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铜铟镓硒薄膜太阳电池器件仿真.pdf 138页
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太阳电池之首，以其优良的器件性能和巨大的商业前景，是目前光伏学术界的
研究热点，也是产业界最为关注的新型高效低成本的太阳电池。由于CIGS电
池的吸收层是由四种元素构成的复杂化合物，异质结结构又涉及复杂的界面态
与隧穿机制，因此CIGS电池的内部器件机理复杂，尚有许多课题有待于进一
步研究。器件模拟仿真作为一种有效的理论分析方法，已成为高性能太阳电池
研究的重要手段。
以往的太阳电池模拟软件在应用于CIGS薄膜太阳电池的仿真研究时，由
于存在各自的功能局限，不能很好地满足日益发展的CIGS电池理论研究需
要。为了更深入地开展CIGS电池中相关课题的仿真研究，本论文在研究CIGS
电池器件物理的基础之上，通过改进一款在国际光伏界流行多年的薄膜太阳电
池模拟软件AMPS，从而更有针对性地对CIGS电池特有的一些性质进行仿真
研究。改进后的软件程序命名为wxAMPS并己发布，供全球光伏界的研究者免
费下载使用。
模拟软件的改进工作涉及到众多的理论知识，包括半导体器件物理与数值
模拟技术等。而且只有深刻理解了太阳电池载流子输运机理、缺陷导电机理等
理论，才能有效地借助器件仿真工具，对CIGS电池的相关机理进行深入地模
拟，并正确解释模拟结果背后的原因，从而指导并促进实验研究。因此本论文
在前面章节重点阐述了CIGS电池仿真中所涉及的器件物理理论与数值模拟方
本沦文首先在第一一章介绍了CIGS电池理论研究的前沿进展，汇总了目前
流行的各太阳电池模拟软件，并比较了各软件之间的特点，解释了为何选择在
软件AMPS的基础上予以改进与升级。第二章详细讲解了太阳电池通用的器件
物理理论。根据半导体物理分析PN结时所用到的准中性区近似，使用解析方
法推导了同质结、异质结太阳电池的亮、暗态电流电压特性，并介绍了电池
串、并联电阻对器件性能的影响及不同的拟合方法。第三章将解析模型的分析
方法，应用于CIGS电池中一些器件特性的探讨，研究了CIGS电池开路电压、
品质因子同温度的关系，饱和电流激活能与CIGS禁带宽度的联系，CdS／CIGS
异质结界面的费米能级钉扎现象，与缺陷辅助隧穿电流、CIGS吸收层中Ga的
背梯度等物理机制对电池性能的影响。
因为解析模型需要建立在一定的假设与简化条件基础上，才能获得闭合的
解析解，对问题进行分析。而考虑更复杂的器件机制时，这些假设与简化条件
不一定满足，此时更精确的器件模拟需要用到数值分析技术。本论文第四章详
细研究了使用数值方法进行太阳电池模拟过程中所涉及到的物理模型、仿真思
路与具体实现过程。系统阐述了薄膜太阳电池中的缺陷机理与各种缺陷态的数
值处理方法，其中包括离散分布、带状分布、高斯分布的受主型或施主型缺陷
态，带尾态及中间态，和软件AMPS中尚未考虑的两性缺陷态。研究了异质结
太阳电池中更复杂的隧穿机制，如带间隧穿电流、缺陷辅助隧穿电流，并对模
拟软件中用到的不同光学模型予以了说明和比较。
通过研究薄膜太阳电池模拟的基础理论，与结合CIGS电池仿真的具体需
要，软件wxAMPS弥补了原软件AMPS未考虑隧穿电流影响的不足，添加了
两种隧穿电流模型，使程序可以更好地分析薄膜太阳电池中的物理机制；并结
合牛顿迭代法、Gummel迭代法的优点，改进了模型的求解算法，提高了程序
的稳定性与算法的收敛能力。软件还可以模拟材料参数的任意梯度分布对器件
性能的影响。
第五章通过使用软件wxAMPS，将数值模拟技术应用于CIGS电池的机理
研究，并结合前人的实验研究成果，揭示所观察到的宏观实验现象背后的微观
物理机制。本章模拟分析了CIGS吸收层的载流子浓度、厚度对电池性能的影
响，研究了CIGS电池在低温、弱光下的器件响应，并通过解析模型解释了模
拟结果背后的原因。依靠仿真建立的模型发现，对于CIGS电池在低于300
时串联电阻随温度降低而非线性快速增加的现象，是由于CdS／CIGS界面处的
势垒影H向所致，并由此对学术界各这问题上的争论提出了新的观点和理论解
释。本章中还研究出了一种新的仿真方法，可以分析任意Ga梯度对电池性能
的影响。结合实测的Ga梯度数据，生成与软件wxAMPS兼容的器件文件，通
正在加载中，请稍后...摘要：“薄膜太阳能电池”是我校新能源科学与工程专业重要的专业课程之一，具有知识结构复合度高、知识点更新迅速、实践性与应用性强等特点。传统的教学模式偏重公式推导，学生普遍感觉比较抽象，理解难度较大。为了体现应用型本科高校的特点，培养具有持续学习能力的专业型人才，教研组引入基于wxAMPS仿真软件的教学方法，介绍了该软件的特点和优势，并通过设置一个综合工程案例展示了该教学方法在本课程中的应用，增强了学生对电池优化设计的理解和应用能力，达到提高教学质量，适应应用型人才培养的需要。
　　关键词：薄膜太阳能电池；wxAMPS；应用型本科 　　中图分类号：G426 文献标志码：A 文章编号：（6-03 　　一、引言 　　近年来，光伏新能源产业成为江苏省新兴产业中优先发展的重要高新技术产业领域之一，主要包括硅材料、太阳能玻璃、电池背膜、光伏逆变器等领域，全省拥有光伏企业600多家，从业人员12万人，形成了完整的产业链条。无锡尚德、常州天合、中电电气、江苏林洋、CSI阿特斯、江苏中能、江阴浚鑫和华盛天龙8家企业在境外上市，销售排名全球前20强中江苏有5家。2010年全省光伏产业实现产值1988亿元，同比增长81%，晶硅电池产量占全国的55%以上。随着其产业链的完善和价值链的提升，逐步成为国家光电产业发展规划的重要支点之一。光伏新能源产业技术含量高，产品附加值大，产业升级快，需要大量有能力从事产品设计开发、市场开拓、产品测试以及设备维护等方面的光电工程技术应用人才，对具有懂得光学、材料、电子电路、半导体物理等多方面专业知识的复合型人才需求较大。 　　目前以商品化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高，但受材料纯度和制备工艺限制，成本高，很难再提高转化效率或降低成本。硅基薄膜太阳能电池只需几的厚度就能实现光电转换，是降低成本和提高光子循环的理想材料，我校面向该专业本科生三年级开设“薄膜太阳能电池”作为专业必修课，设理论课32学时，实验课16学时，旨在通过该课程的学习使本专业的学生能够加深对光照下半导体中的基本物理现象、概念、基本原理的理解；掌握有关薄膜太阳能电池测试仪器及装置的结构、原理、使用；掌握对光伏领组件评价和系统测量的基本技能，从而提高学生的专业素养，为后续的学习奠定基础[1，2]。 　　如何培养高级工程光学类技术人才，如何将课程中比较抽象、复杂的光学问题，比如硅基半导体的能带、PN结的形成过程、掺杂浓度对PN结位置的影响、光生载流子的寿命、器件IV输出特性与负载之间的关系等物理问题，在抽象的数学表达式之外帮助学生深刻理解其中的物理内涵和工程应用，成为教研组对课程进行改革的方向[3，4]。 　　目前，该课程的实验安排时间较少，受实验设备和场地的限制，有些实验很难开展，通过参考兄弟高校在这方面的经验、方法及成果的基础上，通过一些分立知识点的编程设计，使学生逐步加深学生对于薄膜电池的结构和光学参数、物理参数的直观认识；通过综合案例的实践，可以启发学生思考PN结深度、掺杂种类、环境温度等工程因素对器件效率的影响机制，提高学生的工程实践能力和创新能力[5]。 　　二、wxAMPS仿真平台 　　软件模拟硅异质结太阳电池已经被广泛应用，模拟软件作为理论研究的工具，可以使理论先行，使数学物理模型建立并应用于具体材料研究，再以更细致的实验去检验理论的正确性，并不断完善理论。 　　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[6，7]。 　　wxAMPS的前身是著名的太阳电池模拟软件AMPS-1D，该软件是由美国宾夕法尼亚大学FonashS教授等开发，优化了太阳电池在能带存在大量缺陷时的模拟，适用于铜铟镓锡、非晶硅等太阳电池的模型。但是，因为接近30年时间没有重要的软性更新，所以它逐渐跟不上现代计算机技术的人性化特点，以及在计算速度等方面大大落后于新型软件[5]。 　　（1）载流子扩散―漂移模型是AMPS选用的基本物理模型，但该软件未考虑隧穿效应。 　　（2）AMPS软件使用Newton-Laplace法，计算量大，耗费计算资源，而且对计算初值比较敏感，有时甚至无法收敛。 　　（3）AMPS用户界面设30层材料输入为上限，无法支持精度更高的太阳电池模拟研究。 　　模拟操作步骤分为三步： 　　第一步，设定电池的环境参数，有温度、电池复合率等。光谱、偏置电压和量子效率参数在软件中有已设置好的参数文件，可以直接选中打开，也可自己编辑想要的参数，保存后选中打开。 　　第二步，依照自己的电池模型逐层设置材料的参数。在对话窗中分别有电学参数Electrical、缺陷参数Defect、光学参数Optical、高级参数Advanced设置，可以依据材料资料输入相关的半导体物理参数，如介电常数Permittivity、禁带宽度Eg、电子亲和势Affinity、施主浓度Nd、受主浓度Na等。程序可以输入任意层数的材料，并支持单层材料参数保存，也可以从软件中直接载入以往保持的材料模型。 　　第三步，点击运行（Run），得到模拟结果。在模拟计算过程中可以中断，程序会保存中途计算的结果并支持查看。而运算结果以直观的数据表、图像形式给出，即J-V曲线（IV）、能带图（Energy Band）、量子效率（QE）、电流（Current）、电场（Elec Field）、载流子寿命（Life time）等，还有增加了3个动态条以比较电池在不同电压、串并联电阻情况下特性的变化。百度搜索“就爱阅读”,专业资料、生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆!
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