太陽能級(jí)硅（SOG-Si）光伏電池中多孔硅吸雜工藝及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究

【摘要】：光伏電池的開發(fā)及應(yīng)用是解決能源危機(jī)與環(huán)境問題的有效途徑。太陽能級(jí)硅(SOG-Si)材料的使用是降低晶硅光伏電池生產(chǎn)成本的主要措施,但SOG-Si中所存在的雜質(zhì)與缺陷極大地降低了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率,成為制約SOG-Si光伏電池發(fā)展的瓶頸。本論文對(duì)單結(jié)硅光伏電池的光生電流密度進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了復(fù)合損失參數(shù)與硅光伏電池性能參數(shù)之間的關(guān)系,論證了提高襯底材料少數(shù)載流子壽命對(duì)提高電池性能的作用；利用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,重點(diǎn)研究了改善SOG-Si材料及光伏電池性能的多孔硅層(PSL)吸雜工藝,提出了新的吸雜方法并將之應(yīng)用于SOG-Si光伏電池的制造工藝中；探討了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)分析方法對(duì)PSL吸雜工藝進(jìn)行研究的可行性,建立了基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)的多孔硅(PSL)吸雜效果預(yù)測(cè)模型,并進(jìn)行了工藝參數(shù)靈敏度分析。本論文的研究工作是結(jié)合2007年蘭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目“新型硅單晶光伏電池的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”(07-2-46)而展開的,主要內(nèi)容如下： 通過對(duì)國(guó)內(nèi)外能源危機(jī)與能源變革、晶硅光伏電池的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀及SOG-Si光伏電池中常用吸雜工藝等問題的闡述,引出進(jìn)行SOG-Si光伏電池中PSL吸雜研究的必要性。通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在半導(dǎo)體材料及器件中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述,論證了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用于PSL吸雜工藝中的可行性。 從微觀的半導(dǎo)體能帶理論到宏觀的硅光伏電池輸出特性,以pn結(jié)為中心,論述了pn結(jié)的形成、數(shù)學(xué)描述和它的光電轉(zhuǎn)換原理,深入分析了pn結(jié)光伏電池的工作原理,使用自編的模擬程序?qū)谓Y(jié)硅光伏電池的光生電流密度進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究了硅襯底材料與復(fù)合損失有關(guān)的參數(shù)對(duì)硅光伏電池光伏特性的的影響,印證了提高SOG-Si襯底材料中少數(shù)載流子的壽命對(duì)于提高硅光伏電池性能的作用。 對(duì)SOG-Si材料中的缺陷和雜質(zhì)及光伏電池制造過程中常用吸雜技術(shù)的吸雜機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。利用化學(xué)刻蝕法制備出了具有均勻良好表面形貌的PSL。重點(diǎn)研究了PSL吸雜方法及其在SOG-Si光伏電池中的應(yīng)用,在對(duì)PSL常規(guī)熱處理及恒溫磷吸雜方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,提出了新的吸雜方法——PSL短周期、間隔重復(fù)吸雜(SDIDG(PSL))及PSL連續(xù)變溫磷擴(kuò)散吸雜(CVTPDG(PSL))技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PSL在O2氣氛中的常規(guī)熱處理具有一定的吸雜效果,可以有效吸除SOG-Si近表面40μm以內(nèi)的雜質(zhì)；在O2氣氛中加入少量的含氯物質(zhì),會(huì)增強(qiáng)PSL的吸雜效果；PSL常規(guī)熱處理吸雜存在一飽和狀態(tài),超過此飽和狀態(tài)后,吸雜效果不再顯著；SDIDG(PSL)吸雜方法可以有效克服PSL常規(guī)熱處理吸雜存在飽和狀態(tài)的問題,吸雜周期為tl,重復(fù)吸雜次數(shù)為m的SDIDG(PSL)具有較相同吸雜溫度下吸雜時(shí)間為t=mt1的PSL常規(guī)熱處理吸雜更好的吸雜效果；利用PSL作為犧牲層在一定時(shí)間內(nèi)可以提高相同溫度下的磷吸雜效果；利用PSL作為犧牲層的常規(guī)恒溫磷吸雜(CTPDG(PSL))最優(yōu)吸雜條件為900℃/90min；CVTPDG(PSL)吸雜方法通過適當(dāng)減少高溫吸雜時(shí)間,改善了PSL在最優(yōu)條件下CTPDG(PSL)吸雜過程中高溫長(zhǎng)時(shí)間處理所造成的孔徑平均尺寸增大及表面粗糙度下降等限制吸雜效果提高的因素,并通過增加一低溫吸雜過程提高了雜質(zhì)在吸雜區(qū)與襯底之間的分凝系數(shù)。因此,一定條件下的CVTPDG(PSL)具有較最佳吸雜條件下的CTPDG(PSL)更顯著的吸雜效果。 通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)CVTPDG(PSL)的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并將優(yōu)化工藝參數(shù)下的CVTPDG(PSL)方法應(yīng)用于SOG-Si光伏電池的生產(chǎn)工藝中,改善了電池的性能。 首次將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于CVTPDG(PSL)工藝的分析中,建立了精度較高的基于BPNN的CVTPDG(PSL)吸雜效果預(yù)測(cè)模型,并對(duì)CVTPDG(PSL)的工藝參數(shù)靈敏度進(jìn)行了分析,為判斷各工藝參數(shù)的重要性,進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整估計(jì)提供了依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：太陽能級(jí)硅(SOG-Si) 多孔硅(PSL) 吸雜 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 能源危機(jī)與能源變革12-14
• 1.2 晶硅光伏電池的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀14-16
• 1.3 SOG-Si光伏電池中的常用吸雜工藝16-19
• 1.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在半導(dǎo)體材料及器件中的應(yīng)用現(xiàn)狀19-20
• 1.5 主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)20-21
• 參考文獻(xiàn)21-26
• 第二章 硅光伏電池的器件物理基礎(chǔ)26-42
• 2.1 半導(dǎo)體的能帶論和摻雜原理26-27
• 2.2 pn結(jié)的形成及其數(shù)學(xué)描述27-37
• 2.2.1 熱平衡態(tài)下的pn結(jié)27-30
• 2.2.2 基本方程30-32
• 2.2.3 外加電壓下的pn結(jié)32-35
• 2.2.4 光照下的pn結(jié)35-37
• 2.3 硅光伏電池特性表征37-40
• 2.3.1 pn結(jié)硅光伏電池的等效電路、伏安特性及輸出參數(shù)37-39
• 2.3.2 復(fù)合損失對(duì)于電池效率的影響39-40
• 2.4 小結(jié)40
• 參考文獻(xiàn)40-42
• 第三章 單結(jié)硅光伏電池光生電流密度的數(shù)值模擬42-60
• 3.1 太陽輻射光譜42-43
• 3.2 單結(jié)硅光伏電池光生電流密度的數(shù)值分析43-48
• 3.2.1 光生電流密度計(jì)算模型44-45
• 3.2.2 單結(jié)硅光伏電池光生電流密度推導(dǎo)45-48
• 3.3 硅光伏電池光生電流密度的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)48-58
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)方法48
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置48-50
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論50-56
• 3.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論56-58
• 3.4 小結(jié)58
• 參考文獻(xiàn)58-60
• 第四章 PSL吸雜及其在SOG-SI光伏電池中的應(yīng)用60-108
• 4.1 SOG-SI材料的缺陷和雜質(zhì)60-62
• 4.1.1 非金屬雜質(zhì)60-61
• 4.1.2 金屬雜質(zhì)61-62
• 4.2 吸雜機(jī)理62-65
• 4.2.1. 松弛吸雜63
• 4.2.2 分凝吸雜63-65
• 4.3 PSL刻蝕機(jī)理及制備65-75
• 4.3.1 PSL常用制備方法65
• 4.3.2 PSL化學(xué)刻蝕機(jī)理及形成過程65-68
• 4.3.3 各因素對(duì)PSL化學(xué)刻蝕特性的影響68-74
• 4.3.4 PSL的化學(xué)刻蝕制備與表征74-75
• 4.4 PSL吸雜實(shí)驗(yàn)75-78
• 4.4.1 PSL常規(guī)熱處理吸雜實(shí)驗(yàn)76
• 4.4.2 PSL短周期、間隔重復(fù)吸雜(SDIDG(PSL))76-77
• 4.4.3 PSL磷吸雜實(shí)驗(yàn)77-78
• 4.5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法78-79
• 4.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論79-92
• 4.6.1 PSL常規(guī)熱處理吸雜79-84
• 4.6.2 SDIDG(PSL)吸雜84-85
• 4.6.3 PSL-PDG85-92
• 4.7 多孔硅吸雜在光伏電池制造工藝中的應(yīng)用92-101
• 4.7.1 工藝流程92-100
• 4.7.2 電池性能分析100-101
• 4.8 小結(jié)101-102
• 參考文獻(xiàn)102-108
• 第五章 PSL吸雜工藝神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究108-133
• 5.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成108-111
• 5.1.1 神經(jīng)元模型108-110
• 5.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型110-111
• 5.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)111-118
• 5.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)模型111-112
• 5.2.2 BPNN學(xué)習(xí)算法112-117
• 5.2.3 BPNN訓(xùn)練與測(cè)試117-118
• 5.3 CVTPDG(PSL)吸雜效果預(yù)測(cè)BPNN模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)118-121
• 5.3.1 輸入層的設(shè)計(jì)118-119
• 5.3.2 輸出層的設(shè)計(jì)119
• 5.3.3 樣本的選擇119-120
• 5.3.4 隱層數(shù)及隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)120-121
• 5.3.5 CVTPDG(PSL)吸雜效果BPNN預(yù)測(cè)模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖121
• 5.4 CVTPDG(PSL)吸雜效果預(yù)測(cè)BPNN模型創(chuàng)建及驗(yàn)證121-131
• 5.4.1 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建121-122
• 5.4.2 初始權(quán)值的設(shè)計(jì)122
• 5.4.3 樣本數(shù)據(jù)的處理122-123
• 5.4.4 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練123-125
• 5.4.5 模型的仿真及測(cè)試驗(yàn)證125-127
• 5.4.6 參數(shù)的靈敏度分析127-131
• 5.5 小結(jié)131
• 參考文獻(xiàn)131-133
• 第六章 結(jié)論133-136
• 6.1 主要結(jié)論133-135
• 6.2 研究展望135-136
• 附錄 ERDA的標(biāo)準(zhǔn)光譜136-138
• 在學(xué)期間的研究成果138-139
• 致謝139

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