銅銦鎵硒薄膜太陽電池的器件仿真.pdf

1、銅銦鎵硒[Cu(In，Ga)Se2，簡(jiǎn)稱CIGS]光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率為目前薄膜太陽電池之首，以其優(yōu)良的器件性能和巨大的商業(yè)前景，是目前光伏學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，也是產(chǎn)業(yè)界最為關(guān)注的新型高效低成本的太陽電池。由于CIGS電池的吸收層是由四種元素構(gòu)成的復(fù)雜化合物，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)又涉及復(fù)雜的界面態(tài)與隧穿機(jī)制，因此CIGS電池的內(nèi)部器件機(jī)理復(fù)雜，尚有許多課題有待于進(jìn)一步研究。器件模擬仿真作為一種有效的理論分析方法，已成為高性能太陽電池研究的重要手段

2、。
　　 以往的太陽電池模擬軟件在應(yīng)用于CIGS薄膜太陽電池的仿真研究時(shí)，由于存在各自的功能局限，不能很好地滿足日益發(fā)展的CIGS電池理論研究需要。為了更深入地開展CIGS電池中相關(guān)課題的仿真研究，本論文在研究CIGS電池器件物理的基礎(chǔ)之上，通過改進(jìn)一款在國(guó)際光伏界流行多年的薄膜太陽電池模擬軟件AMPS，從而更有針對(duì)性地對(duì)CIGS電池特有的一些性質(zhì)進(jìn)行仿真研究。改進(jìn)后的軟件程序命名為wxAMPS并已發(fā)布，供全球光伏界的研究者免費(fèi)

3、下載使用。
　　 模擬軟件的改進(jìn)工作涉及到眾多的理論知識(shí)，包括半導(dǎo)體器件物理與數(shù)值模擬技術(shù)等。而且只有深刻理解了太陽電池載流子輸運(yùn)機(jī)理、缺陷導(dǎo)電機(jī)理等理論，才能有效地借助器件仿真工具，對(duì)CIGS電池的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行深入地模擬，并正確解釋模擬結(jié)果背后的原因，從而指導(dǎo)并促進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究。因此本論文在前面章節(jié)重點(diǎn)闡述了CIGS電池仿真中所涉及的器件物理理論與數(shù)值模擬方法。
　　 本論文首先在第一章介紹了CIGS電池理論研究的前沿進(jìn)展

4、，匯總了目前流行的各太陽電池模擬軟件，并比較了各軟件之間的特點(diǎn)，解釋了為何選擇在軟件AMPS的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)與升級(jí)。第二章詳細(xì)講解了太陽電池通用的器件物理理論。根據(jù)半導(dǎo)體物理分析PN結(jié)時(shí)所用到的準(zhǔn)中性區(qū)近似，使用解析方法推導(dǎo)了同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)太陽電池的亮、暗態(tài)電流電壓特性，并介紹了電池串、并聯(lián)電阻對(duì)器件性能的影響及不同的擬合方法。第三章將解析模型的分析方法，應(yīng)用于CIGS電池中一些器件特性的探討，研究了CIGS電池開路電壓、品質(zhì)因子同溫度

5、的關(guān)系，飽和電流激活能與CIGS禁帶寬度的聯(lián)系，CdS/CIGS異質(zhì)結(jié)界面的費(fèi)米能級(jí)釘扎現(xiàn)象，與缺陷輔助隧穿電流、CIGS吸收層中Ga的背梯度等物理機(jī)制對(duì)電池性能的影響。
　　 因?yàn)榻馕瞿Ｐ托枰⒃谝欢ǖ募僭O(shè)與簡(jiǎn)化條件基礎(chǔ)上，才能獲得閉合的解析解，對(duì)問題進(jìn)行分析。而考慮更復(fù)雜的器件機(jī)制時(shí)，這些假設(shè)與簡(jiǎn)化條件不一定滿足，此時(shí)更精確的器件模擬需要用到數(shù)值分析技術(shù)。本論文第四章詳細(xì)研究了使用數(shù)值方法進(jìn)行太陽電池模擬過程中所涉及到的物

6、理模型、仿真思路與具體實(shí)現(xiàn)過程。系統(tǒng)闡述了薄膜太陽電池中的缺陷機(jī)理與各種缺陷態(tài)的數(shù)值處理方法，其中包括離散分布、帶狀分布、高斯分布的受主型或施主型缺陷態(tài)，帶尾態(tài)及中間態(tài)，和軟件AMPS中尚未考慮的兩性缺陷態(tài)。研究了異質(zhì)結(jié)太陽電池中更復(fù)雜的隧穿機(jī)制，如帶間隧穿電流、缺陷輔助隧穿電流，并對(duì)模擬軟件中用到的不同光學(xué)模型予以了說明和比較。
　　 通過研究薄膜太陽電池模擬的基礎(chǔ)理論，與結(jié)合CIGS電池仿真的具體需要，軟件wxAMPS彌補(bǔ)了

7、原軟件AMPS未考慮隧穿電流影響的不足，添加了兩種隧穿電流模型，使程序可以更好地分析薄膜太陽電池中的物理機(jī)制；并結(jié)合牛頓迭代法、Gummel迭代法的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了模型的求解算法，提高了程序的穩(wěn)定性與算法的收斂能力。軟件還可以模擬材料參數(shù)的任意梯度分布對(duì)器件性能的影響。
　　 第五章通過使用軟件wxAMPS，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于CIGS電池的機(jī)理研究，并結(jié)合前人的實(shí)驗(yàn)研究成果，揭示所觀察到的宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的微觀物理機(jī)制。本章模擬分

8、析了CIGS吸收層的載流子濃度、厚度對(duì)電池性能的影響，研究了CIGS電池在低溫、弱光下的器件響應(yīng)，并通過解析模型解釋了模擬結(jié)果背后的原因。依靠仿真建立的模型發(fā)現(xiàn)，對(duì)于CIGS電池在低于300 K時(shí)串聯(lián)電阻隨溫度降低而非線性快速增加的現(xiàn)象，是由于CdS/CIGS界面處的勢(shì)壘影響所致，并由此對(duì)學(xué)術(shù)界在這問題上的爭(zhēng)論提出了新的觀點(diǎn)和理論解釋。本章中還研究出了一種新的仿真方法，可以分析任意Ga梯度對(duì)電池性能的影響。結(jié)合實(shí)測(cè)的Ga梯度數(shù)據(jù)，生成與