薄膜太阳能电池 相干光损失分析外文翻译资料

 2022-01-27 22:33:08

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Cu(In，Ga)Se2

薄膜太阳能电池

相干光损失分析

Vorgelegt von

Kay Orgassa

aus Goch

Hauptberichter: Prof. Dr. rer. nat. habil. J. H. Werner

Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. M. Berroth

Tag der Einreichung: 14.10.2003

Tag der mindlichen Prifung: 18.02.2004

第三章

本章重点在于光通过CIGS太阳能电池层系统的传播。我将提出一种简单的方法来模拟太阳能电池的光学特性，就是将电池结构描述为平行光学平层的叠层。

3.1 CIGS太阳能电池的模型系统

1.1章中所描述的Cu(In,Ga)Se2太阳能电池具有复杂的光学系统：在感兴趣的光谱范围内，即在大于CIGS带隙的光子能量下，器件的每种材料都是部分吸收的。因此，所有的复折射率N(A)本质上都具有很强的光谱依赖性。 此外，因为系统中所有的层厚度与入射波长相当，导致光学干涉现象。最后，该器件由多晶材料组成，其特性为不均匀性，例如晶界和粗糙界面。 因此，理解CIGS太阳能电池的光学特性并不简单，并且需要光学建模的帮助。

3.1.1 模型假设

对CIGS太阳能电池的光学特性进行建模首先要确定入射光的特性。关于第2.1章介绍的相关光源，光学特性的计算和评估将基于以下几点阐明：(i)入射光的电磁场分布由非偏振平面波(具有无限相干长度的)描述 (ii)波矢量垂直于太阳能电池表面(垂直入射)。 (iii)光谱辐照度由AM1.5G标准光谱(标度为1 kW / m2)表示。 具有这些特性的光入射到太阳能电池的层系统上。

图3.1显示了吸收层近似厚度dGICS = 1.5mu;m的典型CIGS太阳能电池的两个横截面扫描电子显微照片。左侧结构中的吸收层在富铜生长过程中呈现近似化学计量的CIGS沉积; CIGS在右侧结构为贫铜，在单一阶段生长。在这项工作中，两种结构都代表了的CIGS太阳能电池的制备范围。
模拟所示结构的光学性质的简单方法就是假定每个材料层可被视为具有突变界面的平面平行均匀薄膜，如重叠方案所示。为了比较结构尺寸与入射光的关系，图中还绘制了感兴趣的波长限制lambda;=300 nm和lambda;=1070 nm。显然，所有感兴趣的波长都与结构尺寸相当，因此，假设光传播在薄膜系统中是完全相干的;而在支撑玻璃基板中是不相干的。

图3.1：CIGS太阳能电池的光学模型。 所述的太阳能电池是通过具有突变界面的平坦均匀层堆叠来表示。 为了比较，下面的SEM照片显示了典型的CIGS太阳能电池的横截面。 感兴趣的光谱范围(lambda;asymp;300-1070nm)中的所有波长与电池的结构尺寸相当表明了相干光传播。

注：材料层内的实际波长是通过将所示的真空波长除以图1.1中给出的相应折射率给出的。

3.1.2 模型的应用

所引入的解释和器件结构的假设简化了模拟太阳能电池的光学性质的模型，以解决平面波通过平面叠层的电磁场分布。计算该系统中场分布的一种常用方法是基于菲涅耳系数的矩阵形式；第3.2章概述了所涉及的理论。该计算需要输入(i)感兴趣的光谱范围内的每种材料的复折射率ntilde;(lambda;)，(ii)以及每层的层厚度dl。环境空气的折射率是n=1。对层结构中特定点处的电磁场的估算然后导出光学性质，例如层系统的光谱透射率T(lambda;)和反射率R(lambda;)，单层的光谱吸收率Al(lambda;)。或通过该层结构的吸收曲线A(z)。

光学模型的标准应用是模拟CIGS太阳能电池层系统的光学性质T(lambda;)，R(lambda;)或Al(lambda;)。特别地，该模型能够分析层系统的变化的影响，例如层厚度的变化或替代材料。反之亦然，该模型还可以通过手动调整模型参数来确定实际层系统中的薄膜厚度或覆盖层，从而在测量和模拟光谱之间给出最佳拟合。

在模拟T(lambda;)，R(lambda;)或A(lambda;)之后，在下面用O(lambda;)表示，我通常将这些特性与AM1.5G标准光谱的光谱光子通量Фp1.5 (lambda;)转换成电流密度。

其中q是元素电荷。积分限lambda;u和lambda;l，定义感兴趣的光谱范围：积分上限通常由CIGS带隙给出，lambda;u=lambda;g，CIGS，积分下限发射光谱的开始确定，同样lambda;l= 0，或ZnO带隙，lambda;l=lambda;g，ZnO。方程3.1中的积分将光学性质O(lambda;)与确定太阳能电池的光电流的波长范围内的AM1.5G光谱进行加权。因此，电流密度Jo给出了属性O(lambda;)的信息品质因数，通常直接解释为太阳能电池的电流密度损失。

我将进一步利用CdS和CIGS的模拟吸收光谱Al(lambda;)，通过近似量子效率估算CIGS太阳能电池的短路电流密度

使用方程2.5，其中fc，CdS和fc，CIGS是表示CdS和CIGS层中光生电荷载流子的平均收集概率常数

3.1.3 模型的局限性

介绍的CIGS太阳能电池模型系统意味着两个主要的简化：该模型不考虑(i)给定单层表面的粗糙度，以及(ii)材料的不均匀性。这些实际系统的特征，然而，影响通过该层系统的平面波的光传播。因此，必须更详细地讨论它们对太阳能电池的光学特性的影响。

表面粗糙度

CIGS太阳能电池的层系统中的表面粗糙度主要通过扩散层厚度和光散射影响入射平面波的传播。因此，粗糙度的第一个含义是减少在CIGS太阳能电池(具有标准吸收层厚度)的结构中的光学干涉效应，光学干涉完全源于前窗口层中入射波的多次反射;深入穿透到太阳能电池的光在CIGS吸收层被完全衰减。如果窗口层完全平滑，则平面波的场分布将在结构中的所有界面之间具有恒定的相移，导致完全的光学干涉效应。相反，粗糙的界面使电磁场分布中的相位随机化，从而减少干涉效应。粗糙度的第二个含义是由于光散射而增强光学吸收。特别地，这种增强或者是由材料中光的延伸传播路径引起的，或者是由粗糙界面处的减少的反射引起的。这种增强主要影响窗口层内的吸收，因为厚度dCIGSasymp;2mu;m的CIGS吸收层几乎是不透明的。这些影响的相关性，以及简单模型的适用性，直接取决于CIGS太阳能电池层系统中出现的粗糙度与感兴趣的光谱范围内的波长的可比性(见第2.4章)。

表3.1列出了通过原子力显微镜测量的代表性样品粗糙度sigma;的均方根(rms)。样品包括在玻璃上的单一材料膜以及太阳能电池在不同完成阶段的层系统。这两种吸收层类型代表近化学计量Cu(In,Ga)Se2，在沉积过程中采用富Cu生长步骤(CIGS-I)制备，和Cu(In，Ga)Se2在单层生长中微贫Cu过程(CIGS-II)制备。其他所有层来自基线太阳能电池的标准沉积过程。

Mo涂层玻璃的表面粗糙度为sigma;asymp;10nm，因此为CIGS太阳能电池提供了相对平滑的基板。 标准厚度为dCIGSasymp;2mu;m的吸收层与所有其他层相比具有最大的粗糙度;根据沉积工艺的具体类型，其粗糙度范围在sigma;= 40-80nm之间(对于CIGS-1和CIGS-II)。因此，CIGS吸收层控制了整个器件的总粗糙度。单个CdS和ZnO层粗糙度比吸收层小得多，与Mo涂层玻璃的粗糙度相当。在CIGS太阳能电池的层系统中，CdS缓冲层和ZnO窗口层覆盖在粗糙的吸收层表面，具有遵循表面纹理的均匀膜。在CIGS晶界处，CdS和ZnO的柱状生长将在一定程度上平滑晶粒之间的沟槽。与裸吸收层表面(sigma;rmsasymp;80nm)相比，这种平滑导致整个器件的表面粗糙度略微降低(sigma;asymp;70nm)。这将导致，窗口层的厚度略微扩散;在CIGS-II吸收层的下，它变化大约在△dasymp;10nm。窗口层的厚度变化程度密切取决于吸收层的表面粗糙度，同时对更光滑的吸收层表面影响更小。

总之，对于吸收层厚度为dCIGSasymp;2mu;m的CIGS太阳能电池，层系统中的相关粗糙度介于sigma;asymp;10-70nm之间。下限值适用于窗口层系统中的粗糙度，上限值适用于设备的总粗糙度。根据瑞利准则(方程2.9)，对于在lambda;=300nm，表面粗糙度超过sigma;rmsasymp;40nm处和在lambda;=1100nm，表面粗糙度超过sigma;rmsasymp;140 nm处，预观察对光电池性质的影响。因此，考虑到较高的粗糙度极限(sigma;asymp;70um)，平坦层模型在UV /蓝光区域效果较差，适用于红光/ NIR光谱区域。然而，就模型的有效性而言，这代表了最坏的情况：另一种类型的吸收层和较薄的吸收层都会降低最大粗糙度。此外，光散射到CIGS太阳能电池的层系统中并不是很有效，随着折射率增加的顺序(见图1.1)倾向于将散射光“聚焦”到层系统的表面法线上。

总之，表面粗糙度肯定是影响标准CIGS太阳能电池的光学特性的因素但不是主要影响因素。因此引入的平坦层模型非常适合用于模拟复杂的层系统的光学特性。因此，我使用这些来模拟预测太阳能电池器件的相关光电特性。在某种程度上，简单模型甚至可以考虑粗糙度相关的影响：可以通过计算相干和非相干光传播的光学性质来模拟减少的光学干涉，然后用特定权重对结果求平均值。通过引入有效的层厚度可以增强窗口层的吸收。然而，薄膜系统中更先进的表面粗糙度的处理方法是一个独自的研究领域，超出了这项工作的范围。

不均匀性

CIGS太阳能电池的多晶材料的不均匀性主要由晶界，膜组成和膜结构的局部波动导致的。对于通过这些材料传播的平面波，这种不均匀性可以作为光散射的中心。然而，由于光散射源自折射率ntilde;的不连续性，晶界和组成或结构波动都不会引起ntilde;大的变化，因此这些结构仅是弱散射体。与由于两种不同材料之间的界面粗糙度引起的散射效应相比，由非均匀性引起的散射的影响不太重要因此可以忽略。

在光学常数方面对非均匀材料的正确描述值得我们更注意：CIGS太阳能电池中所有材料都以多晶薄膜的形式存在，其通常具有柱状晶粒结构和高优先取向。复合材料本质上具有局部组成波动。因此，这些材料的光学常数将取决于特定的制备工艺以及入射光的方向。将复杂材料的不均匀性适当地结合到光学模型中的一种方法是通过测定非常类似于太阳能电池中的材料的光学常数。 这个问题将在第4.2章中详细讨论。

3.2 薄膜系统的光学特性

在前一章中，我介绍了一种用于阐明CIGS太阳能电池的简单光学模型，就是平面电磁波入射到具有突变界面的平坦均匀层堆叠系统。该层系统的光学特性源自波传播的电磁场分布。为了计算该场分布，必须考虑(i)均匀介质内的平面波解和(ii)场矢量在两个这样的介质的界面上的传递。

3.2.1 在均匀介质中的平面谐波

在具有相对介电函数isin;，电导率sigma;和相对磁导率u equiv; 1(假设非磁性介质)的线性各向同性介质中，平面谐波采用的形式

其中，E表示电场矢量和B表示磁感应。这些横波以频率w在波矢量k的方向上传播，并遵循色散关系

与波数k equiv; 。在自由空间中，其中sigma;= 0且isin; = 1，色散关系减小到众所周知的表达式w = cok，光速为co。在介质中，co由括号中的术语修饰，表明复数折射率的定义。

实部n= n(w)为通常被称为折射率，虚部k = k(w)为消光系数。折射率n和消光系数k也称为材料的光学常数。两种材料属性(n，k)或(isin;，sigma;)同样代表电磁波与均质材料之间的相互作用：响应函数利用isin;和sigma;描述材料对场的响应，而光学常数n和k表征由于材料引起的平面波的变化。

电磁波传播遵循因果关系原则，该原理指出没有信号比真空中的光速传播得更快。这个原理导出所有响应函数的实部和虚部的关系，在光学常数n和k的情况下称为Kramers-Kronig关系

其中P是柯西主值积分。

为了更好地理解复折射率，使用色散关系(方程3.5)，用在频率w上的波矢量k重写平面波解。对于正z方向的传播，公式3.3采用这样的形式

平面波的这种形式表明折射率n通过降低相速度co来调整波的相位，而虚部K引起波幅的指数衰减。振幅的衰减与能量的耗散相关，即强度的降低。

电磁波的强度由坡印亭矢量S = Etimes;B(mu; = 1)的平均值给出，因此

吸收系数alpha;，描述了在光强度I沿传播路径Z减少的相对速率，然后由相关的消光系数K。

波长lambda;=2pi;w/ co。光学吸收通常用吸收系数alpha;表示，吸收系数alpha;与可测量的强度直接相关，而不是用复折射率引入的消光系数K来描述电磁波传播。

3.2.2 在界面的平面谐波

入射在两个均匀介质之间的界面上的平面波

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