论文总字数：21872字

摘 要

提高铜铟镓硒（CIGSe）太阳能电池吸收层的光吸收是提高CIGSe太阳能电池的一条有效途径。与常规的导电氧化物材料如高阻铝掺杂氧化锌（AZO）相比，氢掺杂氧化铟（IOH）具有在1200 nm光波范围对光的寄生吸收更小，透过率更高的特性，所以将CIGSe太阳能电池导电层材料更换为IOH具有减少导电层寄生吸收，提高吸收层光吸收的可能性。

本文使用磁控溅射的方法，在玻璃基板上制备了IOH导电薄膜。使用传输矩阵法，提取了IOH导电薄膜的光学常数。对CIGSe太阳能电池的实验室构型和组件构型进行了模拟，通过比较导电层分别为IOH和AZO的CIGSe太阳能电池各层光损失情况，研究了高迁移率IOH导电薄膜对CIGSe太阳能电池光学性能的影响。

研究结果表明：IOH导电薄膜与同等厚度的常规导电层材料AZO薄膜相比，虽然降低了导电层对光的吸收，但由于同时IOH导电薄膜增加了对光的反射，使得其在导电层厚度较薄的实验室构型中不能提高吸收层吸收。但随着导电层厚度的增加，IOH导电薄膜在CIGSe太阳能电池的感兴趣光波段吸收小的优点使其在降低光损失方面展现了更大的优越性。在导电层厚度较厚的组件构型中，导电层更换成IOH薄膜后，吸收层光电流密度从33.85 mA/cm2上升到36.53 mA/ cm2，体现了高迁移率IOH导电薄膜在提高CIGSe太阳能电池吸收层有效吸收方面的极大价值。

关键词：铜铟镓硒薄膜太阳能电池；氢化氧化铟；寄生吸收；传输矩阵

Abstract

Improving the absorption layer of copper indium gallium selenium (CIGSe) solar cell is an effective way to improve the CIGSe solar cell. Compared with traditional conductive layer materials such as high-resistance aluminum-doped ZnO (AZO), the hydrogenated In₂O₃ (IOH) has less parasitic absorption and higher transmittance of light in the range of 1200 nm. Therefore, replacing CIGSe solar cell conductive layer material with IOH can reduce parasitic absorption of conductive layer and improve the possibility of absorption of the absorption layer.

A batch of IOH conductive films were prepared on a glass substrate by magnetron sputtering. The optical constants of IOH conductive films were extracted by the transfer matrix method. The laboratory and module configurations of CIGSe solar cells were simulated, and the effects of high mobility IOH conductive films on the optical performance of CIGSe solar cells were studied by comparing the light loss of each layer of CIGSe solar cells with IOH and AZO conductive layers, respectively.

The results show that, compared with AZO films of the same thickness, IOH conductive film can reduce the absorption of light by the conductive layer, but at the same time, it can't improve the absorption by the conductive layer in the laboratory configuration with a thin conductive layer, because IOH conductive film increases the reflection of light. However, with the increase of the conductive layer thickness, the advantages of the IOH conductive film in CIGSe solar cells in the interested light band of absorption of small advantages in reducing light loss showed greater advantages. In the module configuration with a thick conductive layer thickness, the photocurrent density of the absorption layer increased from 33.85 mA/cm2 to 36.53 mA/cm2 after the conductive layer was replaced with IOH film, which reflected the great value of the high mobility IOH conductive film in improving the effective absorption of the CIGSe solar cell absorption layer.

Key word: CIGSe thin film solar cell；IOH；Parasitic absorption; matrix transmission method

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光伏发电材料的分类与研究进展 1

1.2.1硅系光伏发电材料 1

1.2.2无机型光伏发电材料 2

1.2.3有机型光伏发电材料 2

1.2.4 新型光伏发电材料 2

1.3 CIGSe太阳能电池的结构与工作原理 2

1.3.1 玻璃衬底 3

1.3.2 Mo背电极 3

1.3.3 CIGSe吸收层 3

1.3.4 CdS缓冲层 4

1.3.5窗口层及导电层 4

1.3.6 CIGSe太阳能电池的工作原理 4

1.4 高迁移率IOH导电薄膜 5

1.5 本文的研究内容与技术路线 5

第2章 传输矩阵法 7

2.1 传输矩阵法的原理 7

2.2 软件介绍 8

第3章 IOH的制备及光学常数的提取 11

3.1 IOH薄膜的制备 11

3.2 IOH的电学常数 11

3.3 IOH光学常数的提取 11

第4章IOH和AZO对CIGSe太阳能电池光学性能的影响 14

4.1 CIGSe太阳能电池模型的建立 14

4.2 传统AZO导电层CIGSe太阳能电池光学模拟数据分析 15

4.3 高迁移率IOH导电薄膜对CIGSe太阳能电池的影响 16

4.4 AZO与IOH对CIGSe太阳能电池组件构型的影响 20

第5章 结论与展望 22

5.1 结论 22

5.2 展望 23

参考文献 24

致谢 26

附录 27

第1章 绪论

• 1. 引言

传统化石能源的广泛使用很大程度的推动了当代经济的发展。从某种角度来说，当前世界的经济是建立在化石能源基础之上的。但是，以石油，煤，天然气为主的传统化石能源属于非可再生资源，储量有限。据国际能源机构统计数据显示，全球煤炭储量可够开采约230年，天然气可够开采约61年，石油约45年^[1]。同时，化石能源的燃烧，也会释放CO₂, SO₂等气体，对人类和环境造成很大的危害。随着时代的发展，传统化石能源的消耗日益增加，各国面临着越发严重的环境恶化和能源危机问题^[2]。而缓解这一系列问题的有效途径之一就是大力开发如风能，水能，太阳能，地热能之类的可再生资源。

在当下社会，可再生资源对于满足能源需求、改善能源结构、应对环境压力、保证经济发展等方面具有重大意义。其中太阳能具有以下优点，具有很好的前景：（1）太阳能是清洁能源，不会对环境造成污染，且取之不尽用之不竭^[3]；（2）太阳能具有普遍性，世界各地都有太阳能，可以有效减少能源传输成本；（3）每年到达地球表面的太阳能相当于130万亿吨煤燃烧的能量，是目前总量最大的能源。由于太阳能有如此多的优点，所以如何合理利用太阳能成为当下研究的热点。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能转化为电能的技术，是当下太阳能的主要利用方式之一，具有很多优势：首先，光伏发电具有环境友好性和资源可持续性，光伏发电是利用太阳能发电，发电过程中不会产生对环境的污染；其次，光伏发电可适用范围广，不像用风能发电，水能发电一样对地理位置的选择具有极大的局限性^[4]；最后，光伏电站建设周期短，光伏组件运输方便，故障率低；诸多的优势使得光伏产业蓬勃发展。

• 1. 光伏发电材料的分类与研究进展

从1954年，美国科学家皮尔松在贝尔实验室制成了第一个具有实际应用价值的太阳能电池开始，这几十年里，诞生了许多种类的光伏发电材料，主要可以分为硅系光伏发电材料，无机型光伏发电材料，有机型光伏发电材料以及其它新型光伏发电材料。

1.2.1硅系光伏发电材料

单晶硅和多晶硅是目前主流的硅系光伏发电材料。

单晶硅是当下应用最为广泛，技术最为成熟的光伏发电材料。在实验室构型中，单晶硅太阳能电池最高转换效率高达24.7%（当下理论转化极限为28%）^[5]。在目前的工业生产和大规模应用中，单晶硅太阳能电池仍在光伏市场占据主导地位。但是由于生产单晶硅材料的成本高，且目前仍无可靠方法大幅降低单晶硅太阳能电池的造价，所以在高速发展的光伏产业市场需求下，多晶硅材料逐渐走入研究人员视野。

多晶硅材料的硅来源一般为低等级的半导体多晶硅，充足，廉价，无污染，具有很大的优越性。步入二十一世纪以来，伴随着浇铸技术的发展，多晶硅光伏电池的制作技术逐渐改良。目前，多晶硅电池的光电转换效率最高达到了20.3%（理论推算的极限值为23%），优良的性价比使其成为单晶硅材料很好的替代品。

1.2.2无机型光伏发电材料

III-IV 族化合物半导体光伏材料具有直接带隙和拥有较宽的太阳光吸收波段等优点，非常适合用于光伏发电材料，代表性材料如砷化镓，具有吸光能力强，温度系数小，抗辐照能力好等优点^[6]。

此外，铜铟镓硒（CIGSe）也是典型的无机型光伏发电材料。CIGSe是铜铟硒（CuInSe₂）和铜镓硒（CuGaSe₂）的混晶半导体。CIGSe薄膜可见光吸收系数高(~10^-5 cm^-1)^[7]，理论转化效率最高可达30%以上^[7]。近十年来，CIGSe太阳能电池得到了飞速的发展。2010年，ZSW研发出效率为20.3%^[8]的CIGSe太阳能电池。之后，随着碱金属掺杂即使的开发和优化，2017年，通过CIGSe吸收层的CsF沉积后处理工艺，电池效率达到了22.9%^[9]。2019年，Solar Frontier采用(Zn,Mg)O/Zn(O,S,OH)工艺使得电池转化效率达到23.35%^[10] 。

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