论文总字数：23084字

摘 要

为了应对全球范围内的能源危机，摆脱传统化石能源经济的垄断，迈向可再生能源新时代，从而形成可持续发展的新社会，人们对清洁能源的研究投入了大量的精力。而太阳能电池是对太阳能的主要利用方式。Sb₂Se₃太阳能电池属于薄膜太阳能电池，Sb₂Se₃具有无毒环保，储量丰富的优势，非常有希望制备能工业化量产低成本高效率的薄膜太阳能电池。但是相比于其理论计算得到的31%的光电转化效率和目前主流的实验室效率为21.0%的CdTe太阳能电池以及实验室效率为22.6%的CIGS太阳能电池，目前报道出来的最高效率仅为9.2%/的Sb₂Se₃太阳能电池还很不成熟，有着有很大的进步空间。

本文介绍了太阳能电池的基本原理，Sb₂Se₃的性能优势，并介绍了模拟软件SCAPS,然后利用SCAPS模拟软件对结构为Au/FTO/CdS/Sb₂Se₃/CuI的太阳能电池进行了数值分析，详细分析了Sb₂Se₃厚度及其缺陷浓度，CuI掺杂浓度，CdS带隙对准，金属功函数对电池光伏特性和电池性能的影响。经过模拟我们得出结论，Sb₂Se₃的最佳厚度为300nm，需要适当降低Sb₂Se₃层缺陷密度和提高CuI层掺杂浓度，背接触所使用金属电极的功函数必须大于4.8eV，CdS层电子亲和势大小应该在3.6 eV-4.0eV之间。

关键词：太阳能电池 硒化锑 理论模拟 光电转化效率

Simulation study on the performance of Sb₂Se₃ Solar cell with CuI hole transport layer

Abstract

In order to deal with the global energy crisis, get rid of the monopoly of the traditional fossil energy economy, and move towards a new era of renewable energy, so as to form a new society of sustainable development, People put a lot of energy into the research of clean energy. And solar cell is the main way to use solar energy. Sb₂Se₃ solar cell is a kind of thin-film solar cell. Compared with other thin-film solar cells, its absorber material -binary compound Sb₂Se₃ has the advantages of non-toxic, environmental protection and rich reserves, and has a bright future in low-cost industrial mass production. the best Laboratory efficiency of Sb₂Se₃ solar cell is 9.2% .However, the photoelectric conversion efficiency calculated by the theory is 31% .And compared with the the CdTe solar cell with 21.0% or the CIGS solar cell with 22.6%, the Sb₂Se₃ solar cell which has a number of development space is quite imperfect.

This paper introduces the basic principle of solar cell, the simulation software SCAPS and the Characteristics of Sb₂Se₃. Then, the structure of Au / FTO / CdS / Sb₂Se₃ / Cui solar cells is analyzed by using SCAPS simulation software. The effects of the thickness and the defect density for Sb₂Se₃ absorber, the doping concentration of CuI, the band gap alignment of CdS and metal work function on photovoltaic characteristics and battery performance are analyzed in detail. Finally, in order to ensure a good device energy, the best thickness of Sb₂Se₃ is 300nm, and It is necessary to reduce the defect density of Sb₂Se₃ layer and increase the doping concentration of CuI layer. The metal work function of the materials used in back contact must be higher than 4.8ev, and the electron affinity of the absorption layer should be between 3.6ev-4.0ev.

Key Words: Solar cells；Sb₂Se₃；Theoretical simulations；Photoelectric conversion

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2太阳能电池简介 1

1.3太阳能电池工作原理 2

1.4 Sb₂Se₃材料特性 7

1.4.1 光电特性 7

1.4.2 Sb₂Se₃晶体结构 7

1.4.3材料制备优势 8

1.4.4其他优势 9

1.5 Sb₂Se₃太阳能电池结构 9

1.6 Sb₂Se₃太阳能电池研究进展 10

1.7研究内容与意义 11

1.7.1研究内容 11

1.7.2研究意义 11

第二章 太阳能电池模拟基础 12

2.1 SCAPS模拟软件介绍 12

2.2 SCAPS模拟软件基本原理 12

2.2.1方程组建立 12

2.2.2方程组求解 13

2.3 SCAPS操作介绍 14

2.4相关参数设定 15

第三章 Sb₂Se₃太阳能电池性能模拟结果与分析 17

3.1 Sb₂Se₃吸光层参数对电池性能的影响 17

3.1.1 Sb₂Se₃吸光层厚度对电池性能的影响 17

3.1.2 Sb₂Se₃吸光层缺陷密度对电池性能的影响 18

3.2空穴传输层CuI掺杂浓度对电池性能的影响 19

3.3金属功函数对电池性能的影响 19

3.4 CdS层电子亲和势对电池性能的影响 20

第四章 结论与展望 23

4.1结论 23

4.2展望 23

参考文献 24

致谢 27

第一章 绪论

1.1前言

随着生产力的发展，人们对能源的需求在急剧增长。同时传统的不可再生的燃料能源正在一天天减少，全球环境也因为燃烧能源的大规模应用逐渐恶化。为了摆脱传统化石能源经济的垄断，迈向可再生能源新时代，从而形成可持续发展的新社会，应对全球性的能源危机，各国科学家将目光转向了各种清洁可再生能源，太阳能电池技术应运而生。

太阳能辐射能是人类能够自由利用且用之不竭的无污染天然资源。太阳辐射是一种稳定而且巨大的能量，其辐射功率稳定在3.8×10²³ KW，其中约有800000亿KW到达地球大气层，也就是20亿分之一。如此看来，燃烧5×10⁷吨煤所释放的热量才抵得上一秒钟内由太阳辐射到地球上的能量，这些太阳能如果可以尽可能地被转换为电能，则有望替代化石燃料能源成为人类社会能源的主要来源。

1.2太阳能电池简介

早在十九世纪三十年代，人们便开启了对太阳能电池的探索之路，Charles Fritts将一层薄薄的金覆盖在半导体硒上，制作了第一块以金属半导体结为吸光层的太阳能电池，只不过器件光电转化效率仅为1%。随着科研人员几十年的不断努力和探索，目前太阳能电池大致可分为三类，累计种类已经超过上百种。

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