1.1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，因此如何满足未来持续增长的能源需求成为世界各国不可避免的重要问题。各个国家开始不断推进对可再生能源的研究，其中在新能源领域，太阳能光伏发电是重点，在21世纪以来，太阳能光伏发电获得井喷式增长。在国家政策支持下，其产业发展迅速，应用广泛，太阳能光伏发电提供了难得的发展机遇，太阳能以其应用范围广、数量多等优势备受人们关注。

当前中国已经成为全球最大的光伏生产国，但光伏产业的发展主要依靠政策驱动，在整个能源结构中所占比例仍然较小。光伏的大规模运用最终还是要依靠技术进步，核心在于研发低成本高效率的太阳能电池，太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏。简称光伏。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池主要由半导体材料构成，而寻找廉价、环保、光伏转换效率高的半导体材料是发展太阳电池技术的关键。

在国际光伏市场迅猛发展的推动下，各国电池制造业也开始投入巨资以加大对太阳能电池研究开发，从而致使世界太阳能电池的产量不断增加。在太阳能电池的发展过程中，传统晶体硅太阳电池由于由硅组成,电池主要部分易碎,易产生隐形裂纹,大多有一层钢化玻璃作为防护,造成重量大,携带不便,抗震能力差,造价高,效率或多或少降低，随着近几年来技术研究的成熟薄膜太阳能电池成为主流。薄膜太阳能电池因具有价格低、弱光性好、大面积自动化生产、柔性便携等优点,表现出极大的发展意义和良好的市场前景。而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。

1.2国内外研究的过程以及现状分析

随着计算机处理能力的提高，仿真模拟在各个技术领域里得到前所未有的发展，特别是在半导体材料研究与器件开发中起到了不可替代的作用。太阳电池技术的发展，是实验与理论相互检验、相互促进、相互成熟的历程。作为理论工具的模拟软件可使其研发理论先行、实验验证在后，以及更细致地对实验结果进行分析诊断，从而揭示器件内在机理，使研发更加有的放矢，加快太阳电池向更高端技术发展。

目前，国际上已有一些太阳电池模拟软件被光伏工作者采用，应用于测试数据分析、器件机理阐释、电池结构优化等方面，目前比较流行的应用于光伏研究的太阳电池模拟软件有PC1D、ASA、AMPS、AFORS-HRT、SCAPS等。由于研究太阳电池所用材料不同或者针对研究的电池性能不同，各模拟软件针对不同的研究方向会建立不同的物理模型，以及不断地改进算法以优化计算，所以会造成适合模拟的太阳电池类型不同，软件性能也会有差异。我国太阳电池研究目前仍侧重于经验主义的实验方法，器件理论的基础不强，自主研发的数值模拟软件几乎是空白，与国外实验与理论并重的高水平研究仍存在较大差距。

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著名的太阳能电池模拟软件，在模拟能带内存在大量缺陷态的太阳能电池方面做了许多优化，别频繁用于非晶硅等电池的仿真。AMPS从1997年发布以来一直未有重大更新，因此软件在物理模型、求解算法及用户界面存在一定的局限。我国在太阳电池研究目前仍侧重于经验主义的实验方法，期间理论的基础不强，自主研发的数值模拟软件几乎是空白的。与外国实验与理论并重的高水平研究仍存在较大的差距。为了弥补国内在太阳能电池理论研究方面的不足，在开源软件AMPS强大的模拟基础上，通过继承软件原创者的理论基础和器件的模拟思路与技巧，开发了新型的模拟软件wxAMPS，其中增添了缺陷辅助隧道和带内隧穿俩种物理模型，改进了内核算法，提高了程序的稳定性与收敛能力，在软件功能上也做了众多的升级更新。wxAMPS软件在程序设计上作何非常大的改进，除了支持Windows系统外，也能在其他平台下运行，还可以与Matlab混合使用，实现批处理功能，并且兼容其他的光学模型。该软件适用于晶体硅、非晶硅、谛化镉、叠层多节的模拟仿真。

目前学术上利用AMPS软件模拟薄膜太阳能电池的并不多，2017年6月于丽娜 、黎明、安艳辉三人利用AMPS-1D软件为基础分析窗口层厚度、前端接触势垒等因素对微晶硅薄膜太阳电池的p层势垒和内建电势的影响, 同时对该因素对太阳电池性能的影响进行预测分析。预测结果表明, p层厚度的减少和前端接触势垒的增加会使内建电势增加, 进而提高电池性能;前端接触势垒越大时, 微晶硅太阳电池的性能越好, 当前端接触势垒小于1.32 e V时, p层厚度对电池性能的影响较大, 当窗口厚度为14 nm和前端接触势垒较高时, 所得微晶硅太阳电池的性能最佳。2018年8月，康健、马骁、张振友等人利用AMPS-1D仿真软件，模拟无缓冲层和100 nm缓冲层两种状况下，微晶硅薄膜电池的性能参数与本征层晶化率的变化关系。结果发现缓冲层可以提升太阳电池长波段的量子效率和性能参数。电池短路电流与本征层晶化率变化正相关，但其他参数包括转换效率、填充因子和开路电压均与晶化率变化呈负相关，此外本征层晶化率的提高也有助于提升电池长波段量子效率。相信在新型的模拟软件wxAMPS相比于原软件升级后，该软件将更多地被利用到太阳能电池模拟的研究领域。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的主要内容及目标