超薄铜铟镓硒（CuInGaSe2）太阳能电池的光损失分析毕业论文

2020-02-14 13:43:50

摘要

铜铟镓硒薄膜太阳能电池（简称CIGSe），在目前的二代太阳能电池中具有较高的稳定性和转换效率，抗辐射能力高等优点，其实验室效率高达22.9%，是目前薄膜太阳能电池中产业化成熟度最高的。但是CIGSe太阳能电池也消耗大量的稀有元素In，Ga，大规模生产可能会增加其制造成本，降低其市场竞争力。其中一个简单的解决方法就是将电池吸收层厚度从传统的2-3降低到500 nm一下，以达到减少In,Ga原材料的消耗的目的。但同时会造成太阳能电池光吸收不足的问题，导致电池效率的降低。

本文借助软件RefDex对CIGSe薄膜太阳能电池进行模拟，以期找出CIGSe薄膜太阳能电池光损失的原因。首先通过模拟得到CIGSe薄膜太阳能电池结构中各层的光学性能，与一系列不同CIGSe吸收层厚度的电池进行对比，找出了超薄CIGSe太阳能电池的光损失源，背接触层Mo。找到光损失源后希望通过替换背接触层Mo来提高超薄CIGSe薄膜太阳能电池的效率。

研究结果表明：超薄CIGSe薄膜太阳能电池的光损失源是背接触层Mo，由于Mo较高的光吸收率产生寄生吸收，考虑利用Ag替换背接触层。但是由于Ag在CIGSe薄膜太阳能电池制备时有困难，转而采用ITO/Glass/Ag结构来替换。经过替换后超薄CIGSe薄膜太阳能电池的效率得到提升。背接触层的损失降低，反射的损失提高，这就需要进一步研究。

本文的特色：从光学角度分析超薄CIGSe太阳能电池的光损失并提出了一种有效降低光损失的可行方案。

关键词：寄生吸收；背电极；矩阵传输法；铜铟镓硒薄膜太阳能电池

Abstract

Copper indium gallium selenide thin film solar cell (referred to as CIGSe) has high stability and conversion efficiency and high radiation resistance in the current second generation solar cell. Its laboratory efficiency is as high as 22.9%, which is currently in thin film solar cells. Industrialization has the highest maturity. However, CIGSe solar cells also consume a large amount of rare elements In, Ga, which may increase their manufacturing costs and reduce their market competitiveness. One of the simple solutions is to reduce the thickness of the battery absorption layer from the traditional 2-3 to 500 nm to reduce the consumption of In, Ga raw materials. However, at the same time, the problem of insufficient light absorption of the solar cell is caused, resulting in a decrease in battery efficiency.

In this paper, the CIGSe thin-film solar cell is simulated with the software RefDex, in order to find out the cause of the light loss of the CIGSe thin-film solar cell. Firstly, the optical properties of the layers in the CIGSe thin-film solar cell structure were obtained by simulation. Compared with a series of different CIGSe absorber layer thicknesses, the optical loss source and back contact layer Mo of the ultra-thin CIGSe solar cell were found. After finding the source of light loss, it is desirable to improve the efficiency of the ultra-thin CIGSe thin film solar cell by replacing the back contact layer Mo.

The results show that the light loss source of the ultra-thin CIGSe thin-film solar cell is the back contact layer Mo. Due to the high light absorption rate of Mo, parasitic absorption is considered. It is considered to replace the back contact layer with Ag. However, due to the difficulty in the preparation of CIGSe thin film solar cells, Ag was replaced by ITO/Glass/Ag structure. After replacement, the efficiency of ultra-thin CIGSe thin-film solar cells has been improved. The loss of the back contact layer is reduced and the loss of reflection is increased, which requires further investigation.

The characteristics of this paper: From the optical point of view, the optical loss of ultra-thin CIGSe solar cells is analyzed and a feasible scheme to effectively reduce the light loss is proposed.

Key Words：Parasitic absorption; back electrode; matrix transmission method; CIGSe thin film solar cell

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2太阳能电池的分类与发展 1

1.3 CIGSe薄膜太阳能电池介绍 2

1.3.1 CIGSe薄膜太阳能电池的结构 2

1.3.2 CIGSe薄膜太阳能电池的原理 3

1.4超薄CIGSe太阳能薄膜电池 4

1.5本文的研究内容与技术路线 4

第2章软件介绍及原理 6

2.1 软件介绍 6

2.2 矩阵传输法测定薄膜光学常数原理 6

2.3 CIGSe太阳能电池的模型系统 7

2.3.1模型假设 8

2.3.2模拟参数 8

第3章吸收层厚度变化对CIGSe电池光学吸收的影响 10

3.1厚吸收层的模拟数据与分析 10

3.2 吸收层减薄 11

3.2.1薄吸收层的模拟数据与分析 12

第4章其他背电极材料 14

4.1 Ag为背电极 14

4.2 ITO/Glass/Ag结构 16

第5章结论与展望 18

5.1结论 18

5.2展望 19

参考文献.......................................................................................................................................20

致谢..............................................................................................................................................22

附录...............................................................................................................................................23

第1章绪论

1.1引言

石油，煤，天然气等不可再生资源在人们生产生活中得到了广泛的使用，但是这些不可再生资源的开发利用受到清洁，储量，环保等因素影响，开发受到了极大的限制^[1]。相对的，地球上存在着种类繁多的可再生清洁资源，有风能、核能、地热能、太阳能等，其中太阳能在使用过程具有较多的优势。（1）太阳能取之不尽用之不竭，是理想的清洁能源^[2]；（2）太阳能不存在运输问题，就算在偏僻的地区也能得到良好的利用；（3）只要在有光照的地方中，就会存在太阳能，可以随地储存使用；（4）太阳能在使用过程中不会产生任何废气、废水、废渣等等，对于环境没有任何污染。如今，太阳能的利用正处于高速发展的阶段，不论是民生行业还是商业化应用都极具前景。

光伏发电是一种很有前途的技术，可以通过提供可再生能源和清洁能源来解决因燃烧化石燃料而产生的环境问题。与市场上传统的大块晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有更大的竞争力，因为它可以降低材料消耗，降低制造成本，并且可以灵活的在弯曲基板上制备。

1.2太阳能电池的分类与发展

太阳能电池大部分为半导体材料制造，自从19世纪30年代发现光电效应^[3]并广泛应用于太阳能电池。传统的第一类太阳能电池是以晶体硅为主的太阳能电池，目前硅晶太阳能电池的制备工艺成熟稳定，已经实现了大规模生产，制备成本大大降低。在晶体硅太阳能电池基础上发展而来的化合物薄膜太阳能电池是第二类太阳能电池，主要包括碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池，硅基薄膜太阳能电池，铜铟镓硒（CIGSe）薄膜太阳能电池。这类太阳能电池的衬底往往为便宜的玻璃或塑料等，同时吸收层的厚度较薄，减少了成本，有望于实现大面积连续生产。第三类太阳能电池主要为钙钛矿太阳能电池^[4]，叠层太阳能电池^[5]，量子点太阳能电池^[6]等制备工艺简单，材料生产成本低，光电转换效率高的新型太阳能电池。

现今太阳能电池依然未实现大面积的地面应用，缺少降低太阳能电池成本和提高太阳能电池转换效率的关键技术是主要原因。目前制造太阳能电池的主要材料是硅，硅元素来源丰富，工艺发展成熟，具有较稳定的性能等优点。在传统的太阳能电池中，是效率最高且技术最为成熟的一种。而且在不断的研究中，实验室也已经研发出来了转换效率可以达到24.7%的单晶硅太阳能电池^[7]。不过晶体硅吸收光线能力差，因此必须相当厚且坚固。这就决定了硅晶太阳能电池板重量更重，体积更大且无法弯曲，大大限制了硅晶太阳能电池的实际应用范围。

非晶硅薄膜太阳能电池相对于单晶硅太阳能电池成本更低，制备更加灵活且更容易处理。单晶硅材料脆性大且易碎，非晶硅薄膜太阳能电池更能抵抗外界冲击而免于损害。非晶硅薄膜太阳能电池板重量轻，安装快，应用更为灵活，可实现柔性太阳能电池板的制备。化合物薄膜太阳能电池中CIGSe适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，此外柔性CIGSe太阳能电池具有高的功率重量比，携带方便、可折叠等特性将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向^[8]。

1.3 CIGSe薄膜太阳能电池介绍

1.3.1 CIGSe薄膜太阳能电池的结构

常见的CIGSe薄膜太阳能电池的结构如图1.1所示，主要结构共分为6层，自下而上为：玻璃/Mo背电极/CIGSe吸收层/CdS缓冲层/ZnO窗口层/AZO透明导电层。

图1.1 CIGSe薄膜太阳能电池结构图

（1）窗口层及透明导电层

在CIGSe薄膜太阳能电池中，ZnO窗口层主要包括两层，分别是高阻氧化锌(i-Zno)和低阻铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)^[9]。透明导电层为低阻铝掺杂氧化锌(ZnO:Al，AZO)，带隙宽度为3.6 eV，AZO与顶电极配合进行电池功能的输出时，要求必须具有较高的导电率和透光率。在降低薄膜太阳电池的串联电阻过程中，低阻层要求薄膜厚度在200-500 nm之间。窗口层是高阻本征氧化锌(i-ZnO)，不但要具备合适的费米能级位置，而且还要具备少子寿命，是内建电场n型区的核心层^[10]。窗口层的带隙宽度为3.2 eV，属于六方晶体系纤锌矿结构。由于与CdS缓冲层属于一种直接带隙的n层半导体，具有类似的六方晶体结构，因此，ZnO窗口层与CdS缓冲层可以实现较好的晶格匹配。

（2）缓冲层

CdS缓冲层可以提升CIGSe薄膜太阳能电池性能的主要原因是CdS属于一种直接带隙的n层半导体^[11]，带隙宽度为2.4 eV，介于窄带隙的吸收层和宽带隙的窗口层之间，可以有效减少能带失配和晶格失配^[12]，减小界面复合，改善电池性能。CdS晶体具有亚稳态的立方晶系结构、较为稳定的六方晶体结构^[13]，任何一种结构都可以作为制备CIGSe薄膜太阳能电池缓冲层的结构使用。

（3）吸收层

Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe)薄膜是电池的核心吸收层部分，是由Cu、In、Ga、Se四元构成的化合物半导体。CIGSe薄膜材料的带隙结构与导电机制均与元素配位、晶体结构缺陷密切相关，远比单质元素半导体复杂。CIGSe薄膜吸收层具有黄铜矿结构，其晶格常数介于CulnSe₂(a=0.5789 nm)和CuGaSe₂(a=0.561 nm)之间。通常可表示为CulnSe₂与CuGaSe₂的固溶晶体Culn_1-xGa_xSe₂，x=Ga/Ga In)，CIGSe吸收层薄膜的带隙与Ga/(In Ga)的比值有直接关系，随着Ga含量的值x从0到1变化，禁带宽度Eg可在1.02-1.67 eV范围内调整。对于典型CIGSe太阳能电池，具有高太阳能电池性能的Ga/Ga In通常约为0.3，这对应的带隙为1.2 eV。

（4）玻璃基板和背电极

玻璃基板用作支撑材料并且主要是钠钙玻璃，在沉积期间Na可以通过背接触层扩散到CIGSe吸收层，提供Na源。Mo是最常用的背电极，作为背电极，除了良好的导电性外^[14]，还满足其他几个条件： 1)Mo具有较为稳定的化学性能，而且跟衬底之间具有非常好的附着性^[15]； 2)与CIGSe吸收层形成欧姆接触，有利于光生孔的收集^[16]。

1.3.2 CIGSe薄膜太阳能电池的原理

图1.2 CIGSe薄膜太阳能电池p-n结的示意图

CIGSe太阳能电池是基于p-n结的太阳能电池，基于p-n结的太阳能电池核心部分本质上由p型和n型半导体层组成，形成结并在结内形成内部电场。在光照条件下，光生载流子被内部电场驱动和分离:电子向n型层运动（ZnO窗口层和CdS缓冲层），空穴向p型层运动（CIGSe吸收层）。当外部电路与负载相连接时，分离的载流子形成电流，光就这样以电的形式转化为能量。图1.2给出了p-n结的示意图。

只有在满足一定的条件下，半导体材料才能够吸收光子能量，就可以吸收产生载流子，具体下公式所示:

（1.1）

式中是能够产生光生载流子的最低限度光子能量。当频率低于或波长大于a (与频率对应的波长)时不能产生光生载流子。称为半导体的吸收长波限，由下列公式计算得到:

（1.2）

本文使用的CIGSe薄膜电池的吸收层带隙宽度为1.2 eV，根据公式（1.2）可知，CIGSe吸收层对波长小于1000 nm的入射光有较好的吸收。

1.4超薄CIGSe太阳能薄膜电池

尽管CIGSe太阳能电池是一种非常有前景的薄膜太阳能电池，其实验室效率可以高达22.9%，组件效率也接近20%，是目前薄膜太阳能电池中产业化成熟度最高的。但是CIGSe太阳能电池消耗大量稀有元素In、Ga，大规模生产可能会增加其制造成本，降低其市场竞争力。一个解决办法就是将电池吸收层厚度从传统的2-3降低到500 nm以下，达到减少In，Ga原材料消耗的目的^[17]。当CIGSe吸收层厚度降低至500 nm以下时，我们称其为超薄CIGSe太阳能电池。超薄CIGSe太阳能电池由于过薄的吸收层导致入射光的不完全吸收，降低了电池的效率，所以本课题将会从光学角度出发，重点分析超薄CIGSe电池的光学损失，提出降低光损失的初步解决办法。

1.5本文的研究内容与技术路线

基本内容:降低CIGSe吸收层厚度有利于降低材料的消耗成本与加工制作成本，但这会造成太阳能电池光吸收不足的问题，从而降低电池的效率。拟通过传输矩阵法模拟CIGSe太阳能电池的光学性能，分析超薄CIGSe太阳能电池的光学损失。

拟采用的技术方案及措施:课题通过传输矩阵法模拟CIGSe太阳能电池（厚度约为1.5-3）的光学性能，该模型能够分析层系统的变化的影响，例如层厚度的变化或替代材料。反之亦然，该模型还可以通过手动调整模型参数来确定实际层系统中的薄膜或覆盖层厚度，从而在测量和模拟光谱之间给出最佳拟合，得出各个薄层的光损失。