晶硅太阳能电池正面金属电极的仿真研究

摘要

随着化石能源的耗尽与环境问题的加剧，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源日益引起重视，太阳能电池作为把光能转换为电能的半导体器件直接决定着人类对太阳能的利用效率，提升太阳能电池的转化效率一直是研究的焦点。太阳能电池的转换效率不仅依赖于半导体材料和器件结构，还和用来收集电流并把它们运输到末端电路的正面金属电极有关，优良的正面电极设计要求高收集效率、低电阻损耗，以提高电池转换效率为目的，对太阳能电池阵列来说，即使单片电池上微小的转换效率增益也会积少成多带来可观的转换能量收益。本文的主要工作是提出太阳能电池正面金属电极的仿真计算模型，通过计算转换效率判断正面电极设计的优劣，提出改进方案并预测电极发展的趋势。我们提出的模型不仅准确度高，适用性强，而且节省了大量试验成本，对太阳能电池的设计研究有着重要的辅助作用。主要的工作安排如下：
　　第一章，简述了太阳能电池发展概况。作为借鉴，我们也介绍了正面电极仿真方法的相关背景知识。
　　第二章，介绍了我们工作的理论基础。通过太阳能电池器件结构分析和等效电路分析，我们写出了太阳能电池的伏安特性方程并给出了串联电阻的具体构成，指明计算的关键在于求解太阳能电池的串联电阻。
　　第三章，我们提出了梳状电极晶硅太阳能电池转换效率的计算模型。根据推导的串联电阻参数表达式，我们利用MATLAB编程求解伏安特性方程，计算了电池的转换效率，通过计算值与实验测量值的对比，证明了模型的准确性。进一步，通过对梳状电极的几何参数扫描，我们提出了改进方案，并证明了在极细线宽（~10um）下，传统梳状电极并不能带来理想的转换效率增益。
　　第四章，我们利用有限元软件建立了正面电极的二维（2D）仿真模型。传统的计算晶硅太阳能电池转换效率的方法是将电池分成若干个重复单元，每个单元都被等效电路替代，然后通过电路仿真器求解等效电路模型。这种方法适用于简单正面电极图案的电池，而通常复杂的电极图案包含复杂的电阻构成，分析它们的等效电路模型不仅费时费力，也极易带来不准确的计算结果。在第四章中，我们基于有限元方法（FEM）提出的二维数值计算模型，不仅适用于任何复杂的正面电极图案，同时可以输出电极图案的电势分布图，电阻损耗图与电流流向图，便于下一步的电极优化。通过仿真结果与实验结果的对比，我们证明了模型的相对准确性与广泛适应性。
　　本文的研究工作旨在提供仿真晶硅太阳能电池正面电极的计算思路和计算方法，为电极的优化和新电极结构的开发提供一种工具，这将成为太阳能电池深入研究的重要手段。

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第一章 引 言

1.1 太阳能电池发展概况

1.2 太阳能电池按材料分类

1.3 背接触太阳能电池简介

1.4 太阳能电池正面电极仿真综述

1.5 论文研究的目的及主要内容

参考文献

第二章 仿真计算原理

2.1 太阳能电池工作原理

2.2 太阳能电池基本结构分析

2.3 太阳能电池等效电路分析

2.4 太阳能电池电性能参数

2.5 小结

参考文献

第三章 MATLAB仿真梳状电极

3.1 引言

3.2 副栅宽度恒定的梳状电极仿真

3.3 副栅宽度渐变的梳状电极仿真

3.4 小结

参考文献

第四章 有限元方法仿真MWT电池正面电极

4.1 引言

4.2 二维有限元模型建立

4.3 MWT图案仿真结果与讨论

4.4 MWT图案优化与讨论

4.5 小结

参考文献

第五章 总结与展望

附录

附录一

附录二

附录三

攻读硕士期间公开发表的论文

论文与专利

会议报告

致谢