（电子科学与技术专业论文）铜铟镓硒薄膜太阳电池的器件仿真.pdfVIP

中文摘要 异质结界面的费米能级钉扎现象，与缺陷辅助隧穿电流、c i g s 吸收层中g a 的 背梯度等物理机制对电池性能的影响。 因为解析模型需要建立在一定的假设与简化条件基础上，才能获得闭合的 解析解，对问题进行分析。而考虑更复杂的器件机制时，这些假设与简化条件 不一定满足，此时更精确的器件模拟需要用到数值分析技术。本论文第四章详 细研究了使用数值方法进行太阳电池模拟过程中所涉及到的物理模型、仿真思 路与具体实现过程。系统阐述了薄膜太阳电池中的缺陷机理与各种缺陷态的数 值处理方法，其中包括离散分布、带状分布、高斯分布的受主型或施主型缺陷 态，带尾态及中间态，和软件a m p s 中尚未考虑的两性缺陷态。研究了异质结 太阳电池中更复杂的隧穿机制，如带间隧穿电流、缺陷辅助隧穿电流，并对模 拟软件中用到的不同光学模型予以了说明和比较。 通过研究薄膜太阳电池模拟的基础理论，与结合c i g s 电池仿真的具体需 要，软件w x a m p s 弥补了原软件a m p s 未考虑隧穿电流影响的不足，添加了 两种隧穿电流模型，使程序可以更好地分析薄膜太阳电池中的物理机制；并结 合牛顿迭代法、g u m m e l 迭代法的优点，改进了模型的求解算法，提高了程序 的稳定性与算法的收敛能力。软件还可以模拟材料参数的任意梯度分布对器件 性能的影响。 第五章通过使用软件w x a m p s ，将数值模拟技术应用于c i g s 电池的机理 研究，并结合前人的实验研究成果，揭示所观察到的宏观实验现象背后的微观 物理机制。本章模拟分析了c i g s 吸收层的载流子浓度、厚度对电池性能的影 响，研究了c i g s 电池在低温、弱光下的器件响应，并通过解析模型解释了模 拟结果背后的原因。依靠仿真建立的模型发现，对于c i g s 电池在低于3 0 0k 时串联电阻随温度降低而非线性快速增加的现象，是由于c d s c i g s 界面处的 势垒影h 向所致，并由此对学术界各这问题上的争论提出了新的观点和理论解 释。本章中还研究出了一种新的仿真方法，可以分析任意g a 梯度对电池性能 的影响。结合实测的g a 梯度数据，生成与软件w x a m p s 兼容的器件文件，通 过比较模拟结果和实验数据，可以有效地对具体g a 含量梯度的效果做出理论 分析，并获取更多的器件内部信息。 论文最后对博士阶段的主要工作和取得的成果予以了总结，并展望了 c i g s 薄膜电池器件模拟研究的未来发展方向，及日后模拟软件w x a m p s 的进 一步研发工作。本论文阐述了当前学术界在c i g s 电池理论领域所取得的前沿 tt 中文摘要 认识水平，以及本论文的研究工作在其中做出的贡献。 关键词：铜铟镓硒，薄膜太阳电池，器件模型，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ee x c e l l e n td e v i c ep e r f o r m a n c ea n dt h ep r o m i s i n gm a n u f a c t u r ep r o s p e c l c u l n g a s e 2 ( c i g s ) t h i nf i l ms o l a rc e l li st h eh i g h e s te f f i c i e n c yt h i nf i l ms o l a rc e l l ， a n dh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h ep h o t o v o l t a i ca c a d e m yf i e l da n dt h em o s t - c o n c e m e ds o l a rc e l lb yt h ei n d u s t r yf o ri t sh i g h p e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t s i n c et h e a b s o r b e rm a t e r i a lo fc i g si sac o m p l i c a t e dc o m p o u n dc o m p o s e do ff o u re l e m e n t s ， a n dt h eh e t e r o j u n c t i o ns t r u c t u r ei sr e l a t e dt ot h ec o m p l e xi n t e r f a c es t a t ea n dt u n n e l i n g m e c h a n i s m ，t h ei n n e rd e v i c ep r i n c i p l eo fc i g ss o l a rc e l li sd i f f i c u l tt ou n d e r s t a n d ， a n dt h e r ea r es t i l ll o t so fs u b j e c t st h a tn e e df u r t h e ri n v e s t i g a t i o n d e v i c es i m u l a t i o ni s av e r yu s e f u lt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hi so n ei m p o r t a n ta s s i s t a n ta p p r o a c h i nt h eh i g h l e v e ls o l a rc e l lr e s e a r c h f o rv a r i o u sl i m i t a i o n s ，t h ep r e v i o u ss o l a rc e l ls i m u l a t i o ns o f f w a r e sa r en o t a d e q u a t et os a t i f yt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p i n gc i g st h e o r e t i c a lr e s e a r c h i n o r d e rt ob e t t e ri m p l e m e n tt h es i m u l a t i o ns t u d i e so ns o m eo ft h ec i g sr e s e a r c h s u b j e c t s ，t h i sw o r ks t u d i e st h ed e v i c ep h y s i c so fc i g ss o l a rc e l la n du p d a t e so n e p o p u l a rs i m u l a t i o nc o d ea m p s ，a n dc a r r i e so u tm o d e l i n gr e s e a r c h e so ns o m es p e c i f i c t o p i c so fc i g ss o l a rc e l l t h ei m p r o v e dc o d ei s n a m e dw x a m p sa n dh a sb e e n p u b l i s h e df o rt h ef r e ed o w n l o a do ft h ei n t e m a t i o n a lp vc o m m u n i t y l o t so ft h e o r e t i c a lk n o w l e d g ei si n v o l v e di nt h ei m p r o v e m e n t so ft h es i m u l a t i o n s o f t w a r e ，i n c l u d i n g s e m i c o n d u c t o rd e v i c e p h y s i c s a n dn u m e r i c a l m o d e l i n g t e c h n o l o g y a n do n l y t h ed e v i c em e c h a n i s m s ，s u c ha sc a r r i e r s t r a n s p o r t a t i o n m e c h a n i s m ，d e f e c t sb e h a v i o r s ，a r ew e l lu n d e r s t o o d ，t h ec o m p l e xm e c h a n i s m so f c i g ss o l a rc e l lc a nb es t u d i e dt h o r o u g h f u l l yt h r o u g hu s i n gs i m u l a t i o nt o o l s e f f i c i e n t l y ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb ee x p l a i n e dc o r r e c t l y t h e r e f o r e ，t h i s t h e s i se l u c i d a t e st h ed e v i c ep h y s i c st h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da tf i r s t c h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef r o n t i e rp r o g r e s so fc i g ss o l a rc e l l t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，s u m m a r i z e sav a r i e t yo fp o p u l a rm o d e l i n gs o f t w a r ew h o s e f e a t u r e sa r ec o m p a r e d ，a n de x p l a i n sw h ya m p si sc h o s e nt ob er e v i s e da n du p d a t e d i v a b s t r a c t t h eg e n e r a ls o l a rc e l ld e v i c ep h y s i c si sd e s c r i b e di nc h a p t e r2 a c c o r d i n gt ot h e q u a s i - n e u t r a lr e g i o na s s u m p t i o nw h i c hi sa p p l i e dt ot h ep nj u n c t i o na n a l y s i si nt h e s e m i c o n d u c t o rp h y s i c s ，t h e c u r r e n t v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i cu n d e rd a r ka n dl i g h t s i t u a t i o n sa r ed e d u c e db yt h ea n a l y t i c a lm e t h o d t h ee f f e c t sa n dt h ef i t t i n gm e t h o do f t h es e r i e sr e s i s t a n c ea n ds h u n tr e s i s t a n c ea r ea l s od i s c u s s e d i nc h a p t e r3 ，t h e a n a l y t i c a la p p r o a c hi sa p p l i e dt os t u d yt h ec i g ss o l a rc e l lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z e s t h ed e p e n d e n c eo fo p e n c i r c u i tv o l t a g et ot h et e m p e r a t u r e ，o ft h eq u a l i t yf a c t o rt ot h e t e m p e r a t u r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fs a t u r a t i o nc u r r e n ta n d t h eb a n dg a po fc i g sm a t e r i a l ，t h ef e r m i - l e v e lp i n n i n gp h e n o m e n aa th e t e r o j u n c t i o n i n t e r f a c e ，a n dt h ee f f e c t so ft h et r a p a s s i s t e dt u n n e l i n ga n dt h eg ab a c kg r a d i n gt ot h e d e v i c ep e r f o r m a n c e a s s u m p t i o n sa n ds i m p l i f i c a t i o n sa r er e q u i r e di n t h ea n a l y t i c a la p p r o a c ht o o b t a i nt h ec l o s e d - f o r ms o l u t i o no ft h em o d e l sa n df u l f i l lt h e a n a l y s i s b u tt h e c o n d i t i o n so ft h e s ea s s u m p t i o n sm a yn o tb es a t i s f i e di n c o m p l i c a t e dd e v i c e m e c h a n i s m s h e n c e ，n u m e r i c a lm e t h o d sa r en e e d e df o rm o r ea c c u r a t em o d e l i n g c h a p t e r4d e s c r i b e st h et h e o r yf u n d a m e n t a l so fi m p l e m e n t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o rt h es o l a rc e l lm o d e l i n gi nd e t a i l ，a n de l u c i d a t e st h ed e f e c tm e c h a n i s m sa n dt h e n u m e r i c a ls o l u t i o nf o rv a r i e t i e so fd e f e c tt y p e si nt h i nf i l ms o l a rc e l l t h et u n n e l i n g m o d e l sa n do p t i c a lm o d e l su s e di nt h e s o l a rc e l ls i m u l a t i o na r ea l s oe x p l a i n e da n d c o m p a r e d t h r o u g hs t u d y i n gt h eb a s i cm o d e l i n gt h e o r yo ft h i nf i l ms o l a rc e l l sa n d c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to fc i g ss o l a rc e l ls i m u l a t i o n ，w x a m p sm a k e s u pf o r t h es h o r t c o m i n g so fa m p sw h i c hd o e sn o tc o n s i d e rt h et u n n e l i n ge f f e c t s ，a d d s t w ot u n n e l i n gm o d e l st oe n h a n c et h ec o d ec a p a b i l i t yt ob e t t e ra n a l y z et h ep h y s i c a l m e c h a n i s mi n t h i nf i l m s o l a rc e l l s m o r e o v e r ，w x a m p s i m p r o v e st h es o l v i n g a l g o r i t h mo ft h em o d e lb yc o m b i n i n gt h en e w t o ni t e r a t i o nm e t h o da n dt h eg u m m e l i t e r a t i o nm e t h o d ，a n da m e l i o r a t et h es t a b i l i t ya n dt h ec o n v e r g e n c ep r o p e r t yo ft h e c o d e t h ew x a m p ss o f f w a r di sa l s oc a p a b l eo fs i m u l a t i n gt h ee f f e c t so fa r b i t r a y g r a d i n go fm a t e r i a lp a r a m e t e r st ot h ed e v i c ep e r f o r m a n c e b yu s i n gw x a m p s ，c h a p t e r5a p p l i e st h en u m e r i c a lm o d e l i n gt e c h n i c h et ot h e m e c h a n i s ms t u d i e so fc i g ss o l a rc e l la n dc o m p a r e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u t l s ，i no r d e r v a b s t r a c t t or e v e a lt h em i c r om e c h a n i s m sb e h i n dt h em a c r oe x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s t h i s w o r ks i m u l a t e sa n da n a l y z e st h ee f f e c t so fc a r r i e r s d e n s i t y ，t h i c k n e s so fc i g st h i n f i l mm a t e r i a l ，s t u d i e st h ed e v i c er e s p o n s et ot h el o w t e m p e r a t u r ea n dl o wi r r a d i a n c e a n de x p l a i n e st h et r e n di ns i m u l a t i o nr e s u l t sb ya n a l y t i c a lm o d e l i n g t h es i m u l a t i o n r e s e a r c hf o u n dt h a t ，i ti st h ee f f e c to fc d s c i g sh e t e r o i n t e r f a c eb a r r i e rt h a tc a u s e s t h es e r i e sr e s i s t a n c eo fc i g ss o l a re e l lt oi n c r e a s en o n 1 i n e a r l yw h e nt e m p e r a t u r e d e c r e a s e sb e l o w3 0 0k t h i st h e s i s p r o p o s e s an e wo p i n i o na n dt h e o r e t i c a l e x p l a n a t i o nf o rt h i si s s u et h a ti ss t i l li nd a b a t ei nt h ea c a d e m i cf i e l d t h i sc h a p t e ra l s o s t u d i e san e wm o d e l i n ga p p r o a c ht h a tc a na n a l y z et h ee f f e c t so f a r b i t r a yg ag r a d i n g t ot h ec e l lp e r f o r m a n c e b a s e do nt h em e a s u r e m e n tg ag r a d i e n td a t aa n dg e n e r a t i n ga d e v i c e - m o d e l i n gf i l et h a ti sc o m p a t i b l et ow x a m p s ，t h ee f f e c t so ft h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e dg ag r a d i n gc a nb ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n dm o r ei n n e ri n f o r m a t i o no f t h ed e v i c ed e t a i l sc a nb er e v e a l e db yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dm o d e l i n g r e s u l t s a tl a s t ，t h em a i nw o r ka n dt h ea c h i e v e m e n t si nt h ep h d p r o j e c ta r ec o n c l u d e d a n df u t u r ed e v e l o p m e n t so fw x a m p sa n dt h ed e v i c e m o d e l i n go fc i g ss o l a rc e l la r e f o r e s i g h t e da sw e l l t h i st h e s i se x p l i c a t e st h el a t e s tt h e o r e t i c a lu n d e r s t a n d i n go nt h e c i g ss o l a rc e l l ，a n dt h ec o n t r i b u t i o no ft h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o nt ot h i sf i e l d k e yw o r d s ：c u ( i n g a ) s e a ，t h i nf i l ms o l a rc e l l ，d e v i c em o d e l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公 开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、 文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文：( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所及其万方数 据屯子出版社和中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入 相应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 11 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：到二堕 2 0 1 2 年5 月7 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 铜铟镓硒薄膜太阳电池的器件仿真 姓名刘一呜学号 11 2 0 0 6 0 0 9 6 答辩日期2 0 1 2 年5 月2 9 日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所 信息技术科学学院 专业 微电子与固体电子学 联系电话 1 3 75 2 0 38 4 1 6 e m a i l l i u y i m i n g m a i l n a n k a i e d u c n 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学光电子薄膜与器件研究所，3 0 0 0 7 1 备注： 是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图 书馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 符号说明 符号说明 光吸收系数( c m 。) 介电常数( f c m ) 电池光电转换效率 波长( n m ) 电子迁移率( c m 2 v s ) 空穴迁移率( c m 2 v s ) 电子俘获截面( c m 2 ) 空穴俘获截面( c m 2 ) 电子寿命( s ) 空穴寿命( s ) 电子亲合势( e v ) 电子真空能级( e v ) 二极管品质因子 有效理查德森常数 电子扩散系数( c m 2 s ) 空穴扩散系数( c m 2 s ) 导带能级( e v ) 电子准费米能级( e v ) 空穴准费米能级( e v ) 禁带宽度( e v ) 价带能级( e v ) 填充因子 产生率( c m 。) 普朗克常数( 6 6 2 6 0 6 8 x 1 0 川m 2 k g s ) 电子扩散长度( c m ) 空穴扩散长度( c n l ) 反向饱和电流密度( m a c m 之) 短路电流密度( m a c m - 2 ) 玻尔兹曼常量( 8 7x1 0 。e v k ) 受主浓度( c m 3 ) 导带有效状态浓度( c m d ) 施主浓度( c m 。) 缺陷浓度( c m d ) 价带有效状态浓度( c l l l 。) x 仪九=呈唧hz v a o 队砩e b乓e阡g h k k k k m m m m 符号说明 自由电子浓度( c m 。) 热平衡时自由电子浓度( c m - 3 ) 本征载流子浓度( c m 3 ) 缺陷俘获电子浓度( c m 3 ) 自由空穴浓度( c m 。3 ) 热平衡时a 由空穴浓度( c m - 3 ) 缺陷俘获空穴浓度( c m 3 ) 基本电子电量( 1 6x1 0 j 9 c ) 复合速率( c m 3 ) 串联电阻率( f 2 c r n 2 ) 并联电阻率( q c r n 2 ) 表面电子复合速率( c m s ) 表面空穴复合速率( c m s ) 温度( k ) 复合速率( c m 3 ) 偏置电压( v ) 开路电压( v ) 热速率( c m s ) x i n m 珥m p 舶n q r凡虬艮砩t u v u 第1 章序言 第1 章序言 第一节研究背景与意义 能源，不仅是人民生活的保障，国民经济的支柱，同时也关系到人类社会 的进步与文明的延续。随着人类能源需求的不断增长，太阳能作为一种来源丰 富、清洁环保的可再生能源，是满足人类未来能源需求的主力之一。与现有电 力技术兼容且安全保障性较高的光伏发电，近年来在许多国家重视下，产业规 模已取得了突飞猛进的发展，我国也成为太阳电池最大生产国。在众多种类的 太阳电池中，铜铟镓硒( c u ( i n 。g a l x ) s e 2 ，c i g s ) 薄膜太阳电池以其材料吸收 系数高，抗辐射能力强，性能稳定，制备工艺易于大规模生产，衬底廉价，器 件光电转换效率为当前各种薄膜太阳电池之首等优点( 图1 1 ) ，已经成为光 伏领域的研究热点，并在各国研究人员的努力下逐步实现产业化。 弱 2 5 c - s im c - s ir i b b o ns i c d t ea s ic l g s t e c h n o l o g y 图1 1 各种太阳电池及组件的光电转换效率世界纪录n 1 尽管取得了不少进展，但由于c u ( i n x g a l x ) s e 2 材料本身性质与电池结构的 复杂，目前对其内在机理的认识仍存在不足，从而制约着c i g s 电池性能的进 一步提高。在电池内部缺陷机制、元素成分对器件性能影响、异质结界面态与 筋 幅 豫 。 鑫 一零oc蛰o蓬m嚣。一茹h心c u 第l 章序言 结构优化等方面，还需要做更深入的研究。面对研究过程中得到的大量实验现 象与数据，传统经验主义的研究方法很难满足了解电池深层次信息的需要，对 实验的解释也大多停留在表面现象的初级分析阶段。为了得到对电池器件的深 层次认识，提升c i g s 电池的研究水平，通过建立恰当的物理模型进行理论分 析，发现实验数据背后隐藏的规律，有助于透过实验现象找到影响问题的关键 因素，进而认识和理解其物理机制，将科学研究引向深入。 近年来随着太阳电池理论模型的不断完善及计算机处理能力的持续进步， 数值模拟已作为一种有效的太阳电池理论研究工具，广泛应用于测试数据分 析、器件机理阐释、电池结构优化等方面。而c i g s 电池的数值模拟研究，也 在与实验研究的结合中不断丰富和发展，成为国外高水平研究机构的重要辅助 工具。随着电池研究课题的细化与深入，研究范围也从分析电池纵向结构设计 的一维模型，拓展到晶界、不均匀性等影响的二、三维模型，模型参数也随着 器件测试手段的进步而不断丰富。 目前c i g s 电池仍有不少课题在逐步探索中。器件的进一步优化，需要在 实验和理论上做更多的工作，其器件仿真模型需要进一步完善，从而更全面、 更精确地分析与处理问题。因此，模拟仿真工具也需要进一步发展，使其功能 更为强大。本文借鉴前人在太阳电池理论方面的基础，根据现有的数值模拟手 段，开发并完善模拟工具，并将其应用于c i g s 电池的理论研究，更深入地分 析电池内在机理，使c i g s 电池研究更加有的放矢。 第二节太阳电池理论研究 太阳电池技术的发展，是段实验与理论相互检验、相互促进、相互成熟 的历程。在这个过程中，人们不断发现电池的外部性质，进而掌握其内部规 律，从而找到器件优化的方向。 1 2 1 太阳电池模拟研究的发展 1 9 5 4 年第一块现代意义的p n 结太阳电池在b e l l 实验室问世 2 】，阐明其基 本机理的文章也在一年后发表。文章指出了串联电阻是电池效率限制因素，并 在尽可能减小串联电阻的工作基础上，报道了6 的光电转换效率 3 1 。此后，一 系列的理论工作研究了太阳电池光谱响应、最佳带隙、温度影响、能量损失、 极限效率等相关课题，其中采用的数学物理模型奠定了p n 结太阳电池的理论 夕 第1 章序言 基础【4 7 】。之后随着g a a s ，c d t e ，c u l n s e 2 等异质结太阳电池的兴起，计算异质结 电池特性的理论模型也得到了发展，用以分析能带失调值、界面态、复合机制 等因素对异质结电池性质的影响 8 q 3 】。早期的理论研究，通常是根据p n 结的半 导体物理模型，对非平衡载流子的产生、复合、扩散漂移等过程做出一定的简 化或加入一些假设条件，再代入边界条件以求解载流子输运方程，最后将得到 的解析解用于分析电池的电流电压特性、材料参数的影响、效率优化等课题。 随着太阳电池逐步成长发展起来的，还有计算机的软硬件技术与半导体器 件模拟。半导体器件模拟的理论基础由晶体管发明者、诺贝尔奖得主w s h o c k l e y ，j b a r d e e n 等人于2 0 世纪5 0 年代左右树立【1 4 - 1 7 】。后来h k g u m m e l 第一次将数值方法取代解析方法用于精确求解一维双级晶体管模型，将计算机 技术引入了半导体器件的理论分析【l8 1 。此后，数值方法不仅应用于精确求解 p n 结、异质结等半导体模型【1 9 之4 1 ，也开始被太阳电池理论研究者采用【2 5 1 。模 拟的研究范围几乎涵盖每种太阳电池：晶体硅电池【2 6 2 引、p i n 结构非晶硅电池 2 9 - 3 3 、微晶硅电池【3 4 ，3 5 1 、非晶硅薄膜叠层电池【3 6 - 3 9 】、g a m s t 4 0 ，4 1 1 、c d t e t 4 2 ，4 3 1 、 c i g s 4 4 - 4 6 等化合物半导体电池、以及有机太阳电池 4 7 , 4 8 1 等等。 器件模拟与器件表征技术的结合，极大促进了以p n 结光伏效应为基础的 传统太阳电池的发展。而随着新技术与新概念开始应用于太阳电池，其中涉及 的更复杂的因素和现象也需要借助更高级的模型与模拟手段进行分析。如叠层 电池设计【4 9 5 0 】、促进光吸收的纳米结构等离子增强效应【5 1 ，5 扪、产生多激子效应 的量子点超晶格结构【5 3 ，5 4 1 、上转换材料【5 5 】等太阳电池前沿课题，已经依靠一些 考虑了更复杂光学电学机制的三维模型进行了理论探索和研究。 1 2 2 铜铟镓硒电池模拟 1 9 7 4 年b e l l 实验室w a g n e r 等人首先研制出单晶c u l n s e 2 c d s 异质结器 件，两年后第一个c u i n s e 2 薄膜太阳电池面世 5 6 ，5 7 1 。在早期，这种电池结构就 使用过解析模型进行理论研究【5 8 】。之后吸收层的改进工作，是通过掺入元素 g a ，形成禁带宽度可调的c u ( i n ，g a ) s e 2 材料，使之与太阳光谱更匹配，从而提 升电池效率。而原先蒸发沉积的c d s 窗口层，也改进为化学水浴沉积c d s 再溅 射双层的i - z n o n z n o 结构，形成质量更高的异质结。经过研究人员多年不断 的改进，确立了现今m o c i g s c d s i z n o n z n o 的典型c i g s 电池结构( 图1 2 1 。 3 第1 章序言 图1 2c i g s 电池的典型结构 z n o ：a l i - z n o c d s c u ( i n ，g a ) s e ， 一 m o g l a s s 针对复杂的c i g s 电池结构，数值模拟是一个很好的工具，可以从器件物 理的角度，研究各层材料参数对电池整体性质的影响。伴随着c i g s 研究热 潮，太阳电池数值模拟也日臻成熟，模拟中所用到的固定的程式与代码也被一 些课题组打包成模拟软件，提供给光伏界使用【5 9 1 。这使得研究人员无需知晓具 体的数值编程细节，也能进行理论模拟研究，从而大大促进了太阳电池模拟研 究的广度和深度。而这些软件也被大量应用于分析c i g s 电池的各种课题。 1 2 2 1g a 梯度 元素g a 对c i g s 电池性能的影响，及如何在生长工艺中加以控制和改良， 一直是c i g s 电池研究的重要课题。由于元素扩散效果不同及工艺制备的原 因，吸收层内各位置i n 、g a 的元素成分比例不同，对能带造成影响从而形成带 隙梯度。数值模拟可以定量分析带隙梯度对器件性能影响 6 0 6 2 1 。目前效率最高 的c i g s 电池具备的是双梯度结构( 图1 3 ) ：靠近m o 电极的背梯度可以提供增 强电子收集的背电场，增加短路电流；靠近c d s 层的前梯度可以提高开路电 压。但是梯度的最低点( e i n i n 处) 如位于空间电荷区之外，会在准中性区产生 反向电场阻碍电子收集，降低短路电流与填充因子。经模拟定量分析发现，背 梯度对标准膜厚的c i g s 电池性能改善有限，为大约0 5 ；但在超薄c i g s 电 池中，能减小背电极复合带来的不利影响，使效率提升2 左右【6 3 i 。 4 第1 章序言 眦b a n 柏d n ， - - - - - - - - - - - - - - - v a l e n c e b a n d ( a ) 。b a c k ( b ) “d o u b l e 。( c ) 帕n r 图1 3 不同结构的带隙梯度示意图。 ( a ) 为背梯度结构，( c ) 为前梯度结构， ( b ) 为 兼具前两种结构优点的双梯度结构 1 2 2 2 异质结界面 图1 4c i g s 层不同禁带宽度下的c d s c i g s 界面处能带图。界面处c d s 导带与c 1 g s 导带 的差值为导带边失调值4 压 掺g a 的目的是为了增加吸收层材料的禁带宽度，从而提高电池的开路电 压。但实验研究发现，掺入过多的g a 并不会使开路电压得到相应的增高，反 而会劣化器件性能。理论模拟研究发现，c d s c i g s 处的界面复合会导致这一 现象【6 4 1 。随着g a 含量增多，c i g s 的导带边上移 6 5 1 。模拟结果显示，当不考虑 界面复合时，开路电压随c i g s 禁带宽度变大而增加。当考虑界面复合的影 响，a e p 0 时，开路电压随禁带宽度的变大而增加；但当c i g s 导带边高于 5 一 ， 第1 章序言 c d s 导带边，即4 丘 d 时，玩为c i g s 的禁带宽度；4 尻 厶 易，即准中性区厚度远大于少子扩散长度时，方 1 5 第2 章太阳电池器件物理基础 程( 2 3 ) 回归于( 2 2 ) 的形式。 当考虑耗尽层内的复合机制时，在正向偏压下耗尽层内的载流子复合会形 成一股复合电流。在太阳电池中，由缺陷或杂质能级引起的间接复合是最主要 的复合机制，所以复合率大小由间接复合率公式可得【9 4 】： u = 丽百n p 丽- n ； 弦4 ， f + b ) + 丁口( 刀+ 刀，) 怕刮 墨二墨生生 其中p f = u v e 灯，门f = n c e 玎。假设= 砀= f ，缺陷能级e 1 位于禁带中 央，公式在n = p 时取最大值： 觚= 尝( p 薪一1 ) ( 2 5 ) 一般在估算耗尽层复合电流时，假设耗尽层各处的复合速率皆为此最大值， 于 是复合电流密度z 为各处复合率在耗尽层范围( o w ) 的积分，可得【9 2 】： 以腑觚出警( e 蔫_ 1 ) ( 2 6 ) 但耗尽层中的复合率分布如图2 2 所示，只有一处满足，z 印的条件达到复合率 最大值，而其两端的复合率会随着特征长度k t q e 指数下降，e 为最大复合率 处附近的场强【9 5 1 。因为耗尽层内的最大复合率处靠近p n 结的界面，所以e 约 等于界面场强2 仍一v ) w , 虼为p n 结的内建电势差。所以复合区域的有效厚度 可以估算为： 尼丁 尼丁肜 么石一而 妲7 从而比公式( 2 6 ) 更精确的耗尽层复合电流密度公式如下【9 3 】： 以黑e q v 2 k t _ 1 ) ( 2 _ 8 ) 2 f ( 一矿) 。9 。 当精确考虑复合区的场强e ，将复合率积分后，上式还要再乘上一个系数 1 6 第2 章太阳电池器件物理基础 7 【2 【9 5 】。可见当f