摘 要

本文借助了太阳能电池仿真软件SCAPS对超薄黄铜矿铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池进行了转换效率等输出性能的数值仿真，主要目的是为了通过改变CIGS薄膜太阳能电池默认的物性参数来提高太阳能电池器件的效率。所得到的仿真结果对于用仿真软件提高太阳能电池转化效率，降低开发成本具有十分重要的指导意义。

论文主要研究了在不同的膜厚以及缺陷浓度的情况下，CIGS薄膜太阳能电池各层对电池输出性能的影响。随后探究了温度对CIGS太阳能电池整体输出性能的影响。

研究结果表明：吸收层厚度增加以及缺陷浓度的减少会使CIGS太阳能电池输出性能提高，温度升高会使输出性能降低。并且在吸收层（CIGS），缓冲层（CdS），窗口层（ZnO）厚度分别为0.03，0.05，2μm，吸收层缺陷浓度为10¹³cm^-3以及293K温度条件下，电池可以达到17.79%的仿真转化效率。

关键词：SCAPS；薄膜太阳能电池；CIGS；仿真

Abstract

In the paper, the output performance of ultra-thin CIGS solar cell was numerically simulated with the help of solar cell simulation software SCAPS. The main purpose was to improve the efficiency of solar cell devices by changing the default physical parameters of CIGS thin film solar cell. The simulation results are very important for improving the solar cell conversion efficiency and reducing the cost.

The paper mainly studied the effects of different film thickness and defect concentration on the output performance of CIGS thin film solar cells. And then the influence of temperature on the overall output performance of CIGS solar cell was investigated.

The results show that the increase of the thickness of the absorption layer and the decrease of the defect concentration will increase the output performance of the CIGS solar cell, and the increase of the temperature will decrease the output performance. In addition, under the conditions of window layer (ZnO), buffer layer (CdS), absorption layer (CIGS) thickness of 0.03, 0.05, 2 μm, absorption layer defect concentration of 10¹³cm^-3 and 293K, the battery can achieve the simulation conversion efficiency of 17.79%.

Key Words：SCAPS；CIGS；thin film solar cell；simulation

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第1章 绪论 4

1.1 太阳能介绍 4

1.2 太阳能电池介绍 4

1.3 太阳能电池材料和结构 5

1.4 太阳能电池国内外研究现状 5

1.5 太阳能电池模型与仿真软件 6

1.6 研究目标 7

1.7 本文结构和特点 7

第2章 太阳能电池仿真分析 9

2.1 SCAPS太阳能电池仿真软件简介 9

2.2 SCAPS仿真软件界面参数设置 10

2.3 使用SCAPS设计CIGS薄膜太阳能电池 11

2.4 能带图 18

2.5 伏安特性曲线 20

2.6 本章小结 22

第3章 探究电池内部参数对电池输出性能影响 23

3.1 膜厚的影响 23

3.2 缺陷浓度的影响 28

3.3 本章小结 33

第4章 探究电池外部环境温度对电池输出性能影响 34

4.1 温度对太阳能电池性能影响 34

4.2 温度对CIGS薄膜太阳能电池输出参数的影响 34

4.3 本章小结 36

第5章 全文总结 37

5.1 主要工作总结 37

5.2 结论及展望 38

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

太阳能作为最清洁的能源，而太阳能电池作为利用太阳能关键的能量转化器件，已经成为世界各国研究的热点。

• 1. 太阳能介绍

太阳能是太阳能的辐射能。其能量来源于太阳内部发生不断的核聚变所产生的。太阳能能量巨大，即使太阳能传递到地球上的能量仅为太阳总辐射量的很少的一部分，但是人类生产生活发展所需的能量都直接或者间接的来自太阳能。太阳能优点突出，其优点主要为以下三个方面：

1. 普遍性。太阳能的获得基本上不受地域的限制，太阳能广泛存在于地球的每个角落，不需要开采。
2. 绿色性。太阳能作为最清洁的能源，其使用不会对环境造成污染。在倡导环保，重视环保的今天，太阳能无疑是最受欢迎的能源。
3. 丰富性。太阳能蕴含量巨大。其总量可以称得上是地球上可利用的最大的能源。

但是，太阳能的缺点也是同样明显的。其分散性以及不稳定性都为其进一步开发和利用，增加了阻碍。太阳能光伏电池，作为太阳能利用的最主要的形式之一，其高成本和低效率至今仍然是各国科研人员正在攻克的难题。

我国正处在高速发展的阶段，对能源的需求越来越大。而在强调绿色发展的今天，为了实现经济和社会的可持续发展，大力开发和应用新能源成为重要途径^[1]。其中，太阳能电池作为开发和利用太阳能最主要的装置，自然成为了研究的热点。

• 1. 太阳能电池介绍

太阳能电池的研究一直是一个热点。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。毫不夸张的说，中国就是现在的世界生产和需求太阳能电池的第一大国。

将太阳能转换为电能是当今世界各国的普遍做法，在此能量转换过程中，不会对环境产生污染，特别的安全以及清洁。并且太阳能电池应用广泛，不仅可以应用到家庭生活中，还可以用于交通运输，工业生产。因此太阳能电池成为了开发和使用太阳能的最佳手段。

太阳能电池又称光伏电池，是一种利用太阳能电池材料的光伏特性，直接利用太阳光的光电能量转换装置。太阳能电池暴露在光照环境下，可立即产生输出电压以及输出电路。利用太阳能电池发电有诸多好处，相较于传统的火力发电，太阳能电池发电是一种绿色的，环保的，可再生的，无污染的发电方式，对于节能减排有着非常重大的贡献。

• 1. 太阳能电池材料和结构

太阳能电池基本可以分为三类，分别为单晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池以及化合物太阳能电池。随着研究的深入,纳米森林^[2]等新型材料结构也被相继提出和设计。

晶体硅太阳能电池具有较高的转换效率，并且稳定性也是极佳的。但是硅太阳能电池生产工艺较为复杂，并且硅的原材料成本也较为高，其转化效率达不到预期的经济效益。

为了一定程度上解决这个高成本低效率的问题，薄膜太阳能电池工艺逐步发展。采用使用材料较少的薄膜，制备工艺简单，并且原料较为便宜。极大便利了太阳能电池在实际环境中的应用。这些薄膜太阳能电池根据衬底材料可以分为刚性（即玻璃衬底）电池和柔性（不锈钢或聚酯膜衬底）电池。各种材料薄膜太阳能电池凭借着特有的优势和不断成熟的工艺技术迅速占据了太阳能电池市场的一席之地，发展迅猛，光电转换效率不断提高。

化合物太阳能电池脱离了传统的半导体材料硅，采用一些如碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、砷化镓（GaAs）以及铜铟镓硒（CIGS）等化合物材料,这一类电池成本低，材料易得等优点，制备工艺简单，适合大批量生产。但是这类材料也有太阳能电池的共有缺点，转化效率不高，并且材料寿命短，并且材料中有重金属的参与，考虑到有毒性和二次污染的可能性，所以这类材料一直都是研究和模拟的重点。于此同时，研究人员也在积极的寻求更多的新型材料。并且设计更加合理的结构来提高太阳能电池的转化效率。

除薄膜结构太阳能电池，还有光栅结构^[3]的太阳能电池等新型技术，能够进一步提高太阳能电池的光电转换效率。在化合物太阳能电池领域，随着技术的发展，有机化合物太阳能电池结合薄膜技术，诞生了有机薄膜太阳能电池^[4]。

本文选取了薄膜铜铟镓硒（CIGS）化合物材料作为研究对象，对该化合物薄膜太阳能电池进行模拟仿真。

• 1. 太阳能电池国内外研究现状

自1954年，美国的贝尔实验室科学家共同研发出第一块太阳能电池,为太阳能电池投入真正的使用奠定了坚实的基础，将太阳能光伏的电池的效率提高到了6%左右。从那时起太阳能电池发展来到了一个新的时代。硅基薄膜太阳能电池也有长足的发展，已研究出微晶硅^[5]，氧化石墨烯^[6]等新型结构及材料。

2011年5月瑞士科学家通过多次模拟仿真尝试之后，在柔性塑料衬底上制备出18.7%转换效率的CIGS电池，柔性电池的主要优点是可以采用卷对卷工艺来降低制造成本。2018年9月，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等机构的研究人员通过理论计算和仿真模拟，设计出一种双层串联结构的太阳能电池，并且成功开发出这种新型薄膜太阳能电池，其双层设计大大提高了光电转换效率，高达22.4%，创造了同类太阳能电池新纪录。这种双层串联结构的太阳能电池，上层喷涂了1微米厚的钙钛矿，有助于高效捕捉太阳能，底层是厚约1微米的铜铟镓硒薄膜(CIGS)电池。薄膜电池表面经过纳米级的加工，再加上聚合有机物空穴传输层。这种设计可以让电池产生更高的电压，从而增加输出功率。

在国内，针对非晶硅薄膜太阳能电池进行了热模型的研究，模拟了各种天气下的太阳能电池性能的变化^[7]。西华大学的研究团队，对异质结构薄膜太阳能电池进行了模拟研究，得出了理想情况25.381%的转换效率^[8]。非晶硅锗双结的新型结构可让转化效率提高为14.46%^[9]。南开大学陈永胜团队首次提出以半经验模型分析为指导进行了有机太阳能电池的模拟仿真，研究发现采用串联电池的策略来提高太阳能电池的效率。通过使用多样性高和易调带隙结构的有机材料，结合半经验模型，制备了一种经溶液处理的2T单片串联OPV，其光电转换效率（PCE）高达17.3%。对于化合物薄膜太阳能电池，一种新型的窗口层的CdTe太阳能电池已经达到18.29%的转换效率^[10]。除了在仿真模拟方面的进展，各种其他领域的理论也被应用到太阳能电池领域。金属表面等离子体共振理论使用到太阳能电池设计也是国内研究一大热点与方向^[11]。还有采用有限元分析法，对太阳能电池光学结构进行改良^[12]。

• 1. 太阳能电池模型与仿真软件

太阳能电池的工作的基本原理是光伏效应。一旦有合适的波长的光照到太阳能电池表面，电池内部的p-n结，会由于光伏效应产生电动势。所谓的光伏效应，即当物体受到太阳光的照射时，物体内部的电荷分布状态发生改变而产生电动势和电流的一种效应。

具体而言，当光照照射到p-n结上时，在半导体内部，会产生电子-空穴对。在内部电场的作用下，电子流入n区，空穴流入p区。因此，n区的电子浓度会升高，而p区的空穴会增多。它们就在p-n结的附近形成光生电场，使得p区带正电，n区带负电，在电场的作用下，p区和n区之间的薄层会产生电动势。光照在p-n结两端产生光生电动势，其效果等同于在p-n结两端加了一个正向电压V，因此会产生正向电流I。在不接任何负载的情况下，即p-n处于开路状态，p-n结两端具有稳定的电势差，称为光伏电池的开路电压。当接入负载时，在不断的光照条件下，形成完整的通路，就会有电流通过电路，这样太阳能电池就完成了由太阳能转换为电能的转变。

了解到太阳能电池的工作的基本原理，可以知道，开路电压以及短路电流I都是太阳能电池工作中重要的输出参数。另外太阳能电池作为电源，绘制出其伏安特性曲线也是非常关键的。除了开路电压和短路电流以外，为了更加全面的研究太阳能电池的性能，还引入了填充因子FF（Fill Factor），其定义为太阳能电池的开路电压与短路电流的乘积与最大功率之比。FF越大，其太阳能电池输出功率越高^[13]。影响FF的参数有很多，材料的厚度，光强，温度等都可以影响FF的大小。FF越大，电流-电压曲线就越接近一个矩形^[14]。太阳能电池的转换效率eta的定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能之比。

综上所述，开路电压，短路电流I,填充因子FF以及转化效率eta是研究太阳能电池模型的四个重要的输出参数，也是本次模拟仿真中极其重要的四个输出参数。

通过理论的方法，建立太阳能电池模型，研究电池的材料参数、和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，减少资源浪费。随着当今计算机性能的不断的提升采用模拟仿真的方式求解太阳能电池的各项物理参数，已成为研究太阳能电池的特性中一个必不可少的步骤。太阳能电池器件仿真是获取电池特性与材料参数、器件结构之间规律的重要方法。

仿真建模离不开仿真软件的支持，国际上已有一些太阳能电池模拟软件被光伏工作者采用，其中在国外广泛应用的SCAPS(a Solar Cell Capacitance Simulator)，主要应用于薄膜太阳能电池的仿真；在国内有结合开源软件AMPS对其进行改进升级的wxAMPS，其由国内研究人员进行改进内核算法，提高程序的稳定性与收敛能力,应用于微电子和光子结构分析^[15]，或者设计新型结构如无镉缓冲层^[16]。当然对于太阳能电池的仿真模拟还可以通过MATLAB/SIMULINK仿真软件来完成。针对不同类型的太阳能电池的研究，甚至需要进行多种仿真软件联合仿真，同时对光学以及电学联合仿真^[17]。当然仿真软件不只这些，还有PC1D,AMPS-1D,AFORS-HET,这些仿真软件功能强大，有一些甚至是开源以及免费的仿真软件^[18]。

而在本课题借助SCAPS软件对薄膜太阳能电池的输出性能进行仿真。通过对SCAPS的学习来认识到太阳能电池仿真软件对太阳能电池性能优化所做出的贡献。

• 1. 研究目标

本课题的研究目标主要为以下三点：

（1）了解太阳能光伏电池的结构和工作原理，薄膜太阳能电池的关键技术，建立CIGS薄膜太阳能电池模型。

（2）查阅国内外应用SCAPS仿真软件的资料，掌握软件的使用方法。

（3）应用SCAPS软件模拟CIGS薄膜太阳能电池的输出性能，评估膜厚，掺杂浓度，缺陷浓度温度等输入参数对CIGS薄膜太阳能电池性能的影响并评估器件结构的合理性，在合理的范围内综合考虑，仿真获得高性能的CIGS薄膜太阳能电池。

• 1. 本文结构和特点

第1章对太阳能以及太阳能电池做了一个简要的阐述，在太阳能蕴含量巨大，非常具有开发前景的认识下，分析了太阳能电池的优点，介绍了太阳能电池的模型。提出了数值模拟的方法来对薄膜太阳能电池进行仿真模拟。介绍了几款主流的太阳能电池仿真软件，确定了使用SCAPS对CIGS薄膜太阳能电池进行仿真的基本思路，提出了论文的研究目标，在此指导下，进行论文的后续工作。

第2章对SCAPS仿真软件做了一个简要的介绍，系统的讲解了SCAPS软件使用的具体操作和规范，以及相应的注意事项。并在SCAPS软件中初步建立起了简单的CIGS薄膜太阳能电池模型，确定了每一层的物性参数，为后续改变这其中的某些参数先打下了基础并且绘制和分析了CIGS太阳能电池的能带图以及伏安特性曲线。

第3章在建立的模型的基础上，以电池的内因为变量。以各层的厚度为因变量，在合适的范围内，各自独立的改变薄膜太阳能电池每一层的厚度，探究窗口层、缓冲层、吸收层的厚度对电池的伏安特性，填充因子，转换效率的影响。确定每层的最佳膜厚，得到在合理的膜厚下的最佳的电池的输出性能。然后在膜厚等参数不变的基础上，再合适的范围内，各自独立的改变每一层的掺杂浓度，探究各层的最佳的掺杂浓度，以获得在一定的掺杂浓度下，合适的填充因子以及转化效率。

第4章在建立模型的基础上，以电池外部影响因素温度为变量。在膜厚，掺杂浓度等电池物性参数不变的基础上，改变外界的环境温度，探究不同的温度下薄膜太阳能电池在第三章，第四章确定的最佳膜厚以及掺杂浓度下的输出性能，确定最佳工作点所在的温度，以获得较高的填充因子以及转化效率。

第5章为全文的总结和还需改进的问题以及展望。

本文特点：通过对SCAPS仿真软件的学习，来对一款简单的CIGS薄膜太阳能电池进行模拟仿真。通过SCAPS软件针对CIGS薄膜太阳能电池进行优化设计，得出比较高转化效率的电池参数。利用SCAPS软件完成这一工作有利于缩短研发周期，减少研发成本，极大的提高了研发工作的效率。针对可能影响太阳能电池的参数进行了系统的仿真，最终能够确定一个合适的CIGS薄膜太阳能电池得出令人满意的转化效率。

第2章 太阳能电池仿真分析

• 1. SCAPS太阳能电池仿真软件简介

SCAPS（a Solar Cell Capacitance Simulator）是一款由比利时的根特大学（University of Gent）的太阳能电池模拟仿真软件。由比利时根特大学电子与信息系统系(ELIS)开发的一维太阳能电池模拟程序。亚历克斯·尼梅杰斯(Alex Niemegeers)、马克·伯格曼(Marc Burgelman)、科恩·迪科克(Koen Decock)、约翰·弗施莱根(Johan Verschraegen)和斯蒂法恩·德格雷夫(Stefaan Degrave)等几位研究人员都对它的发展做出了贡献。SCAPS模拟仿真软件功能专一，软件开发的初衷就是为了仿真薄膜太阳能电池，最初是为CuInSe₂和CdTe家族的细胞结构而开发的。然而，一些扩展改进了它的能力，使它也适用于晶体太阳能电池(Si和GaAs家族)和非晶电池(a-Si和微晶硅)。软件体量小，但是功能强大，响应迅速，仿真结果非常具有参考价值。但是该软件也正由于功能专一，在国内仅用于一部分太阳能电池的仿真工作。所以有关该软件的具体使用方法以及使用该软件进行模拟仿真的国内文献较少。大部分软件的使用细则可以参考SCAPS自带的帮助文件。并且由于该软件是国外研发团队所开发的，并没有引进国内，所以即使该软件是一款开放的免费的仿真软件，在国内也没有可以下载的渠道。需要下载并使用SCAPS必须使用外网，在国外的网站上，利用国外的搜索引擎可以很轻易的获取到该软件的下载地址。由于该链接在国内无法使用，所以本文没有附上下载链接。

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