CuInS2薄膜电池的数值模拟研究

发布时间：2021-03-02 10:44

  CuInS2因其高吸收系数(105cm-1)和与太阳光谱匹配的禁带宽度(1.53eV)成为一种理想的薄膜太阳能电池吸收层材料。然而,目前实验室中CuInS2薄膜电池的最高光电转换效率(13%)远低于理论效率28.6%和同体系Cu(In, Ga)Se2电池的最高效率20.8%。解决CuInS2薄膜电池低转换效率问题主要途径有：a)深入研究吸收层的光电性质、缺陷等对电池性能的影响机理；b)通过优化电池结构进一步提升电池转换效率。因此,通过理论拟合来研究组成电池的各层材料的性质参数对电池性能的影响,从而实现电池组成材料的优选和电池结构的优化设计研究,兼具重要的学术意义和实用价值。 本论文运用AMPS-1D软件模拟研究CuInS2薄膜电池,模拟中涉及到的吸收层CuInS2和透明导电层ZnO:Al的吸收系数由激光脉冲沉积PLD法制备的薄膜通过透射光谱测试得到。 首先,我们模拟了具有典型结构(Al/ZnO:Al/CdS/CuInS2/Mo)的CuInS2薄膜电池中CuInS2禁带宽度、厚度以及CdS厚度对电池性能的影响。模拟结果表明：理想的吸收层CuInS2厚度和禁带宽度分别为～2000nm和～1.40eV,缓冲层CdS理想厚度为40-50nm。所得电池的最优性能参数为：Eff=21.3%、Voc=0.97V、Jsc=26.4mA/cm2和FF=0.83。 其次,我们进一步优化所模拟的电池结构,以宽禁带、无毒的Zn(O,S)替换窄禁带、有毒的CdS作为缓层,并且在CuInS2/Zn(O,S)界面插入了一层很薄的界面层来模拟实验制备的薄膜在CuInS2/Zn(O,S)界面处所存在的界面缺陷。我们系统研究了吸收层、缓冲层以及界面层的相对介电常数、缺陷浓度、自由施主浓度和背电极势垒高度等等对电池性能的影响。结果表明,电池各层材料的理想参数分别为：缓冲层Zn(O,S)厚度为50nn3,电子迁移率μn5cm2/V-s,掺杂浓度Nd1018cm-3;吸收层CuInS2禁带宽度～1.4eV,厚度～2000nm,相对介电常数(EPS)12,晶体缺陷浓度5×1015cm-3,电子迁移率μn70cm2/V·s Mo背电极层与吸收层CuInS2的理想界面接触势垒应小于0.24eV。 最后,我们模拟研究了以Zn(O,S)为缓层的CuInS2薄膜电池的价带、导带补偿对电池性能的影响,并且模拟研究了以不同硫含量Zn(O,S)为缓层的CuInS2薄膜电池性能,还设计了一种以梯度Zn(O,S)(graded-Zn(O,S))为缓层的CuInS2薄膜电池,并且模拟计算了其性能。研究结果表明：对于以Zn(O,S)为缓冲层的高效率CuInS2薄膜电池的能带结构要求：|△Ecba|0.2eV且|△Ecwb|0.4eV:硫含量x为0.57时,以单层Zn(O,S)为缓冲层的CuInS2薄膜电池最佳性能为：Eff=14.6%、Jsc=23.2mA/cm2、FF=0.68、Voc=0.93V。以多层graded-Zn(O,S)为缓冲层的CuInS2薄膜电池的最高模拟光电转换效率Eff=20.8%,且具有很高的填充因子FF=0.86。 本文的模拟结果将对CuInS2薄膜电池的设计和实验研究起到指导作用。所提出的以多层graded-Zn(O,S)为缓冲层的CuInS2薄膜电池相比传统电池不仅具有环保优势,而且具有很高的光电转换效率。
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42

【参考文献】

 

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1 任丙彦;张燕;郭贝;张兵;李洪源;许颖;王文静;;N型单晶硅衬底上非晶硅/单晶硅异质结太阳电池计算机模拟[J];太阳能学报;2008年09期

2 苏孙庆;;多晶硅薄膜太阳能电池的研究进展[J];技术物理教学;2007年02期

本文编号：1841347