摘 要

传统的化石燃料由于其污染环境和资源匮乏，人们在寻找各种新型能源。太阳能由于其具有清洁型而且储量庞大而受到广泛青睐。而太阳能电池通过光电效应将太阳能转换为电能也得到了极大的发展。

目前太阳能电池的发展已经进入第二阶段，以铜铟镓硒（CIGS）为代表的薄膜太阳能电池是当前研究的重中之重。CIGS薄膜太阳能电池具有十分良好的光吸收性，1um的CIGS可以吸收90%以上的光。而且CIGS薄膜太阳能电池的制作成本低，稳定性好等优点。传统的CIGS薄膜太阳能电池以CdS作为缓冲层，由于Cd元素有毒危害人体健康。本文中选用ZnS作为缓冲层，ZnS的带隙为3.8eV左右，相比于CdS带隙2.4eV，具有更好的光谱响应，而且ZnS制作成本低，无污染完美的代替了CdS。本文以ZnS(n)/CIGS(p)型薄膜太阳能电池为例，利用wxAMPS软件对其进行仿真。分别就ZnS和CIGS的厚度、掺杂浓度以及温度等因素进行了仿真模拟，并利用origin软件作图分析。

研究结果表明： 缓冲层ZnS的厚度最佳为0.03um，吸收层CIGS的厚度最佳取2.7um；通过对材料的掺杂浓度仿真得到ZnS和CIGS的掺杂浓度的最佳值分别为2e18cm^-3和2e16cm^-3。通过对温度的仿真发现温度取接近室温的290-300K最具经济效益。

关键词：薄膜太阳能电池；wxAMPS;仿真；ZnS缓冲层

Abstract

Traditional fossil fuels are looking for new types of energy because of their polluted environment and lack of resources. Solar energy is widely favored for its clean type and large reserves. The conversion of solar energy into electrical energy by solar cells through photoelectric effects has also been greatly developed.

At present, the development of solar cells has entered the second stage. Thin film solar cells represented by copper indium gallium selenide (CIGS) are the top priority of current research. CIGS thin film solar cells have very good light absorption, and 1um CIGS can absorb more than 90% of light. Moreover, CIGS thin film solar cells have the advantages of low production cost and good stability. Traditional CIGS thin-film solar cells use CdS as a buffer layer, which is harmful to human health due to the toxic nature of Cd. In this paper, ZnS is used as the buffer layer. The band gap of ZnS is about 3.8eV, which has better spectral response than the CdS band gap of 2.4eV. The production cost of ZnS is low, and CdS is replaced by no pollution. In this paper, ZnS(n)/CIGS(p) thin film solar cells are taken as examples, and they are simulated by wxAMPS software. The simulations of thickness, doping concentration and temperature of ZnS and CIGS were carried out, and the original software was used for graph analysis.

The results show that the thickness of the buffer layer ZnS is 0.03um, and the thickness of the absorption layer CIGS is 2.7um. The optimal doping concentration ratio of ZnS and CIGS is 2e18cm^-3 and 2e16cm^-3. Through the simulation of the temperature, it is found that the temperature is close to room temperature and the most economical effect is 290-300K.

Keywords: Thin film solar cell; wxAMPS; simulation; ZnS buffer layer

目录

第1章 绪论 7

1.1引言 7

1.2课题研究背景及意义 7

1.3国内外研究过程和现状分析 8

1.4研究的内容及目标 9

1.4.1研究的主要内容及目标 9

1.4.2拟采用的技术方案和措施 10

第2章 太阳能电池概述 11

2.1太阳能电池的发展及现状 11

2.2太阳能电池工作原理和基本特性 12

2.2.1太阳能电池工作原理 12

2.2.2太阳能电池性能表征 12

2.3太阳能电池分类 14

2.3.1硅基太阳能电池 14

2.3.2化合物太阳能电池 15

2.3.3染料敏化太阳能电池 15

2.4薄膜太阳能电池 16

2.4.1硅基薄膜太阳能电池 16

2.4.2碲化镉薄膜太阳能电池 16

2.4.3铜铟镓硒薄膜太阳能电池 17

2.5本章小结 17

第3章CIGS薄膜太阳能电池及wxAMPS软件介绍 18

3.1 CIGS薄膜太阳能电池的发展历史及现状 18

3.2 CIGS薄膜太阳能电池简介 18

3.3.1CIGS的晶胞结构 18

3.2.2 CIGS薄膜太阳能电池的结构及特点 19

3.3 wxAMPS仿真软件介绍 19

3.3.1 wxAMPS软件开发 19

3.3.2 wxAMPS软件界面及操作步骤 20

3.3.3 wxAMPS软件仿真原理 22

3.4 本章小结 22

第4章 ZnS(n)/CIGS(p)型薄膜太阳能电池仿真 24

4.1ZnS(n)/CIGS(p)型薄膜太阳能电池 24

4.2厚度对太阳能电池输出性能的影响 25

4.2.1缓冲层ZnS的厚度对太阳能电池输出性能的影响 25

4.2.2吸收层CIGS 的厚度对太阳能电池输出性能的影响 27

4.3掺杂浓度对太阳能电池性能的影响 28

4.3.1 ZnS的掺杂浓度对太阳能电池输出性能的影响 28

4.3.2 CIGS的掺杂浓度对太阳能电池输出性能的影响 29

4.4温度对太阳能电池性能的影响 30

4.5本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1全文总结 33

5.2全文主要内容 33

5.3未来展望 33

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1引言

自从19世纪工业革命以来人类进入了高速发展期，不论是工业、科技、农业还是人们的生活水平都得到了很大的提升，而能源作为社会发展、人类进步所必须的消耗品，随着社会的不断发展和进步，传统的煤炭石油能源不断地匮乏成为了人们所不得不面对的能源问题，除此之外，传统的煤炭石油能源地消耗导致地球的生态环境不断地恶化，二氧化碳的排放量也在不断增加从而导致全球气候变暖，维持社会文明的不断发展和进步都是我们共同肩负的责任，所以人类在追求新能源的发展上也越发的迫切。新能源具有资源可再生、环境污染小、可持续反复利用的优点。新世纪以来，低碳环保成为了时代的主题，人类的环保意识不断地增强。随着人们不断的努力，在新能源的发展领域也取得了一定的成果，太阳能、风能、地热能首先成为人们新能源研究和发展的对象。

太阳能作为日常可见，也是资源最丰富的能源之一，同时具有环境友好型的特点，因此太阳能的发展和利用成为全世界各个国家最为重要的任务之一。正因为太阳能资源的重要性，各国政策在太阳能的发展上都给予了大力的支持，趋势人们在宣传、投资方面对太阳能事业的发展都起到了至关重要的作用。不论是从热伏途径还是光伏途径，太阳能的利用已经逐渐的走进我们的生活中。新能源的研究和发展任然在继续,预估计在2030年,我国新能源发电经济性排序依次为太阳能光伏发电、地热发电、生物质发电、风能发电和光热发电^[1]。由于新能源相比较于传统化石煤炭资源有更好的环境保护性所以将成为未来能源展的中流砥柱。而作为资源最容易获得的太阳能也会成为未来新型发展的能源中最重要的组成部分之一。太阳能的利用主要的用运方式，是通过太阳能的进行发电。主要的发电形式有光热发电和光伏发电两种，由于光热发电得到效果需要很强的太阳直接辐射，所以光热发电受到地理位置的限制。而光伏发电是通过利用电池板，通过光电效应将太阳产生的辐射能转换为我们需要的电能，也就是我们所说的太阳能电池。

1.2课题研究背景及意义

近年来，随着社会经济地不断发展和人们意识水平的不断提高，传统的化石能源由于储量的有限性，以及违背人类绿色发展的主旨，已经无法满足人类环境友好型发展的需要，因此要确保人类社会文明的发展所需要的能源地需求量不断的增长的问题。世界各个国家都在开始不断地投入对可再生能源的研究，尤其是在新能源的研究领域，太阳能光伏发电是重点，在21世纪以来，太阳能光伏发电在持续不断地增长。加之近年来国家政策鼓励和支持下，太阳能光伏发电发展十分迅速，在这个大环境下太阳能光伏发电得到了非常难得的发展机会，太阳能由于其广泛的应用、资源储量庞大等优势备受人们关注。相关数据显示我国目前已经成为了利用太阳能热能的第一生产大国^[2]，虽然太阳能光伏发电有着很多的优点。但光伏产业的发展主要依靠国家政策支持和资金投入，纵观整个可利用能源中太阳能光伏任然占很小的比例。但是我们不可忽略光伏的发展，根据世界能源组织预测，在2025年世界光伏能源将占到总能源的22%，2050年将占到34%^[3],可想而知，到时候光伏发电会成为最主要的能源之一。

随着近年来国际太阳能光伏市场在不断地突破，各国也开始投入大量的资金来支持太阳能电池的研究和开发。在太阳能电池的发展过程中，光伏太阳能电的发展和进步离不开相关技术水平的提升，其技术难点是如何研发出效率更高成本更低的太阳能电池。晶体硅太阳电池作为我们最先被发现和利用的电池，目前技术的成熟度也较高。但是由于晶体硅电池本身材料的原因易碎和有裂纹，我们不得不加钢化玻璃来保护，这样导致其具有很大的质量不便于携带，而且晶体硅作为太阳能电池造价高，发展到目前为止，其转换效率也无法得到突破。人们又开始研究其他类型的太阳能电池。相比于其他类型太阳能电池而言，近几年来技术研究相对成熟的薄膜太阳能电池因具有价格低、弱光性好以及柔性好便携,而且有着不逊于硅基太阳能电池的转换速率等优点。薄膜太阳能电池展现出了十分好的市场前进。我们通过计算机软件对太阳能电池进行仿真，建立太阳能电池模型，研究电池的材料参数、器件结构与电池性能之间的关系，将有利于避免重复性实验，节省实验时间，减少资源浪费。因此对利用计算机软件对薄膜太阳能电池进行仿真很有必要性。

1.3国内外研究过程和现状分析

太阳能电池的发展与进步离不开各位研究学者反复的研究和试验。然而太阳能电池的的研究投入也是巨大的。受太阳能电池发展的需要以及现在科技水平的提高，计算机的仿真模拟技术也在日新月异的进步，并在各个行业内都发挥着不可代替的作用。同样的计算机仿真技术在太阳能电池领域也发挥着不可忽略的作用。太阳能电池技术在近多年来的发展离不开实验与理论的相结合。只有在不断创新的理论的提出，再通过世纪的试验区验证，太阳能电池的技术才能不断地取得新成果。在太阳能电池的研究中，仿真软件就是各种理论猜想理想的验证工具。仿真软件往往有着比实际试验更简便，更高效的验证方式。它能够高效的进行相关实验，而且具有更严谨的数据处理能力。而且还能对试验结果进行分析和整理，所以仿真软件的开发，不仅能降低研究成本，而且还能推动整个行业的飞快进步。

目前各研究学者为太阳能电池领域也研发了多款软件用于太阳能电池的仿真模拟试验。目前在太阳能电池的研究中应用的比较多的软件有PC1D、ASA、AMPS、AFORS-HRT、SCAPS等。在研究太阳能电池的过程中，我们通常会运用不同的材料、不同的物理模型以及对太阳能电池的性能研究的方向也有不同^[4]。所以在众多的太阳能电池软件中他们的仿真性能也有很大的区别。针对太阳能电池的仿真试验研究方向的不同，开发者会根据研究需要建立不同的物理模型，设置不同的算法从而来满足使用者的需求。由于仿真软件起步迟，所以各类软件都存在其优缺点，当然各类仿真软件的性能也在不断地完善和升级。我国由于对太阳能电池的研究起步迟，目前处于理论实验阶段。由于器件基础差，我国在模拟软件的研发上任然处于学习阶段，与国外研究还有这不小的差距。

AMPS软件是由宾夕法尼亚州立大学的Fonash S教授等人开发的一款太阳能电池模拟软件^[5]。AMPS软件在起初被开发出来后深受好评，该软件采用Fortran编程语言，建立了扩散-漂移的物理模型，利用牛顿迭代法进行求解，在当时也有着较快的计算速度。但是由于AMPS软件开发时间较早，它也有着很多缺点，AMPS在进行太阳能电池模拟时需要手动输入所有器件的参数，而且在模型的建立上，对太阳能电池的层数限制不能超过30层，在实际的模拟仿真中只能用有限的层数来粗略的表示材料参数。该软件自发布以来有30年的时间一直没有进行过有效的更新，该软件因由于在物理模型建立、算法及用户界面都无法满足人们的需要，计算速度上也逐渐落后其它软件^[6]。为了满足太阳能电池仿真模拟的需要，也为了添补我国在太阳能电池数值仿真领域的空白，南开大学和伊利诺伊大学香槟分校合作，在原来的AMPS软件基础上进行改进的一款软件wxAMPS。新软件通过继承了原来软件原创者的理论基础和模拟方法，而且还在很多方面进行了创新，支持光谱、偏压等参数文件导入形式，使用者在操作时也更加的方便。在软件在原有的扩散漂移模型上增添了隧穿电流模型^[7]。wxAMPS采用的C 编程语言，算法上综合了牛顿迭代法和Gummel迭代法。除此之外wxAMPS软件非常的人性化，它能在包括Windows系统的很多平台中应用，还能通Matlab等软件混合用运。我们可以利用该软件对晶硅电池、非晶硅、铜铟镓硒等多种太阳能电池进行仿真分析。该软件的操作界面也很简洁，操作起来非常 得心应手。

目前学术上利用AMPS软件模拟薄膜太阳能电池的并不多，2014年中山大学黄颖利用wxAMPS软件对InAlN / Si单异质结太阳能电池进行了理论模拟^[8]。通过改变n-InAlN层的铟含量和厚度，研究了开路电压、短路电流、填充因子和转换效率等光伏参数。仿真结果表明，在AM 1.5G光谱照射下，InAlN / Si太阳电池的最佳效率为23.1％，n-InAlN层的铟含量和厚度分别为0.65和600nm。2016年S. Kahraman等人^[9]研究了CIGS中缓冲层厚度的影响，发现大多数光生载流子是由较薄的CdS层收集的。随着缓冲层厚度的增加，电流密度，开路电压和转换效率显着降低。这种行为归因于由于电子空穴对的重新组合而导致的收集载流子数量的减少，所述电子空穴对从CdS块体中的吸收光子开始进行大厚度，并通过优化获得了约27％的电池效率。

1.4研究的内容及目标

1.4.1研究的主要内容及目标

对于太阳能电池实验研究已经报道了诸多成果，然而通过理论的方法，建立太阳能电池模型，研究电池的材料参数、器件结构与电池性能之间的关系，将有利于避免重复性实验，减少资源浪费。太阳能电池器件仿真是获取电池特性与材料参数、器件结构之间规律的重要方法。本课题借助wxAMPS软件对ZnS(n)/CIGS(p)型薄膜太阳能电池的输出性能进行仿真。

（1）应用wxAMPS软件研究薄膜太阳能电厚度、各层掺杂浓度以及温度等对太阳能电池输出性能的影响。

（2）研究材料不同及参数变化对太阳能电池的输出性能影响的原因。

（3）对仿真结果进行分析，优化输入参数，获得性能高的薄膜太阳能电池。

1.4.2拟采用的技术方案和措施

（1）文献研究法：学习太阳能电池的原理及应用，阅读大量有关薄膜太阳能电池仿真相关文献，掌握已有的理论研究成果，总结已有研究的成功和不足之处，在此基础上构建本文的研究框架。

（2）仿真模拟法：应用wxAMPS软件进行建模，通过变换材料参数对薄膜太阳能电池的输出性能进行仿真。

第2章 太阳能电池概述

2.1太阳能电池的发展及现状

太阳能电池是通过利用太阳光的产生的辐射，将其中的光能通过光电效应转换为我们需要电能的一种半导体装置。在特定太阳光的照射条件下，能够瞬间产生光生电压，如果在外线接通电路在回路中同时产生光生电流。这种能将光能转换为电能半导体材料装置我们称为太阳能电池，也称为太阳能光伏。

光伏太阳能电池的的发展差不多有近180年的历史，最早在1839年由法国的Becquerel第一次在液体电解液中发现光电效应现象。同世纪80年代年，由佛瑞兹（Fritts）通过在金属衬底上先将Se膜融化成片，再将Au片作为顶电极压在Se片上，制作出来了第一块面积30cm²太阳能电池。1954年美国科学家皮尔森（Pearson）在一次偶然发现单晶硅pn结会产生电压的奇特物理现象，通过研究，终于在次年年底发表了单晶硅太阳能电池效率达到6%的报道，从此开启了pn结电池的时代。1958年美国NASA首次使用Si太阳电池板为卫星供电,成功的发射了Vanguard人造卫星。20世纪60年代，Prince、Loferski、Wysocli等陆续发表了一系列研究成果，系统的讲述了以pn结为基础的太阳能电池工作原理，以及光谱响应、能带、动力学和效率之间的理论联系，在此之后CdTe薄膜也能够产生6%的效率^[10]。1973年第一次世界石油危机刺激下，很多国家都在开始将太阳能光伏列为可再生能源。在美国举行的Cherry Hill会议中正式将光伏太阳能作为可再生能源。1987年，在世界太阳能电池汽车锦标赛中14辆太阳能电池汽车完成了3200km的比赛，冠军的速度达到了70km/h。截止1999年全球范围内光伏发电站达到了1000MW，M.Green研究组发表单晶硅太阳能电池的效率达到了24.7%^[11]，该项纪录一直保持至今。2003年以来，由于中东战争引发的第二次石油危机，再一次唤醒人们对可再生能源的重视，尤其是太阳能电池，由此太阳能电池借此契机的到了迅速的发展。新世纪以来由于传统的化石能源的消耗产生的二氧化碳导致全球变暖，2007年联合国政府气候变化组委会发表报告，提出抑制全球变暖已经迫在眉睫，要加大力度投资新能源的研究和发展。太阳能电池也越受欢迎，因此对太阳能电池的研究投入也越来越深。太阳能电池的效率也在逐年的提升，但最高效率任然徘徊在25%上下，难以得到突破性提升。澳大利亚西南威尔士大学的M.Green教授提出了“下一代”电池的理念，利用全兴的理念和技术，研究了一种量子点型的太阳能电池。通过理论计算其转换效率可达理论上可以突破60%以上，为太阳能电池未来的发展提供了方向。

到目前为止，硅基太阳能电池依然在太阳能电池中占主导地位，但是硅基太阳能电池发展到目前为止也遇到了瓶颈。硅基太阳能电池的转化率任然的不到有效的提高，电池的稳定性相对较弱，硅基太阳能电池的制作成本高等问题还没有得到很好的解决。同样的在薄膜太阳能电池和其他研究领域任然会有很多阻碍其发展的问题。太阳能电池的研究还在无时无刻的继续，未来太阳能电池的发展必将会有新的理论的提出，新技术、新材料的研究发现，新的制造工艺的改进也必将促进太阳能电池研究领域的进一步革新。

2.2太阳能电池工作原理和基本特性

2.2.1太阳能电池工作原理

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