CIGS薄膜太陽能電池材料及器件模擬研究.pdf

1、太陽能是一種重要的可再生清潔能源，取之不盡，用之不竭，沒有環(huán)境污染，有誘人的應(yīng)用前景。CIGS薄膜材料是一種理想的太陽能光電材料，預(yù)計(jì)到2018年CIGS太陽能電池將占據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)40％以上的份額。然而，影響CIGS薄膜太陽能電池規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素是其材料含劇毒元素Cd及稀散元素In、Ga和Se。減少有毒和稀散元素的使用并找尋替代品，改善CIGS材料的光伏性能，正是本論文研究的重點(diǎn)所在。
　　本文主要采用第一性原理計(jì)算、原子模擬和

2、器件模擬等手段，對CIGS薄膜太陽能電池的吸光層和緩沖層材料進(jìn)行了系統(tǒng)地理論計(jì)算研究，主要結(jié)果如下:
　　1)采用第一性原理計(jì)算的方法研究了S摻雜對CuInSe2光電性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，CuIn(Se1-xSx)2的晶格參數(shù)隨S濃度x呈現(xiàn)線性變化:a(x)=-0.2828x+5.8786(A)，c(x)=-0.5692x+11.834(A)。CuIn(Se1-xSx)2的復(fù)介電函數(shù)、折射指數(shù)、消光系數(shù)和吸收系數(shù)隨S的加入變化

3、不大。當(dāng)光子能量在4～6eV之間時，隨著S濃度的降低，介電函數(shù)的虛部紅移。當(dāng)x從0增加到1時，CuIn(Se1-xSx)2的靜介電常數(shù)從7減小到5，光學(xué)帶隙從1.07eV增加到1.384eV。
　　2)采用器件模擬方法研究了缺陷態(tài)對理想CIGS薄膜太陽能電池器件宏觀性能的影響。重點(diǎn)研究了缺陷態(tài)在帶隙中出現(xiàn)的位置以及密度連續(xù)變化時，電池的開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率等四項(xiàng)性能指標(biāo)的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn):缺陷態(tài)總是不利于C

4、IGS太陽能電池的綜合性能，它減小開路電壓，降低短路電流。但是，當(dāng)CIGS中缺陷態(tài)密度小于1014cm-3時或CdS中小于1018cm-3時，缺陷態(tài)的不利影響則很小。當(dāng)缺陷態(tài)位于帶隙中央時，危害更大。此外，還研究了溫度效應(yīng)、吸收層和緩沖層材料的厚度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)工作溫度在170K時CIGS太陽能電池具有最佳的綜合性能，而2μm厚的CIGS吸光層就足以使電池表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
　　3)從光電性質(zhì)的角度系統(tǒng)探究以Zn取代緩沖層CdS中劇毒

5、元素Cd的可能性與可行性，采用第一性原理計(jì)算方法，研究了閃鋅礦Cd1-xZnxS化合物的晶體結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)。計(jì)算了x=0、0.25、0.50、0.75、1.0下的晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)（反射率、吸收系數(shù)、折射指數(shù)、介電函數(shù)）和電學(xué)性質(zhì)（能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等）。隨著摻雜濃度x的增加，晶格常數(shù)從最先的5.91(A)減小到后來的5.409(A);隨著摻雜濃度x的增加，Cd1-xZnxS化合物一直為直接寬禁帶半導(dǎo)體，并且?guī)秾挾仍谥饾u增大，即從1

6、.15eV增加到2.22eV。
　　4)采用原子模擬技術(shù)（基于晶格動力學(xué)方法和玻恩核-殼經(jīng)典勢參數(shù)模型），系統(tǒng)研究了閃鋅礦結(jié)構(gòu)Cd1-xZnxS(x=0，0.25，0.5，0.75)在不同溫度和壓力下的晶格結(jié)構(gòu)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。計(jì)算了不同Zn摻雜濃度時的彈性模量、聲子態(tài)密度、熱容、熱膨脹系數(shù)、格林艾森常數(shù)和德拜溫度。結(jié)果表明:Cd1-xZnxS的晶格常數(shù)隨摻雜濃度x的遞增單調(diào)遞減。隨溫度升高，無論是定容熱容還是熱膨脹系數(shù)都逐漸增大

7、并趨于飽和;在某一溫度時，二者都隨Zn摻雜濃度的增加而略有增加。隨摻雜濃度x從0增大到1，0K溫度時，Cd1-xZnxS的格林艾森常數(shù)從0.78增加到0.94，而德拜溫度最小值從約197 K增大到約203 K。一些實(shí)驗(yàn)或模擬結(jié)果與我們的數(shù)據(jù)相符。期望系統(tǒng)的原子模擬研究結(jié)果將有助于理解該材料的成分-性能相關(guān)性，同時也有助于設(shè)計(jì)CuInSe2太陽能薄膜電池具有合適熱匹配的窗口層材料。同時，我們還簡要計(jì)算了Ga摻雜CuInSe2的熱學(xué)性質(zhì)。<

8、br>　　5)研究了纖鋅礦ZnO1-xSx化合物的晶體結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)。計(jì)算了ZnO1-xSx在摻雜濃度分別為x=0、0.25、0.50、0.75、1.0下的晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)（反射率、吸收系數(shù)、折射指數(shù)、介電函數(shù)）和電學(xué)性質(zhì)（能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等）;獲得摻雜濃度對ZnO1-xSx晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。ZnO中一定濃度的硫摻雜，導(dǎo)致帶隙寬度變窄，而晶格常數(shù)隨摻雜基本呈線性變化。就目前制備銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電