结构的p掺杂区域i和n掺杂区域j，如同实验上从电池内部引出两根金属线一样（实验上很难做到这点，需要相当大的成本）。每一层薄膜的电学属性（禁带宽度和电子亲和势等）可以采用软件自带的材料库参数也可以采用实验测量值，光学方面的折射率和吸收系数（或消光系数）采用实验测量值。整个四结太阳能电池的前端增透效应可以使用多层光学薄膜也可以使用单一的透射率，后端反射效应亦是如此。
对于此四结太阳能电池，各个子结的分析仿真结构如图6所示。
图6表明，一方面太阳光从顶部入射直至离开底部，其传播（反射折射和吸收）路径和完整的四结电池仿真一样；另外尤其重要的是，由于在仿真单结电池性能的时候保留了完整的四结结构，这使得整个空间上的电学性质也完整的保留下来，这两方面保证了此方法不需要做任何的简化等效措施。
图6还表面，子结p掺杂和n掺杂两侧引出的电极使得只有本结电池的光生载流子从电极上流出而其它结上的光生载流子被“固化”。结两侧的隧穿结g、g＇、h和h＇也在影响着此结内部的电场和能带，载流子在传输的时候遇到的空间电学环境和完整结构四结电池中的情形几乎一模一样，除了它们在到达两侧高掺杂区域的时候不是通过隧穿结传输而是直接被两侧的电极抽走，考虑到隧穿结的极小电阻，这个微小的“扰动”可以忽略不计。
完整结构中的任意薄膜诸如厚度、掺杂浓度、吸收系数以及少数载流子寿命等性质的每一个改变都会对各子结的性能产生影响进而影响整个电池的性能。因为此方法考虑了完整的电池结构且从子结中引出电极，因此已经一次性完整地考虑这些“联动关系”，相比于分离式仿真，此方法体现了很强的分析便利性和准确性。另外，四结太阳能电池包含着几十层外延薄膜，这种“联动关系”需要的仿真分析数量被极大的倍增。此方法由于可以一次性得到完整结构中的子结性能，因此可以大大地提高批量计算的效率，高效地缩短研发时间。
采用此方法，在保留完整四结结构的前提下，各子结的性能分析可以得到快速而准确的呈现。图7展示了此四结太阳能电池各子结的性能随着其吸收区材料的陷阱密度的变化。
图7中的与横坐标交点最大的那条曲线是实验测量的完整四结电池的I-V曲线，用于对比子结和完整四结结构的短路电流。从图7中看出，得到和实验测量值一样的短路电流所需要的陷阱密度，对于从上至下的四个结分别为约20×1021m-3，5×1021m-3，2×1021m-3和30×1021m-3。陷阱密度越大说明陷阱俘获少数载流子的能力越强，由此看出，四个结对陷阱俘获截面的敏感度从大到小分别为结3>结2>结1>结4。结3对缺陷的敏感程度最高，故而认为结3是整个四结太阳电池的电流限制结。
确定结3为电流限制结后，通过调节其它三个结的陷阱参数，使得最终的开路电压和实验值一样，这样就能完成整个实验测量结果的仿真拟合。考虑到同一个设备制作薄膜外延的工艺不会有太大差别，各结中的缺陷密度也不会有很大变化，因此在拟合实验测量结果的时候，其它三个结的缺陷密度不应该偏离结3太多。
仿真拟合完成时的各子结陷阱密度和俘获截面为：
结1：陷阱密度=3.0×1021m-3陷阱俘获截面=1×10-17㎡
结2：陷阱密度=2.6×1021m-3陷阱俘获截面=1×10-17㎡
结3：陷阱密度=2.6×1021m-3陷阱俘获截面=1×10-17㎡
结4：陷阱密度=1.0×1021m-3陷阱俘获截面=1×10-17㎡
拟合得到的I-V曲线如图8所示。
从图7中截取曲线和横坐标纵坐标的交点，得到的Isc=15.669mA/cm2，Voc=3.2744V，和实验测量值的误差分别为0.11%和0.07%。由图7可以得知，结1、结2和结4的拟合缺陷密度远低于达到限制电流所需的缺陷密度，因此这三个结的电流在拟合条件下是大于结3的限制电流的，这说明此四结太阳能电池的性能没有达到各子结电流大致相等的最佳状态，有优化的空间。优化工作同样可以用本方法快速进行。
上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
Claims (2)
1.一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、将多结太阳能电池外延薄膜结构的各个子结相对的其它子结的左右两侧虚拟地“切掉”，使得阳极e(e＇)和阴极f(f＇)正好在单结电池结构的p掺杂区域i和n掺杂区域j；
S2、得到各个子结的仿真结构图；
S3、分析多结太阳能电池的各子结的性能，得到各子结性能随着其吸收区材料的陷阱密度的变化曲线图；
S4、根据所述曲线图，确定各个子结得到和实验测量值一样的短路电流所需要的陷阱密度，确定各子结对陷阱俘获截面的敏感度的大小，进而确定可以作为电流限制结的子结；
S5、调整其它非电流限制结的子结的陷阱参数，使得最终的开路电压和实验值一样；
S6、进行整个实验测量结果的仿真拟合，得到I-V曲线；
S7、分析其它非电流限制结的子结的拟合缺陷密度和达到限制电流所需的缺陷密度之间的关系，对没有达到的子结进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法，其特征在于，敏感程度最高的子结为整个多结太阳电池的电流限制结。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711281801.XA CN109902316B (zh) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | 一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711281801.XA CN109902316B (zh) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | 一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109902316A CN109902316A (zh) | 2019-06-18 |
| CN109902316B true CN109902316B (zh) | 2023-06-02 |
Family
ID=66938786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711281801.XA Active CN109902316B (zh) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | 一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109902316B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117709132B (zh) * | 2024-02-05 | 2024-04-19 | 安徽大学 | 一种太阳能电池内部损耗机制的诊断方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101241945A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-08-13 | 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 硅基高效多结太阳电池及其制备方法 |
| CN106339561A (zh) * | 2016-09-05 | 2017-01-18 | 上海空间电源研究所 | 一种化合物多结太阳电池的数值模拟方法 |
| CN106877818A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-06-20 | 华东师范大学 | 一种多结太阳能电池子结之间发光耦合效率的检测装置及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0700071D0 (en) * | 2007-01-04 | 2007-02-07 | Borealis Tech Ltd | Multijunction solar cell |
-
2017
- 2017-12-07 CN CN201711281801.XA patent/CN109902316B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101241945A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-08-13 | 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 硅基高效多结太阳电池及其制备方法 |
| CN106339561A (zh) * | 2016-09-05 | 2017-01-18 | 上海空间电源研究所 | 一种化合物多结太阳电池的数值模拟方法 |
| CN106877818A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-06-20 | 华东师范大学 | 一种多结太阳能电池子结之间发光耦合效率的检测装置及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 周福成 ; 唐吉玉 ; 陈俊芳 ; .GaInNAs/GaAs量子阱太阳电池模型建立与计算.半导体光电.2011,(03),全文. * |
| 饶蕾 ; 计春雷 ; .AM0光谱下三结太阳能电池的温度及聚光特性.浙江大学学报(工学版).2015,(12),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109902316A (zh) | 2019-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sasaki et al. | Development of InGaP/GaAs/InGaAs inverted triple junction concentrator solar cells | |
| Hegedus et al. | Voltage dependent photocurrent collection in CdTe/CdS solar cells | |
| Zeman et al. | Computer modelling of current matching in a-Si: H/a-Si: H tandem solar cells on textured TCO substrates | |
| Singh et al. | Highly efficient ARC less InGaP/GaAs DJ solar cell numerical modeling using optimized InAlGaP BSF layers | |
| Taretto et al. | Modeling extremely thin absorber solar cells for optimized design | |
| Kanevce et al. | Optimizing CdTe solar cell performance: Impact of variations in minority-carrier lifetime and carrier density profile | |
| Walker et al. | Tunnel-junction-limited multijunction solar cell performance over concentration | |
| Maryasin et al. | Technological guidelines for the design of tandem III-V nanowire on Si solar cells from opto-electrical simulations | |
| CN109902316B (zh) | 一种包含完整多结化合物太阳能电池结构的子结分析方法 | |
| Xu et al. | Loss Mechanism Analyses of Perovskite Solar Cells with an Equivalent Circuit Model | |
| Morales-Acevedo | Design of very thin CdTe solar cells with high efficiency | |
| Pawlikiewicz et al. | Numerical modeling of an amorphous-silicon-based pin solar cell | |
| Philipps et al. | An experimental and theoretical study on the temperature dependence of GaAs solar cells | |
| Ermer et al. | Challenges and progress in the scale up of CuInSe2 thin film photovoltaic technology | |
| Neitzert et al. | Investigation of the damage as induced by 1.7 MeV protons in an amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell | |
| Mangan et al. | A path to 10% efficiency for tin sulfide devices | |
| Wilkins et al. | Multijunction solar cells | |
| Lee et al. | Variation of quantum efficiency in CZTSSe solar cells with temperature and bias dependency by SCAPS simulation | |
| CN115600503A (zh) | 基于单纯形-模拟退火法的多结化合物电池模型参数优化方法 | |
| Mikulik et al. | Extraction of pn junction properties and series resistance in GaAs nanowire-based solar cells using light concentration | |
| Wheeldon et al. | GaAs, AlGaAs and InGaP tunnel junctions for multi‐junction solar cells under concentration: resistance study | |
| Singh et al. | A wide band gap In 0.5 (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 P back surface field layer increases 6% more efficiency in DLAR dual junction InGaP solar cell | |
| Kosarian et al. | Numerical evaluation and characterization of single junction solar cell based on thin-film a-Si: H/a-SiGe: H hetero-structure | |
| Cappelletti et al. | Extraction of the minority carrier transport properties of solar cells using the Hovel model and genetic algorithms | |
| Bhat | SIMULATION AND MODELLING OF SILICON BASED SOLAR CELL USING PC1D |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240125 Address after: 201204 floor 3, building 2, No. 200, zhangheng Road, China (Shanghai) pilot Free Trade Zone, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Shanghai Core Holmium Quantum Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 200241 Room 1004, Building B, No. 555 Dongchuan Road, Minhang District, Shanghai Patentee before: SHANGHAI XINLEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |