电气工程及其自动化毕业论文-CIGS太阳能电池的优化设计

CIGS太阳能电池的优化设计摘要爱因斯坦发现的光电效应是使太阳能转化为电能成为了可能，太阳能电池可以吸收照射在表面的光能，产生电子——空穴对。光生电子和空穴在内建电场的互相作用下产生排斥，不同符号的电荷聚集在电池的两端，这样就产生了“光生电压”。近年来兴起的CIGS太阳电池由于有着转换效率高、制造成本低、电池性能稳定三大突出的特点，成为当下研究最为热门的太阳能电池之一。首先用wxAMPS仿真软件仿真了低于一个太阳光强度下的CIGS层固定高掺杂太阳能电池的IV曲线，并将其中的数据：开路电压Voc，短路电流Jsc，填充因子FF，效率Effi，串联电阻Rs，并联电阻Rp都提取出来。然后用origin9.1画图软件将其与光照强度的关系画出来，分析曲线的变化情况，研究各个参数对CIGS太阳能电池效率的不同影响。结果发现，当其他条件保持一致时，CdS层高掺杂时，CIGS太阳电池的光电转换效率比低掺杂时更高；固定CIGS层比渐变层的太阳电池效率更高。关键词：CIGS太阳能电池效率优化

目录第一章绪论 第一章绪论1.1研究背景与意义能源是一个文明发展的必要条件，任何生物想要生存都需要能量。从人类统治食物链顶端依赖，人类文明的发展都离不开能源的发展。从一开始的自然能量，如钻木取火，节流灌溉等；到近代的蒸汽动力和石油能源。石油能源的开采使得人类的能源利用迈上了一个新的台阶，能源利用率相比于以前有了质的提升。使人类能够进行大规模的能源开发和利用，近现代的一系列科技发展都离不开石油能源的利用。原始人类利用火来取暖，照明，烹煮等等，这是最早的能源利用，将有机物中的能量利用起来，分解后产生无机物。绿色植物再将无机物转化为有机物，这些所有的能量均来自于太阳。太阳的能量孕育了地球上一切的生命，地球上经过了几十亿年的发展才通过光合作用将太阳能量有效的利用了起来。就连现在我们主要使用的化石燃料，也是几百万年甚至几十亿年前的植物和动物在经过地球环境巨变之后被埋到了地底，在高压和高温的条件下渐渐形成了今天的化石燃料，形式有石油，天然气等等。但是化石燃料的总量是有限的，总有一天会消耗殆尽，这是人类所必须面对的局面。随着社会科技的不断发展，人类生活品质的提高，人们对能源的需求量越来越大，化石燃料的使用已经出现危机。并且化石燃料的大量使用会对环境造成破坏，温室效应正在加剧，沙漠化越来越严重，这些都是人类无休止的开采和使用化石燃料的后果。寻求化石能源的替代品成为了燃眉之急。人们尝试了多种能源替代，有风能，水能，地热能，潮汐能，核能和太阳能等等。这些能源都是绿色无污染而且是取之不尽用之不竭的。风能的利用收到多种因素的限制，并且往往只有在特定气候地区才能使用，如经常刮风的地区。在我国内蒙古自治区已经建设了大规模的风力发电设备，可以进一步缓解东部地区的用电困难。水能也只能在有河流且流量较大的地区推广使用，目前最大的水力发电工程是我国的三峡工程。截止到2012年，三峡工程已经发电6291.4亿千瓦时，大大减轻了火力发电等方式对环境的破坏。地热能和潮汐能也都受到许多限制，并不能成为人类的主要能源。核能是非常有前景的新型能源，但是由于当前人类科技水平有限，到目前为止还很难大规模的普及推广核能源。并且世界上只有少数几个国家掌握了核发电站的技术，一旦核电站发生泄漏事故，将会对周围环境产生巨大破坏，比较著名的有俄罗斯的切尔诺贝利核电站，至今该地区周围都是危险辐射区，生物无法生存。2011年日本大地震破坏了福岛核电站，核泄漏导致大量周围居民患上了癌症等辐射病。核能是一把双刃剑，使用得当可以造福人类，但是如果使用不当，对人类的危害也是触目惊心的。核电目前只占据了人类使用能源的一小部分。想要使用核能来彻底代替化石燃料，还有很长的路要走。与核能相似的还有太阳能，可以说，地球上所有的能源都是来自于太阳。太阳每分钟向宇宙中发射出的巨大能量中只有二十二亿分之一照射到了地球上，即便如此，这些能量也足够地球上的生物繁衍生息，一直生存至今了。据科学家猜想，存在高级智慧生命创造的戴森球，将一颗恒星完全包裹起来，从而百分之百的利用该恒星辐射出的能量，2017年5月末，天文学家观测到了类似戴森球的星体。不过对于现阶段的人类科技水平来说，制造戴森球还差的很远。进入本世纪以来，工业发展迅速，人们生活质量提高，对能源的需求也越来越大，能源危机越来越严重，人们把目光转向了太阳能电池的研究。太阳能电池的优点除了有取之不尽用之不竭外，还不会对环境造成任何影响，是名副其实的绿色能源。而且可以将太阳能电池板安置在沙漠，屋顶等空旷地带，不占用人类生活空间。此外，太阳能电池还具有持续发电的优点，尤其是在光照充足的地区。光伏太阳能电池是利用光伏效应把太阳的光能直接的转变成为电能，其原理是光生伏特效应。当光照能量照射到太阳电池的表面，会使半导体中的PN结中产生电子空穴对，光子能量的吸收使得电子空穴对的复合时间延长，从而能够在内建电场的作用下向两级移动，这样就形成了电势差，在太阳电池的两级接上金属栅线，就可以利用由光能转化而来的电能了。太阳能电池有着无复杂部件、无转动部分、无噪音等的天然优势，各种高转化率的太阳能电池层出不穷，因此,清洁、可再生的新能源的应用已成为必然的趋势。在高光照的良好条件下，它的转换效率高达44.7%，这已经非常接近其他方式发电的效率了。经过多年的研究、技术开发,目前价格下降、性能提高,已经达到了应用普及的阶段。CISG薄膜太阳能电池由于其比较与其他太阳能电池的光谱吸收范围大，使用持续性好等等特点，是目前光电转换效率最高，普及推广最深远的薄膜电池，其优势有以下几个方面：（1）光吸收能力强。CIGS薄膜太阳能电池是根据上一代的铜铟硒研发而来的，通过改变Ga的百分比，现有技术已经能做到CIGS的禁带宽度在1.04-1.67eV的范围内不间断变化，以得到所需要的吸收层材料。（2）节省原料成本。CIGS材料可吸收的光谱范围非常的广，在同样的入射光谱光照条件下，CIGS太阳电池会有更多的光子吸收，从而转化出的电能也更多。而硅基薄膜只有厚度在大于200μm时才能发挥其应有的性能。但要达到相同的功效CIGS薄膜只需要2-4μm的厚度。（3）转换效率高。德国Manz集团制造的薄膜太阳能电池效率为21.7%，比多晶硅电池的转换效率高了1.3%。（4）持续工作稳定性好。西门子公司的CIGS电池在室外使用了7年，还是保持着很高的稳定性。最近几年，日本ShowaShell公司对11kw的CIGS电池方阵在室外做了长达三年的持续测试，最终发现CIGS组件的效率并无减小，从而其创造的价值很快就超过了制造设备的成本。（5）弱光下的转换效率降低不明显。在太阳光较弱的情况下，依然可以保持较高的光电转换效率，所以相比于其他电池有着更长的工作时间，使得CIGS薄膜电池可以应用到更多的实际工程当中。1.2CIGS太阳能电池发展历史及研究现状1.2.1发展历史：二十世纪70年代贝尔实验室的雪莉等人做了一系列实验来验证了三元黄铜矿半导体CIS的生长过程、导电性等等特性，并且研究了其用来制作光电探测器的功能。1974年，贝尔实验室的万格等人利用单晶ClS研制出了效率可观的太阳能电池，但是在工艺制备流程当中存在着许多问题，这制约了单晶ClS电池的后续发展。1976年，卡梅斯基等人研究设计并成功制备出了人类历史上第一个ClS薄膜太阳能电池。80年代初，波音实验室声称他们制备出了的高效CIS薄膜电池光电转换效率超过了9.4%。80年代期间，ARCO的研究人员发明了双步工艺，也就是金属预置层后硒化方法。具体做法是先溅射沉积Cu、In层，接着再在H２Se中快速退火反应生成CIS薄膜，用此种方法制备的太阳能电池转换效率也高达10%。1994年，瑞典皇家科学家研发出了大小仅为0.4cm²但是光电转换效率却高达17.6%的ClS薄膜电池。2008年，美国再生能源实验室（NREL）研究出了新一代CIGS电池，通常认为这一代便是当代CIGS太阳能电池的雏形。2010年，德国太阳能和氢能研究中心（ZSW）研发出的CIGS太阳能电池的光电转化效率有了质的飞跃。他们使用共蒸法所制备CIGS电池的光电转化效率达到了20.3%，用这种方法制作的CIGS薄膜电池的效率追上了当时仍旧占据大片市场的多晶硅太阳能电池的效率，两者的差距只有不到0.1%。1.2.2研究现状：2013年，瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）制备出了当时世界上最高光电转换效率的太阳能电池，也就是柔性沉底铜铟镓硒CIGS太阳能光伏电池，效率可达20.4%之高。考虑到生产成本以及实际工业技术的支持，在实际量产中的转换效率比实验室的数据低。2017年，CIGS太阳能薄膜电池组件已经成熟应用于大型地面电站，屋顶光伏电站，光伏建筑一体化项目等等。预计到2018年，CIGS太阳能电池将据有光伏产业40%以上的份额。然而，影响CIGS薄膜太阳能电池推广普及和大量生产的主要问题是，制备太阳电池的材料含有剧毒元素Cd及稀散元素In、Ga和Se。目前主要的工作是寻找新材料和新方法来解决有毒材料对人体的伤害，对环境的污染。1.3本文主要研究内容第一章介绍了课题研究的意义所在和研究的内容概括，主要介绍了CIGS太阳能电池的发展历程和研究现状。第二章先简单了解了CIGS太阳电池的特点、分类和构造，介绍了太阳能电池的等效电路模型，最后对太阳电池光能与电能之间的转化效率进行了说明。第三章介绍了CIGS太阳能电池的基本参数，太阳电池的等效电路模型和开路电压、短路电流、最大功率等特性参数，以及影响电池效率的几个主要因素。第四章通过wxAMPS软件仿真研究了CIGS太阳电池在低光照强度下的光电转换效率，以及光照强度对于CIGS太阳能电池的参数影响，并总结其变化规律，研究变化趋势的原因所在。使用origin9.1画图软件将之前仿真结果中提取的数据画图。分别画出在低光照强度下开路电压Voc，短路电流Jsc，填充因子FF，效率Effi，串联电阻Rs，并联电阻Rp等参数对太阳电池输出特性的影响。第五章总结与展望。第二章太阳能电池基本原理2.1CIGS薄膜太阳能电池结构及工作原理CIGS薄膜太阳能电池的基本组成由7层薄膜构成：从衬底到受光面依次是基板，然后是金属钼(Mo)背电极层，接下来是CIGS吸收层，50nm的硫化锌(ZnS)缓冲层，本征氧化锌(ZnO)层，厚度一般为50nm，0.5-1.5μm的透明电极和0.1μm的氟化镁(MgF2)薄膜减反射层。CIGS是最主要的吸光材料，本设计主要研究此层对电池效率的影响。上边几层主要起减少反射，增加入射光子等作用。近年来，CIGS太阳能电池的发展速度令人咂舌，出现了多种结构的CIGS电池，本设计研究的是单层固定CIGS，以及渐变CIGS层。光生载流子主要在p型半导体中生成，所以吸收层一般较厚；而ZnS则作为n型区，一般比较薄。图2.1CIGS太阳能电池结构示意图CIGS薄膜太阳能电池的基本工作原理为爱因斯坦提出的光电效应，其中最主要的部分是p-n结。其中，以CIGS薄膜作为P型区，以ZnS、i-ZnO、TCO薄膜共同构成n型区。CIGS太阳能电池中的p-n结归类为异质结，其形成原理主要是p型半导体CIGS薄膜的空穴与n型区半导体的电子发生扩散，留下来了受主离子，把这一空间称为空间电荷区。结果就是出现了一个静电场E，从n型区指向P型区，使得空穴与电子无法再继续相互扩散，产生动态平衡。该电场E称为内建场，内建场使得所产生的空穴-电子对有了互相排斥的作用力。同时，电场E会使得P型区的费米能级向上，n型区的费米能级向下，最后两者移动到同一数值，形成p-n结处在同一等级的准费米能级。p-n结的势差高度eVzp就是P型区和n型区的费来能级之差，开路电压即取决于此能级之差。当光子注入到其中时，如果光子的能量比CIGS薄膜禁带宽度要高的，那么光子将被吸收掉并产生空穴-电子对。在内建场中出现的空穴-电子对将会分离开来。电子会移至n型区，空穴会移至P型区，从而产生了光电流。CIS属于直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其带隙在1.02eV-2.7eV领域内变化，其中包含了整个可见太阳光谱。通过调整In/Ga含量之比可以让CIGS材料的带隙范围在1.0~l.7eV内变化，CIGS的带隙值可以由以下公式计算，（2.1）x是Ga的含量，b=0.15~0.24eV。当x=Ga/(Ga+In)<0.3时，随着x的增加，Eg增加，Voc也增加;x=0.3时CIGS的带隙为1.2eV;在x>0.3时，随着x的增加，Eg会减小，Voc也会减小。在x=0.28时，半导体材料有着最小程度的缺陷，电池效率最高。2.2太阳能电池分类迄今为止，人们已研究了100多种太阳能电池，由于种类繁多，可以有多种分类方法。按照基体材料分类，如图2.2所示：图2.2太阳电池的分类2.2.1硅太阳能电池硅太阳电池是指以硅作为基础材料的太阳能电池。目前太阳电池应用最多的材料就是硅，包括有以下三种电池：(1) 单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池是最先受到研究人员注意的太阳能电池，所以单晶硅材料应用的最为广泛。其基础构成是以单晶硅片作为基片。电阻率一般为1~3Ω/cm，厚度一般为200~300μm。单晶硅材料有很多都是由来自半导体工业的不合格品中得到，因此部分厂家制作太阳能电池的硅片厚度有0.5~0.7mm之厚，而这些硅片的性能也还是可以满足要求，用来制作太阳能电池也能够取得较高转化率的效果，并且一般能达到15%以上的转换效率，这也是为什么单晶硅太阳电池有如此之高的性能的原因。单晶硅太阳能电池转换效率很高，但是其缺点是大规模商业化成本相应也略高，制作工艺相对复杂。一般很少用于居民自用或者企业使用，在光伏电站应用较多，尤其是航空器电源和聚焦太阳能发电系统。(2) 多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池是用高纯硅制成的，是用熔化后浇铸成正方形的硅锭，切成薄片然后做成太阳能电池片，拉成单晶即为单晶硅太阳电池。多晶硅太阳能电池的表面不像单晶硅电池那样均匀一致，用肉眼不是很容易辨认。多晶硅片在晶粒界面(晶界)处的反射率较高，导致入射光子相比于单晶硅电池较少，因此大多数单晶硅太阳能电池的光电转换效率都要比多晶硅太阳能电池高，大规模生产的商业化成品的多晶硅电池的效率一般为13%~15%。另外，多晶硅太阳能电池的其他性质也不如单晶硅太阳能电池，比如电学、力学和光学性能的一致性等等。在多晶硅之中，通常会存在着高密度的缺陷以及晶界、位错、碳以及过渡金属铁之类的高浓度杂质。但其优点是制作成本要比后者偏低一些，且制作工艺相对简单，推广普及起来要容易得多。多晶硅太阳电池的电池片为正方片，其填充率可以达到较高的水平。由于生产工艺相对其他电池比较简单，用相对较低的成本就能生产出光电转化效率可观的太阳电池，所以使得多晶硅电池的推广和普及成为了可能，现如今多晶硅太阳能电池在商业化生产中拥有着最高的产量。多晶硅太阳能电池的性能非常稳定，光伏电站建设中多晶硅太阳电池的应用较多，比如屋顶光电系统等。由于不同晶体表面晶向不同，其散射强度不尽相同，多晶硅太阳能电池可产生不同的颜色。通过改变氮化硅减反射膜的厚度等，可使多晶硅太阳能电池呈现出不同的颜色，如金色、绿色等，根据此特点，多晶硅太阳能电池可以用来作为装饰效果，比如作为节日彩灯和建筑灯光使用。(3) 非晶硅太阳电池非晶硅电池一般具有PIN结构，非晶硅电池厚度较低，使得制造成本极为低廉，又因为其在较低温度下就可以分解沉积，制作时消耗能量少，可以大规模生产。但是，非晶硅电池材料有很多缺点，比如以悬键为代表的缺陷太多，导致非晶硅太阳电池在持续的光照条件下的效率会变为起初的四分之一，所以一般非晶硅电池的寿命都不会太长。还有就是材料的带隙较宽，载流子的复合几率大等问题，这导致了电池效率相对于其他太阳电池低了许多。非晶硅材料会引发光致衰减效应，所以其稳定性很低，还不能作为电力电源大量使用，是处于研发完善阶段的一种太阳电池。2.2.2无机化合物太阳电池化合物太阳电池是指用化合物半导体为主要材料制成的太阳电池，目前普及比较广泛的有以下几种：(1) 单晶化合物太阳电池单晶化合物太阳电池是指以单晶化合物半导体材料制成的太阳电池，主要是砷化镓(GaAs)太阳电池。砷化镓的能带间隙为1.4eV，制作成太阳能电池的性能非常优秀，是单结电池中效率最高的电池。但是砷化镓电池的生产成本一直居高不下，而且砷是对人体有害的元素，所以砷化镓太阳能电池的推广遇到了很大程度上的制约。(2) 多晶化合物太阳电池多晶化合物太阳电池可以分为很多种，目前比较有前景的主要有蹄化镉（CdTe）太阳电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳电池等。蹄化镉太阳电池是最先研发出的太阳电池之一，其制作过程简单，生产成本低廉，转换效率可以达到16%，远高于非晶硅电池。但是由于废弃电池中的镉元素会对环境造成长时间的持续污染，使其大规模生产受到限制。而近年来兴起的CIGS太阳能电池由于具有成本低廉、无衰减、产品易于实现与建筑一体化等优点，已有多家公司生产，如能进一步提高产品的质量和成品率，将会有很大的市场潜力。CISG薄膜太阳能电池由于其光谱吸收范围大，使用持续性好等等特点，是目前的热点研究方向。CIGS太阳电池只需几微米的厚度就可以发挥效用，而晶体硅电池需要几百微米的材料来达到相同的性能，节省了原料成本；光吸收能力强，CIGS太阳电池相较于其他电池可以吸收更多的入射光子，从根本上提高了转换效率；而且其稳定性好，使用寿命长，在民用，商用和军用方面都有良好的表现；弱光效应好，在大多数情况下，太阳能电池是无法完全收到充足的光照的，而CIGS太阳电池在低光照下仍然保持着较高的光电转化效率。这些优点都是其他太阳电池所没有的，所以CIGS太阳电池是当前发展未来最好的太阳电池。2.2.3有机化合物太阳电池电池的核心材料为有机化合物的太阳电池，有机物必须具有光敏特性才能作为太阳电池的材料。如有机PN结太阳能电池，有机肖特基太阳能电池等。但是由于核心材料是有机物，所以当电池温度达到较高时，有机化合物太阳电池的稳定性是目前仍需解决的一个问题。而且有机化合物太阳电池的寿命一般不会很长，由于易受潮，易分解等等原因会使电池结构被破坏，目前仍处于研究开发阶段。2.3太阳能电池构造图2.3太阳能电池发电原理及结构太阳电池通常是以P型Si为衬底，由于载流子浓度不同会发生扩散作用，这样就会使电子和空穴发生移动，在P型区和N型区交界处形成一个PN结，然后在N区上表面印刷正面栅电极，在P区背表面印刷Al背场及背电极，接通两电极对电流进行输出。当太阳光照射到太阳电池上，除去被反射掉和直接穿透电池的光子能量，能量较高的光子会被吸收。原本价带中的电子较低能量，吸收光子的能量后跃迁到导带上，即变为自由电子，而价带中就留下了空穴，可视为带正电，即产生电子—空穴对；自由电子和空穴会扩散到PN结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子移动到电池的N型一侧，空穴移动到电池的P型一侧，从而在电池的上下两面分别形成了正负电势差，从而实现了将光能转换为电能。在电池两侧接上用电器等形成回路，用电器中就会有“光生电流”通过。2.4太阳电池等效电路模型图2.4太阳电池等效电路图如图2.4所示，为一般太阳电池的等效电路。太阳电池转化为的电能相当于一个电流源，用一个二极管来代替太阳电池中的PN结，任何太阳电池都会存在的串联电阻RS，加上用来解释分流效应的并联电阻Rp，共同构成太阳电池等效电路，RL为可调节的外接负载。RS和Rp并不是Voc和Isc的决定性因素，要想提高太阳电池的转化效率，就要尽量的降低串联电阻，减少不必要的能量消耗；增加并联电阻，即减少漏电流。2.5本章小结本章首先简单介绍了太阳能电池的分类和基本结构，介绍了每种太阳电池的发展现况以及其优缺点。了解了CIGS太阳能电池的基本原理，接着研究了电池的I-V特性曲线，以及从微观角度分析了太阳电池的具体工作原理，加深了对太阳电池本质的理解。最后介绍了太阳电池的等效电路模型，从电学角度去分析太阳电池的构造与原理。第三章CIGS太阳电池效率影响因素3.1引言要想对CIGS薄膜太阳能电池进行软件效率仿真，就要明白其具体原理。从微观角度分析电子空穴对的产生、移动以及符合等过程，研究CdS层，ZnO层等材料性质对电池光电转化效率的影响，进而认识太阳电池的基本工作原理，探究能够使电池达到尽可能高的效率，来优化CIGS太阳电池的光电转换性能，稳定性以及相关结构等。3.2太阳能电池基本参数3.2.1太阳能电池基本方程太阳能电池的基本方程组为公式3.1~3.9，泊松方程描述了电荷在空间的分布情况，连续性方程描述了载流子的输运过程。泊松方程：(3.1)(3.2)(3.3)设偏压为V，边界条件为x=0与x=L时，有(3.4)(3.5)连续性方程：(3.6)(3.7)(3.8)(3.9)在以上9个公式中，n、R(x)、p、ND+、NA-、nt、pt等参量是可以直接测得的，然后将其带入连续性方程，就可以通过数值计算得到微观角度下的各个参数。3.2.2电子和空穴浓度在半导体PN结中，电子和空穴浓度分别为(3.10)(3.11)其中，F12是费米积分，值得注意的是，简并半导体和非简并半导体的费米积分不一样，在非简并情况下，满足玻尔兹曼分布统计，F3.2.3载流子产生与复合太阳能电池在光线照射下，单位时间内的通过器件材料的x处的单位面积上的光子数决定了光生载流子的产生率的大小。在光谱频率不变的情况下，光生载流子的产生率是和光子流密度成正相关的。光子流密度由三个因素所决定，首先最根本的影响因素是入射光的强度，入射光强度较高，那么会直接使电池板吸收的光子增加，光子流密度增加；第二，入射光分布，入射光的光谱频率分布会影响电池板吸收光子的效率，在一定程度上也会使光子流密度发生变化；第三，太阳能材料的自身性能，其稳定性，透光性，寿命，电学以及光学性质等等。其中光学性质的影响最大。计算的时候，需要事先给出光照强度、光谱范围以及入射光分布等参数。太阳能电池器件在不工作时内部载流子处于热平衡状态，开始工作后，平衡状态被打破。非平衡载流子的复合过程分为间接跃迁复合RD和直接跃迁复合R1。从而R(x)是：(3.12)RD(x)是：(3.13)R1(x)与分离杂质能级、连续杂质带、本征缺陷以及带隙中连续分布缺陷态相关。3.2.4杂质能级和杂质带缺陷在禁带当中的形式共分为两种，单一能级和连续的能带，此外，在禁带中的能级或能带亦有可能是多个，并且会具有一定的分布规律。比如掺杂杂质，禁带之中存在分离的杂质能级和连续杂质带，其公式为：(3.14)(3.15)公式3.12和3.13中的下标之中的dA、dD代表分离的杂质能级，而bA、bD则代表连续的杂质带。分离的杂质能级和连续的杂质能级都有很多个，具体计算可以使用以下公式：(3.16)(3.17)(3.18)(3.19)公式3.16~3.19中，fbD,i为连续施主杂质能级在E下失去一个电子而带正电的概率，也就是空穴浓度。fbA,j为连续受主杂质能级在能量E时得到一个电子从而带上负电的概率，也就是电子浓度。fdD,i为能量位于Ei时的分离施主杂质能级所失去一个电子的概率。f(3.20)(3.21)(3.22)(3.23)通过公式3.14~3.23，可以具体地计算出杂质能级和杂质带，从而能够从微观角度理解说明材料掺杂对电池效率的影响。靠近禁带中央的深能级所需电离能较大，但是作为有效的符合中心，可以促进非平衡载流子的复合，在太阳能电池的光电转换过程中起着重要作用。3.3太阳能电池转换效率影响因素3.3.1光学损失光学损失由电池的表面反射损失，接触处的栅线覆盖损失和透射损失构成。当光线照射到太阳电池的表面时，会发生光反射现象。携带能量的光子会有一部分被反射掉。未添加减反射膜的硅太阳能电池只能吸收全部光照的67.4%，也就是说有接近三分之一的光子能量无法顺利进入电池的吸收层。在接收层之上还有TCO透光导电层来增加入射光子，还有减反射膜等结构。现在已经有相当多的减反射膜可以减少反射增加入射光子，这是从根本上提高太阳电池光电转化效率的办法。还有就是由于太阳电池的正面有一部分面积会用来引出导线外接回路，这部分所使用的金属栅极会覆盖掉一部分面积，导致无法吸收光子，从而也影响了太阳电池的效率。如果能够大幅减小遮光损失面积，就可以直接提高入射光子数量，同时还降低了制作接触栅极银浆消耗，一举两得。太阳光谱覆盖的波段相当广泛，而肉眼能看到的也只有特定的一小段波长范围内的光，有大量的其他波长的光无法被人眼接受。同样的，太阳电池的接收层也只能接受特定光谱范围内的能量。一般来说波长大于1.1μm的光子能量大于Eg，而一个光子只能转化为一个电子，多余的能量会变成热能，这会降低少子的寿命和扩散长度，并且会使电池温度升高，不仅影响了光电转化效率，而且会使电池的稳定性降低。3.3.2电学损失电学损失分为半导体表面和体内的光生载流子复合损失以及半导体和金属导线的接触处的电阻损失。电学损失中最主要的是光生载流子的复合损失。由于扩散层浓度较高，会在前表面引入大量的复合中心，许多光生载流子会在进入接收层转化为电能之前就在电池表面附近被复合掉。由于两者之间的相互作用，会形成少数载流子的复合中心。这种复合中心会导致扩散的长度大幅度减小，从而造成太阳能电池的光电转换效率下降。而如果少数载流子的扩散长度太长，会在太阳电池的背表面产生大量复合中心，也会使光电转化效率降低。另一个原因是任何一个太阳电池都会存在的串联电阻。其主要来源是半导体材料的自身电阻，金属电极的电阻和接触电阻。降低串联电阻可以直接增大短路电流，从而提高光电转化效率。除此之外，串联电阻会导致电池发热，温度升高，更进一步降低电池效率，而且会降低太阳电池的稳定性。串联电阻对开路电压并无影响，只影响短路电流密度。串联电阻的增大将会导致太阳能电池的填充因子以及光电转换效率的降低。由于太阳能电池的功率输出由填充因子所决定，而最大输出功率与串联电阻相关，其关系满足：(3.24)并联电阻Rp的产生是由于P-N结的性能无法达到理想情况。实际上并联电阻是一个虚拟电阻，并不存在，是人们为了解释分流电阻而引入的一个概念。太阳电池的分流效应越严重，漏电流就越大，并联电阻就越小，光电转换效率就越低，并联电阻会造成结太阳电池的局部短路，在两级的边缘部分，并联电阻会从0开始一直增大，这会使开路电压发生变化，并联电阻对短路电流没有影响。3.4CIGS太阳能电池特性参数图3.2太阳电池I-V曲线3.4.1开路电压VOC外接电路断开时，电池的两端会产生一定的电势差，称为开路电压。其本质是电池两级的稳定点位之差，对于太阳电池来说，开路电压的大小会间接影响到最终的光电转化效率，所以提高开路电压是增加光电转化效率的方法之一。3.4.2短路电流ISC去掉外接负载，将太阳电池P区和N区接通形成回路，此时电路处于短路状态，通过其中的电流就成为短路电流。当有稳定光照时，电子经过外电路从N区流向P区，形成光电流，即为短路电流。影响短路电流的直接因素是串联电阻，在前文已有说明。3.4.3最大输出功率Pmax太阳电池工作时，其回路的电流和电压是随着负载电阻的变化而变化的。将工作电压和电流值在同一坐标系画出曲线，就得到太阳能电池的伏安特性曲线。工作电压乘以电流即为太阳能电池的功率，在曲线上的物理意义即为任一工作点上所对应的矩形面积大小。在这些点所对应的矩形中，必然存在着对应的面积最大的一点，该点就是最佳工作点Q，所对应的面积为输出最大功率，电压和电流分别称为最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im，即：(3.25)3.4.4填充因子FF填充因子定义为太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，即： (3.26)FF在太阳能电池中作为一个重要的评价标准，在外部条件均相同的情况下，FF越大，输出功率就越大。短路电流是IV曲线上纵坐标轴上的截距，而开路电压是横坐标的截距，理想情况下的FF应该为1，但是由于光学损失和电学损失，只能尽可能的接近1。FF曲线的物理意义就是曲线所围成的面积占两个坐标轴截距所构成的矩形面积的百分比。填充因子越大，曲线就越接近矩形，电池转换效率也越高。3.4.5光电转换效率η在太阳电池有光子进入吸收层时，输出功率与入射光功率之比称为太阳电池光电转换效率效率，可表达为： (3.27)其中，为电池面积，为单位面积上的入射光功率。由效率公式可以看出，提高电池效率的根本方法在于提高开填充因子。短路电流和开路电压随光照强度的变化都是正相关的，所以如果光照强度增加，那么FF必然增大，效率必然增加。3.4.6串联电阻Rs太阳电池的最终目的是发电带动负载工作，在传输过程中不可避免的会有电阻消耗，这部分电阻就是串联电阻。主要来源于电池两级和金属栅线接触处和半导体的自身电阻，在电学损失部分已有详细介绍，这里不再赘述。3.4.7并联电阻Rp并联电阻是一个虚拟电阻，其本身并不存在。是人们为了方便解释分流电阻的现象而引入的一个概念电阻。并联电阻反映的是太阳电池的漏电水平，并联电阻越大分流效应就越小，电池效率也就越高，所以要尽量使并联电阻越大越好。基体内杂质和微观缺陷都会导致并联电阻过小。3.5本章小结本章首先介绍了太阳能电池的基本参数，列出了参数计算所需要的基本方程和公式。接着从微观角度分析了电子空穴对的产生与复合，杂质对电池效率的影响。然后从光学损失和电学损失两方面详细介绍了太阳能电池效率的影响因素，为下一章的软件模拟仿真打下理论基础。在本章的最后，详细介绍了太阳能电池的特性参数，包括最大输出功率、短路电流、开路电压、填充因子、串联电阻、并联电阻以及光电转换效率七部分。我们仿真所提取的主要参数也是这些，并主要从串联电阻和并联电阻角度研究提升太阳电池光电转化效率的方法。第四章CIGS薄膜太阳能电池软件模拟与分析4.1太阳能电池模拟软件WXAMPS图4.1WXAMPS主界面如图4.1所示，WXAMPS是一款太阳能电池的模拟软件，功能强大，该软件几乎可以调整太阳电池测试的所有参数，从而得到最优参数优化不同材料的太阳电池。该软件继承AMPS的原创者的理论基础以及技巧，在原软件的基础上又增加了许多功能。可以利用该软件来探索更薄的CIGS太阳能电池的可行性，以及高转换效率的接收层。在图4.2所示的材料参数设置界面可以改变材料的能带，掺杂，厚度等等一系列参数，来仿真出最高光电转化效率所需的参数。图4.2太阳能电池材料选择界面CIGS薄膜太阳能电池的模拟与分析：图4.3CIGS太阳电池结构表4.1仿真时所使用的材料参数：ZnO层CdS层CIGS层Permittivity91013.6Eg（eV）5Affinity（eV）Nc（cm-3）2.2×10182.2×10182.2×1018Nv（cm-3）1.8×10191.8×10191.8×1019μc（cm2/Vs）100100100μp（cm2/Vs）252525Nd（cm-3）10181.1×10180Na（cm-3）002×1016按照表4-1中给出的三层材料的各项参数设置WXAMPS中的参数，ZnO层的厚度为0.2um，CdS层的厚度为0.05um，CIGS层的厚度为3um。然后进行仿真，观察并分析实验结果。得到CIGS的I-V特性曲线，开路电压，填充因子，串并联电阻等等参数的曲线。4.2CIGS层固定太阳电池CdS层高掺杂模拟本论文主要研究的是低光照强度下太阳能电池的优化，所以光照强度变化从1倍太阳光开始，每减少0.1倍的光照强度仿真一次，一直到0.1倍太阳光为止。根据仿真结果提取数据如表4.2所示：表4.2仿真结果数据VocJscFFEffiRpRs1倍太阳光0.641836.477679.441218.5994706.70.012910.9倍太阳光0.638832.826579.385018.4958784.40.014250.8倍太阳光0.635429.175979.318718.3801881.50.17110.7倍太阳光0.631625.525879.230918.246710060.0011450.6倍太阳光0.627121.876379.135518.094511720.29250.5倍太阳光0.621918.227479.002417.911414050.29730.4倍太阳光0.615514.579278.833217.6857517530.32230.3倍太阳光0.670310.931978.590117.391323330.40710.2倍太阳光0.59517.285778.273516.96834921.5890.1倍太阳光0.57553.641177.232916.18469641.0401根据表格4.2中的数据用origin9.1软件画图结果如下：（1）JV特性曲线图4.4CIGS太阳能电池的J-V特性曲线由图4.4明显可见，在室温条件下，给予低光照条件，CIGS太阳能电池具有良好的整流特性，反向电流明显饱和，开路电压大概在0.6355V，短路电流密度大概在36.4776mA/cm2。图4.5不同光照强度下电压与电流密度的关系在图4.5中，从上到下依次是1~0.1倍的太阳光下的数据，可以看出，随着光照强度不断减小，短路电流和开路电压也是不断变小的。在电流计算公式：（4.1）当V=0时，可得到，也就是光照强度越小，光生电流也就越小，所以短路电流也就越小。随着光照强度的减小，可以看出Voc也是减小的。Voc的计算公式如下：（4.2）公式中Voc和Jsc的对数是成正比关系的，所以Voc光照强度越小，开路电压和短路电流相应地也就越小，导致填充因子越小，所以太阳能电池效率也越低。如果能够大幅提高光照强度，那么毫无疑问地太阳能电池的效率将得到提升。这是优化CIGS太阳能电池的根本途径之一。（2）开路电压V图4.6不同光照强度下Voc的变化情况从图上可以看出，随着光照强度不断减小，Voc从一个太阳光强度时的0.642V开始下降，起先缓慢下降，当光照强度下降到0.4倍的太阳光强度时下降趋势变陡，光照强度为0.1倍的太阳光时，Voc已经降到了0.576V。总体来看Voc(4.3)分析公式可以得知Voc和光照强度Eirra成对数关系，正如上图中的曲线变化趋势，随着光照强度的减小，V从微观角度来看，光照强度的减小直接导致了太阳电池所接收的光子流减少，CIGS接收层可以利用的能量减少，激发到导带的自由电子减少，从而产生的电子空穴对减少，直接使开路电压减小。（3）短路电流J图4.7不同光照强度下短路电流密度的变化情况从图4.7可以看出，短路电流密度Jsc随着光照强度的降低几乎成线性降低。由公式4.2可知Voc和Jsc的对数成正比，在图4.6中得出的结论是Voc随光照强度的减小成对数趋势下降，那么Jsc（4.4）除此之外，还可以用Jsc（4.5）由公式可以看出Jsc和光照强度Eirra（4）填充因子FF图4.8不同光照强度下的填充因子由图4.8可知，填充因子随光照强度的减小几乎也是成对数趋势下降的。FF的计算公式为（4.6）而Voc和Jsc又受串并联电阻的影响,所以FF主要取决于串联电阻Rs和并联电阻Rp。串联电阻增大时，短路电流就越小，填充因子也随之越小；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。根据前面的介绍，太阳能电池的效率和填充因子有着很大关系，填充因子越大，效率也就越高，所以，如果能够提高太阳能电池的填充因子，也就提高了太阳能电池的光电转化效率。FF与入射光强度、串联电阻、并联电阻及反向饱和电流密切相关。（5）电池效率E图4.9不同光照强度下的太阳能电池效率太阳能电池的效率计算公式为（4.7）公式中，A为太阳能电池板面积，Pin为单位面积入射光功率。可以看出太阳能电池的效率变化主要是由于Voc和FF的变化。而Voc和一般来说，在早上，阴天，傍晚等光照不够充足的时候，太阳电池的光电转化效率会有所下降。但是从图4.9可以看出，只有当光照强度下降到0.3倍的标准太阳光强时，CIGS太阳电池的效率才会有较大下降。即便是光照强度只有0.1倍的标准太阳光强，CIGS太阳电池的效率也仅仅比充足光照时降低了不到三个百分点。所以，在低光强下，CIGS太阳电池相比于其他材料的太阳电池有着更高的转换效率，不会因为光照强度的下降剧烈就大幅降低光电转化效率。其稳定性也比一般太阳电池要好。（6）串联电阻Rs图4.10不同光照强度下的串联电阻串联电阻是任何太阳电池都会存在的，它会消耗太阳电池本来就转化不多的电能，减小串联电阻是提高转换效率的直接方法。从图4.10中可以看出串联电阻随着光照强度的减小总体上是呈指数增加趋势的，红色曲线为拟合曲线，这是由于串联电阻与效率大致呈近似指数增加关系，而太阳能电池的效率是随着光照强度的减小而减小的，所以随着光照强度的减小，串联电阻呈指数增加。串联电阻只会减小短路电流，对开路电压没有影响。反过来，光生电流越大，反向饱和电流也就越大，电池效率也越高。一般太阳电池的串联电阻都是小于1Ω的。从图4.10还可以看出，在充足的太阳光照下，串联电阻的大小几乎为零，接近于理性情况。当光照强度下降到0.3倍的标准太阳光强时，串联电阻只增加了0.5Ω，对填充因子和电池的转换效率影响极小，所以可以得出结论，在低光强下，CIGS太阳电池的串联电阻增加极小，对光电转化效率的减小微乎其微。（7）并联电阻Rp图4.11不同光照强度下的并联电阻并联电阻随光照强度的减小是成指数增加的，我们希望并联电阻越大越好。从图4.11可以看出，并联电阻的变化幅度很大，从1倍太阳光强度时的785Ω·cm²增加到了0.1倍太阳光强度时的6985Ω·cm²。并联电阻反映了太阳电池的漏电情况，并联电阻越大，则开路电压越大，漏电越少，太阳电池的光电转化效率也就越高。并联电阻对短路电流并没有影响。从图4.11上看，并联电阻和串联电阻的变化是相同的，都是随着光照强度降低而增加。但是我们要尽量减小串联电阻，尽量增大并联电阻，以尽可能增大填充因子。这两者之间是相互制约的，只有调整参数使得两者的总影响最低，才能达到最高的光电转化效率。4.3CIGS层固定太阳电池CdS层低掺杂模拟接下来，将CdS层的掺杂由1.1e18改为1.1e16后，大幅增大了串联电阻，其他参数不变。光照强度变化从1倍太阳光开始，每减少0.1倍的光照强度仿真一次，一直到0.1倍太阳光为止。根据仿真结果提取数据如下表所示：表4.3仿真结果数据：VocJscFFEffiRpRs1倍太阳光0.643638.196673.756618.1327478.20.36990.9倍太阳光0.640534.356173.743918.0315526.70.12750.8倍太阳光0.637130.518173.722617.9167587.30.65370.7倍太阳光0.633226.682973.683317.784665.10.49930.6倍太阳光0.628722.851173.620417.6278768.90.56620.5倍太阳光0.623419.023373.541017.4432914.30.66280.4倍太阳光0.617015.200473.412017.221511321.220.3倍太阳光0.608711.383573.167716.898314961.040.2倍太阳光0.59677.574472.749516.440522213.6120.1倍太阳光0.57673.776171.944415.66643814.479（1）开路电压V图4.12不同掺杂的CIGS太阳电池开路电压比较改变CdS层的掺杂后，对Voc整体影响不是很大。可以看出，掺杂较大时太阳能电池的开路电压相比于原掺杂时略微降低。这是由于作为缓冲层的CdS层掺杂浓度增加后，在相同的光照条件下，产生的光生载流子增加，相应的电子空穴对增加，增强了内建电场，使得开路电压也增加。掺杂较大时有利于电子和空穴的扩散，延长复合时间，提高并联电阻和开路电压，从而提升了CIGS（2）短路电流J图4.13不同掺杂的CIGS太阳电池短路电流比较从图4.13可以看出减小掺杂后短路电流随着光照强度的变化都略微增大了一点，也是由于减少了光生载流子，使空间电荷区变窄，增加了串联电阻，使得短路电流也有所减小。这些微小的变化对CIGS太阳能电池效率的影响几乎可以忽略不计。（3）填充因子FF图4.14不同掺杂的CIGS太阳电池填充因子比较可以看出，掺杂较小时填充因子随光照强度的整体变化还是成对数关系的，即FF随着光照强度的减小成对数趋势减小。从图上还可以看出，掺杂较大时CIGS太阳能电池的效率整体上都要比掺杂较小时要高，大概高出了5~6个百分点。从图4.12和4.13可以得知，掺杂浓度较小时的开路电压和短路电流都较小，所以其乘积填充因子也有所减小。（4）效率E图4.15不同掺杂的CIGS太阳电池效率比较从图4.15可以看出，掺杂较小时太阳能电池的效率整体变化还是呈对数关系，即太阳能电池的效率随着光照强度的下降呈对数趋势下降。但对比掺杂较大的效率曲线来看，太阳能电池的效率整体都变低了。在其他条件均相同时，CdS层掺杂较大的CIGS太阳能电池效率要比掺杂较小的更高。设置参数时，将掺杂浓度减小了2个数量级，而效率大约降低了1个百分点。对于转换效率本就不高的太阳电池来说，尽量使缓冲层和接收层产生的光生载流子增加是非常重要的。掺杂浓度较高的缓冲层可以产生更大的开路电压，直接提高太阳电池的光电转化效率。（5）串联电阻Rs图4.16不同掺杂的CIGS太阳电池串联电阻比较从图4.16中可以看出掺杂较小时串联电阻随光照强度的减小有明显的增加，而且相比于掺杂较大时的趋势，变化趋势更加陡峭，当光照强度下降剧烈的时候，串联电阻的增加相当明显，对电池效率的影响巨大。掺杂较大时的情况前面已经分析，也是随光照强度减小而增加。增大掺杂可以有效的降低串联电阻，增加反向饱和电流，从而提高太阳电池的效率。（6）并联电阻Rp图4.17不同掺杂的CIGS太阳电池并联电阻比较从图4.17可以看出，两条曲线都是随着光照强度的减小而增加的，且大致呈指数趋势。但掺杂较小时太阳能电池的并联电阻Rp整体上要小于掺杂较大时的太阳能电池。并且光照强度降低的越多，掺杂较小时的并联电阻相比于掺杂较大时也下降的越多，也就是说在低光照强度下掺杂较大的CdS缓冲层有着更好的表现。4.4CIGS层渐变太阳电池CdS层高掺杂模拟完成上述工作之后，将太阳能电池的CIGS层换成了渐变CIGS层，其他参数与第一次仿真时均保持相同，只有渐变CIGS层的每一层能带和功函数不同。下表是由渐变CIGS层提取出的每一层的不同的能带数据Eg：表4.4渐变CIGS1~50层的能带：123456789101~101.16061.16061.16061.16061.16061.16061.16061.16061.16181.163211~201.16461.1661.16871.17161.17441.17761.18341.18921.19491.202921~301.21661.23031.24391.26091.28221.30351.32481.3451.36441.383931~401.40341.42091.43781.45471.47161.48391.49561.50741.51891.52741~501.5351.54311.55071.55691.563 1.56921.57461.57871.58291.587图4.18渐变CIGS层的能带变化情况由图4.18可以看出，渐变CIGS层的能带从1层到50层是渐渐增加的。光照强度变化从1倍太阳光开始，每减少0.1倍的光照强度仿真一次，一直到0.1倍太阳光为止。根据仿真结果提取数据如下表所示：表4.5仿真结果数据：VocJscFFEffiRpRs1倍太阳光0.688430.161663.242613.130916712.840.9倍太阳光0.685627.136963.438913.1142185.914.810.8倍太阳光0.682524.113563.656213.0951209.816.120.7倍太阳光0.679021.091563.895813.0718240.518.480.6倍太阳光0.674918.071264.166713.0436281.721.630.5倍太阳光0.670115.052664.478913.008339.70.12780.4倍太阳光0.664212.036164.847212.9605427.30.74750.3倍太阳光0.65669.022065.302612.894547.50.13160.2倍太阳光0.65586.010765.892512.789871.80.26120.1倍太阳光0.62743.002966.766912.57817740.2304（1）开路电压Voc图4.19渐变CIGS与固定CIGS开路电压的比较CIGS层变为渐变层后，Voc随光照强度变化的总体趋势并没有发生改变，仍然是大致呈对数趋势变化。但每一个光照强度对应下的开路电压都有所降低，降幅大概为0.052V（2）短路电流J图4.20渐变CIGS与固定CIGS短路电流的比较CIGS层变为渐变层后，Jsc随光照强度变化的总体趋势并没有发生改变，仍然是大致呈正比关系。但每一个光照强度对应下的短路电流都有所增加。由于Voc和（3）填充因子FF图4.21渐变CIGS与固定CIGS填充因子的比较渐变CIGS相比于固定CIGS太阳能电池的填充因子下降明显，降幅在9~12个百分点左右。因为开路电压和短路电流均有所下降，填充因子也必然降低。4）效率E图4.22渐变CIGS与固定CIGS效率的比较从图上看出，渐变CIGS层太阳能电池比固定层的电池效率低了4~9个百分点。即便如此，在若光强下CIGS材料的吸收系数依旧变化不大，在由一个标准太阳光强下降到0.1倍的太阳光强后，其光电转化效率也只是下降了不到1个百分点，充分证明了CIGS太阳电池在弱光条件下的优良性能。所以在其他条件均相同时，想要优化CIGS太阳能电池，可以采用固定层CIGS，而不是渐变层。从微观角度来看，渐变层的能带从1.1606增加到1.578，在光照射到太阳电池的表面时，光子的能量被吸收从而产生电子空穴对，形成的内建电场要比固定层的CIGS弱，电子和空穴在电场作用下复合时间的延长程度不够，使得电子和空穴还未移动到电池两端形成电势差就已经复合消失，使光电转化效率降低。（5）串联电阻Rs图4.23渐变CIGS与固定CIGS串联电阻的比较从图4.23来看，光照强度在0.4倍的标准太阳光以上时，渐变CIGS电池的串联电阻要更高，而在低于0.4倍太阳光时，固定CIGS电池更高。并且渐变CIGS电池的串联电阻随光照强度的降低大致成正比例升高。但是结合前面的电池效率对比来看，串联电阻的变化在效率整体变化趋势上并没有产生太大的影响。通过第三章的介绍，串联电阻是越小越好的，所以固定层CIGS要比渐变层性能更好。（6）并联电阻Rp图4.24渐变CIGS与固定CIGS并联电阻的比较从图4.24可以得知，将固定层CIGS换为渐变层后，并联电阻整体增加，也就是说，分流效应整体明显，漏电流增加，使得转化出的电能不必要的浪费在了导线等无用功上。对于CIGS太阳能电池来说，并联电阻是越大越好的，所以渐变层CIGS不如固定层的太阳电池性能好。4.5本章小结在本章中，使用WXAMPS软件在低光强条件下做了大量的仿真实验来探究CIGS太阳能电池的优化方法。并将仿真数据提取出来，使用origin9.1画图软件将各个参数的变化趋势画出来以便更加直观的得出结论。共研究了三种情况CIGS电池的效率变化，分别是CIGS层固定CdS层高掺杂；CIGS层固定CdS层低掺杂；CIGS层渐变CdS层高掺杂。最终发现，对于CIGS太阳电池，其他条件均相同，CdS层掺杂较大时效率较高，CIGS层固定时效率较高。第五章总结与展