论文总字数：28645字

摘 要

纵观全球发展，能源是推动整个世界前进的基础。无论是石油、煤炭，还是天然气，都是所有人工作、生活中不可或缺的能源，而清洁能源也是其中的一种。光伏产业是目前清洁能源领域的首要开发对象，太阳能电池的开发更是其中的重点。本文研究的目的就是通过理论模拟得出铜铟镓硒太阳能电池相关参数对电池性能产生的影响，分析数据总结出最佳参数配置，为具体实验做出铺垫，从而推动CIGS电池的进步。本文主要使用软件SCAPS模拟电池性能。模拟结果表明：CIGS吸收层的最佳厚度为2μm、最佳带隙为1.2eV；CdS缓冲层的最佳厚度为0.05μm，界面态缺陷浓度为1×10¹⁶ (1/cm²)，可以获得平带下的最高转换效率为19.98%。本课题也重点针对双梯度能带结构对电池性能的影响进行模拟。模拟研究结果表明：前场带隙为1.2eV，后场带隙为1.6eV，且最低点处于比例为0.84的位置时，电池效率最高，为22.04%。本文在最后也针对CIGS电池的未来进行了展望。

关键词：太阳能电池 铜铟镓硒 理论模拟 双梯度能带结构

Simulation of CIGS Cell Performance with Gradient Band Structure

Abstract

Throughout the global development, energy is the basis for the progress of the entire world. Whether it is oil, coal, or natural gas, all are indispensable resources for human life and work. Clean energy is also a part of the energy field. Solar electrical energy generation is the main object of the study in clean energy fields, and the development of solar cells is the emphasis. The purpose of this thesis is to figure out the influence of some electrical parameters on CIGS solar cells’ performance through theoretical simulations, then analyze the data and summarize the best parameter configuration. The result of simulations could make a foundation for the specific experiments, and thus promotes the progress of CIGS solar cells. SCAPS is the software used in the simulation. The results of simulations show us the best thickness of the absorber is 2μm, the best band gap is 1.2eV; the best thickness of CdS layer is 0.05μm, and the density of defects is 1×10¹⁶ (1/cm²). By inputting all these parameters, we got the highest efficiency, which is 19.89%. In addition, the effect of the double gradient band structure on the performance of the cell is also studied. The results of several simulations show that: When the band gap of the front grade is set on 1.2eV, the band gap of the back grade is set on 1.6eV, and the lowest point is set on the 0.84 position, we could get the highest efficiency, which is 22.04%. In the end, this thesis gives a brief expectation on the future of CIGS solar cells.

Key Words: Solar cells; CIGS; Theoretical simulations; Double gradient band structure

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能薄膜电池简介 1

1.3 CIGS太阳能电池简介 2

1.3.1 CIGS电池的优势 2

1.3.2 CIGS电池的发展历史 3

1.3.3 CIGS电池的研究及产业现状 3

1.4 CIGS电池的发电原理 6

1.5 CIGS电池的器件结构 7

1.6 CIGS电池的制备工艺 8

1.6.1 多元共蒸发法 8

1.6.2 溅射硒化法 8

1.6.3 非真空沉积法 8

1.7 研究目的及工作内容 8

1.7.1 研究的主要目的 8

1.7.2 研究的工作内容 9

第二章 CIGS电池模拟计算原理 10

2.1 模拟软件介绍 10

2.2 性能参数的介绍 11

2.3 漂移-扩散基本方程 13

2.4 载流子复合理论 14

第三章 CIGS电池模拟研究 16

3.1 电池模型建立和参数设定 16

3.1.1 器件结构 16

3.1.2 相关参数的设定 17

3.2 CIGS层参数对性能的影响 18

3.2.1 CIGS层厚度的影响 18

3.2.2 CIGS层带隙的影响 19

3.3 CdS层参数对性能的影响 21

3.3.1 CdS层厚度的影响 21

3.3.2 CdS层迁移率的影响 22

3.4 CdS区界面态对性能的影响 22

3.4.1 平带下界面态的影响 22

3.4.2 双梯度下界面态的影响 24

3.5 双梯度结构对性能的影响 24

3.5.1 双梯度结构的影响 24

3.5.2 前场结构的影响 26

3.5.3 背场结构的影响 27

3.5.4 双梯度背前场结合模拟研究 28

第四章 总结与展望 30

4.1 平带结构模拟结果 30

4.2 双梯度结构模拟实验结果 31

4.3 展望 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1 引言

1776年，瓦特发明并改良出了世界上第一台蒸汽机，人类因此步入了“蒸汽时代”。一种新兴能源，即所谓的煤炭，被工业大量的投入使用。纺织业、船舶运输业等相关产业均发生了较大的产业升级，大大的提高了生产工作的效率。1859年，比利时人勒努瓦发明了现代内燃机，汽车这一种运输工具也随之应运而生。1970年以后，煤炭的领导地位逐步下滑，石油开始崛起，逐渐成为社会生产最常用的能源。现如今，核能的发展也在不断的进行中，核电站、核潜艇、核动力航母早已在大规模的运行中。纵观人类整个近现代发展史，不难发现，新能源的产生是推动整个人类文明进步的源动力，各种能源早已成为日常生活中的必需品。

然而，随着人类认知程度的提高，人们发现石油、煤炭这些非清洁能源，以及核能这种高辐射、高危害的能源，会对自然环境产生了不可复原的污染。同时，煤炭石油天然气等能源的生成周期十分长，几乎就是完全不可再生的，用一分则少一分，这是人类前进发展的阻碍，解决能源危机早已是各国政府的头等大事。随着人类步入20世纪中叶，水能、风能、潮汐能、太阳能等清洁能源应运而生。不同于以往的能源，这些能源对环境几乎无污染，同时也是源源不断的，所以被称为清洁可再生能源。本文将主要介绍光伏发电相关产品-CIGS电池的研发工作。

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